Processament de titani de grau 23: des de la reducció de Kroll fins al producte de molí de grau-medical
Apr 03, 2024
La ruta industrial cap al metall de titani és el procés Kroll, i ha dominat la producció des dels anys 50 perquè cap ruta competidora ha igualat la seva economia a escala. El producte de la reducció Kroll és una esponja de titani, que després s'ha de fondre i treballar abans que es converteixi en un producte de molí utilitzable. Per al grau 23, l'aliatge intersticial extra-baix-, la cadena comporta una càrrega addicional: la contaminació que seria tolerable en un grau convencional es converteix en un error d'especificació.
Del mineral a l'esponja de titani
El rutil o ilmenita millorada es clora en presència de carboni a uns 900 graus centígrads per produir tetraclorur de titani brut, que després es purifica per destil·lació per eliminar els clorurs de ferro, silici i vanadi. El tetraclorur purificat es redueix amb magnesi fos en atmosfera inert entre 800 i 900 graus centígrads, produint una esponja de titani i clorur de magnesi. El clorur de magnesi es separa i l'esponja es destil·la al buit i es tritura. Quan el rutil és la matèria primera, es pot evitar l'etapa d'enriquiment i la cloració es produeix directament.
La qualitat de l'esponja determina el que pot aconseguir la botiga de fusió. L'esponja amb un alt nivell d'oxigen o ferro obliga el fusor a barrejar-se amb un material més net, la qual cosa augmenta el cost i limita la finestra química assolible.
Pràctica de fusió i lingot
L'esponja es barreja amb l'aliatge principal i es compacta en elèctrodes, que es solden i es fonen en un forn d'arc de buit amb un gresol de coure refrigerat per aigua-. El titani és massa reactiu per fondre's en contacte amb gresols refractaris, de manera que el procés de fusió per arc és l'única via pràctica per a lingots grans. El grau 23 requereix almenys una fusió doble i, per a aplicacions d'implants i aeroespacials, una fusió triple, que millora l'homogeneïtat química i redueix el risc d'inclusions. Els nivells de buit es mantenen prou baixos, normalment en el rang d'uns quants pascals o millor, per evitar la recollida d'oxigen i nitrogen durant la fusió.
Dues famílies de defectes es gestionen activament en aquesta etapa. Les inclusions d'alta-densitat, normalment fragments de material d'eina o metall refractari, s'eliminen mitjançant un control estricte de la ferralla i la preparació dels consumibles. Les inclusions alfa dures, les partícules-enriquides en oxigen que no es dissolen durant la fusió, es controlen mitjançant la selecció d'esponges i la inspecció d'ultrasons o de raigs X{-del producte acabat quan l'especificació ho requereixi.
Processament termomecànic
El lingot es converteix per forja i laminació. La temperatura transus beta de Ti-6Al-4V és d'aproximadament 995 graus centígrads, i l'opció de treballar per sobre o per sota d'aquesta temperatura determina la microestructura resultant. La forja beta produeix una estructura transformada amb millor resistència a la fluència i tenacitat a la fractura; La forja alfa-beta, generalment acabada en el rang de 900 a 950 graus, produeix una estructura equiaxial amb una millor resistència a la fatiga i ductilitat. El grau 23 per a ús mèdic i aeroespacial s'acaba habitualment amb un treball alfa-beta seguit d'un recuit de molí en el rang de 700 a 800 graus, que alleuja l'estrès del producte sense engrossir l'estructura.
| Etapa | Temperatura típica | Propòsit | Risc ELI si no es controla |
|---|---|---|---|
| Cloració de rutils | Uns 900 C | Convertir la matèria primera d'òxid en TiCl4 cru | La puresa de la matèria primera limita l'oxigen final |
| Reducció de magnesi | 800 - 900 C | Produeix una esponja de titani | La separació incompleta deixa clorur i oxigen |
| Refusió de l'arc de buit | Per sobre de 1668 C, punt de fusió | Homogeneïtza la química, elimina els volàtils | La pèrdua de buit augmenta l'oxigen i el nitrogen |
| Forja beta | Per sobre de 995 C | Trencar l'estructura del fos | Formació d'escales i casos alfa |
| L'alfa-beta acaba de funcionar | 900 - 950 C | Conjunt de microestructura equiaxial | El sobreescalfament fa que els grans fossin |
| Recuit de molí | 700 - 800 C | Alleujament de l'estrès, estabilització de propietats | Contaminació de l'atmosfera del forn |
Condicionament de superfícies i el problema del cas alfa
Cada pas de treball en calent exposa el titani a l'oxigen i, per sobre d'aproximadament 600 graus centígrads, el metall absorbeix l'oxigen a la superfície per formar una capa dura i trencadissa coneguda com a cas alfa. Per al grau 23, el cas alfa és doblement indesitjable: no només és fràgil sinó que també infringeix la química intersticial extra-baixa-a la superfície, de manera que s'ha d'eliminar completament en lloc de barrejar-lo. L'eliminació es fa per mecanitzat, mòlta o decapat àcid en un bany nítric-fluorhídric, i la profunditat d'eliminació es verifica en una secció metal·logràfica. El condicionament incomplet és una causa comuna de resultats baixos de fatiga i és un dels primers elements a comprovar quan un component de grau 23 funciona per sota de les expectatives.
Acabats, Assajos i Certificació
Les formes de producte acabat inclouen barra, palanquilla, material de forja, placa, làmina, tub i filferro, cadascun ordenat segons les seves pròpies especificacions. Les aplicacions d'implants estan certificades contra l'especificació d'implants forjats Ti-6Al-4V ELI i el seu equivalent internacional, amb requisits addicionals de microestructura, contingut d'inclusió i condició de la superfície en funció de la categoria del dispositiu. Les proves mecàniques cobreixen la resistència a la tracció, la resistència a la fluència, l'allargament i la reducció de l'àrea; Les proves de duresa i flexió s'utilitzen com a controls addicionals. La traçabilitat ha d'anar des de la peça acabada fins al lingot original i el número de calor, i per al material d'implant l'historial de fusió, els registres del tractament tèrmic i els resultats de la inspecció formen part del paquet de documentació.
Preguntes freqüents
Q:Per què el titani es fon al buit més que a l'aire o sota l'escòria?
R: El titani reacciona amb l'oxigen, el nitrogen i la majoria de materials refractaris a la temperatura de fusió. La refusió de l'arc de buit en un gresol de coure-refridat per aigua evita el contacte amb la ceràmica i manté la recollida intersticial dins dels límits especificats.
Q:Què determina si un producte de grau 23 es forja per sobre o per sota de la beta transus?
R: El saldo de la propietat requerit per l'aplicació. El treball beta afavoreix la duresa i la resistència a la fluïdesa, mentre que el treball alfa-beta afavoreix la resistència a la fatiga i la ductilitat, per això, els implants i la majoria dels productes aeroespacials de grau 23 s'acaben per sota del beta transus.
Q:Com es detecta i es mesura el cas alfa?
R: Mitjançant l'examen metal·logràfic d'una secció extreta del producte, on la capa-enriquida en oxigen apareix com una banda diferent sota l'aiguafort. Les travesses de duresa poden suportar la mesura, i el control de producció es basa en eliminar una profunditat definida mitjançant mecanitzat o decapat.
Q:Una fusió triple millora realment el material?
R: Millora l'homogeneïtat química i redueix el risc d'inclusió en comparació amb una fusió doble, que és més important per a les parts crítiques de fatiga-. No totes les aplicacions ho requereixen, i la seqüència de fusió s'ha d'especificar segons la criticitat del component acabat.
Q:Quina diferència pràctica hi ha entre el processament del grau 5 i el grau 23?
R: La ruta del procés és en gran part la mateixa, però el grau 23 exigeix un control més estricte de l'atmosfera del forn, la puresa de la matèria primera i el condicionament de la superfície, perquè el límit d'oxigen és del 0,13 per cent en lloc del 0,20 per cent. Aquests controls i les proves addicionals que requereixen representen la major part de la diferència de preu.
Q:Es pot tornar a fondre la ferralla del grau 23 al grau 23?
R: Només amb un sistema de gestió de ferralla controlada que manté la química i el contingut intersticial dins dels límits ELI i exclou el material d'origen desconegut. La matèria primera reciclada es barreja amb esponja i aliatge principal sota una proporció documentada i es verifica mitjançant l'anàlisi del lingot acabat.
