DE3827074A1

DE3827074A1 - Verfahren und vorrichtung zur vermeidung der verdampfverluste von legierungselementen beim elektronenstrahlschmelzen

Info

Publication number: DE3827074A1
Application number: DE19883827074
Authority: DE
Inventors: Hermann Dr Stumpp; Horst Dr Ranke; Alok Dr Choudhury; Harald Scholz; Gerhard Dr Brueckmann; Walter Dr Dietrich; Herbert Dr Stephan
Original assignee: Leybold AG
Current assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Priority date: 1988-08-10
Filing date: 1988-08-10
Publication date: 1990-02-22
Also published as: FR2635335A1; JPH0280527A; GB2221697A; FR2635335B1; GB2221697B; GB8826126D0

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vermeidung der Verdampfverluste von Legierungsele menten beim Elektronenstrahlschmelzen.

Von allen Schmelz- und Umschmelzverfahren, wie Vakuum induktionsschmelzen (VIM), Vakuumlichtbogenschmelzen (VAR) Elektroschlackeumschmelzen (ESU) und Elektronen strahlschmelzen (ES), wird beim ES-Schmelzen die höchste Reinheit bezüglich nichtmetallischer Einschlüsse erzielt. Für die Herstellung hochreiner Metalle, wie Zirkon, Titan, Niob u.a., wird dieses Verfahren heute zunehmend eingesetzt.

Beim ES-Schmelzen von Legierungen, z.B. von warmfesten Superlegierungen und Titanlegierungen mit relativ hohen Gehalten an Legierungselementen, wie Chrom, Aluminium und Mangan, tritt ein Verlust dieser Elemente durch Verdamp fen ein. Aufgrund des im Ofenraum herrschenden sehr niedrigen Druckes (zwischen 10^-3 mbar und 10^-5 mbar) und der starken örtlichen Überhitzung der Metallbadoberflä che, insbesondere an der Elektronenauf treffstelle, ist die Verdampfung nicht zu vermeiden. Besonders problematisch ist die Tatsache, daß die Ver dampfungsverluste unkontrolliert ablaufen und während des gesamten Schmelzprozesses nicht konstant sind. Deshalb ist es bisher nicht möglich, durch entsprechende Erhöhung der Legierungskonzentration im Einsatzmaterial die Verdampfungsverluste zu kompensieren.

Es hat sich nun gezeigt, daß beim Elektronenstrahl-Über laufschmelzen (Electron Beam Cold Hearth Remelting) einer NiCr-Legierung mit einem Chromgehalt von 30% bei einer mittleren Badtemperatur von 1700°C ca. 30% des Chromge haltes durch Verdampfung verlorengehen kann. Weiterhin wurde festgestellt, daß der Verdampfungsverlust unter sonst gleichen Bedingungen von der Verweildauer der Schmelze im wassergekühlten Trog abhängt. Je länger die Verweildauer ist, desto höher ist der Verlust. Deshalb wurde bereits vorgeschlagen, die Schmelzrate zu erhöhen. Um die Höhe des Verlustes unter akzeptablen Grenzen zu halten, muß die Schmelzrate so hoch sein, daß die Her stellung von seigerungsfreien Superlegierungsblöcken mit gerichteter Erstarrung nicht möglich ist. Aus diesen Gründen konnte das Elektronenstrahlumschmelzverfahren für die Herstellung von warmfesten Legierungen trotz einiger überragender Vorteile gegenüber anderen Umschmelzverfah ren produktionsmäßig nicht eingesetzt werden.

Wie bereits dargelegt, wird die Verdampfung der Legierungselemente beim Elektronenstrahl-Überlauf schmelzen in erster Linie von zwei Einflußfaktoren, nämlich der starken örtlichen Überhitzung der Schmelze einerseits und der Verweildauer der Schmelze im wasser gekühlten Trog andererseits, beeinflußt. Zur Sicherstel lung der gerichteten Erstarrung kann die Schmelzrate nicht beliebig erhöht und somit die Verweildauer verkürzt werden, so daß die örtlich starke Überhitzung der Schmelze, insbesondere an der Elektronenauftreffstelle, vermieden werden muß.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt nun darin, die Verdampfung der Legierungselemente durch geeignete metallurgische Maßnahmen weitestgehend einzuschränken.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Wärmezufuhr in das Metallbad durch Elektronenbeschuß indirekt über eine die Schmelze abdeckende Schutzschicht, beispielsweise eine Schlackeschicht erfolgt.

Die Schlacke stellt hierbei nicht nur eine Schutzschicht dar, sondern kann zusätzlich die Aufgabe einer Reinigung des Metalles von Oxiden und Sulfiden übernehmen. Zu diesem Zweck muß die Schlacke für den Einsatz im Elektronen strahlschmelzverfahren besondere physikalische und chemische Eigenschaften aufweisen:

- Die Schlacke muß bei gegebenen Drücken (10² mbar bis 10^-5 mbar) und bei Temperaturen bis 2500°C stabil bleiben.
- Die Liquidustemperatur der Schlacke muß kleiner als die Prozeßtemperatur sein.
- Die Zusammensetzung der Schlacke muß so gewählt sein, daß sie mit den einzelnen Legierungselementen der flüssigen Schmelze thermodynamisch im Gleichgewicht steht.

Zweckmäßigerweise ist bei einer Ti6A14V-Legierung das flüssige Metallbad im Trog mit einer Schlackeschicht von etwa 6 mm Dicke abgedeckt. wobei die Schlacke aus etwa 45% Al₂O₃, etwa 48% Cao, etwa 6% Mgo und Begleitbestand teilen gebildet ist.

Bei einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist in der Vakuumschmelzkammer ein wassergekühlter Kupfertrog mit Auslauflippe im Wirkungsbereich einer ersten Elek tronenstrahlkanone angeordnet, wobei eine mechanische Barriere in unmittelbarer Nachbarschaft der Auslauflippe die das Schmelzgut abdeckende Schlackeschicht zurückhält und die Auslauflippe die überlaufende Schmelze in eine Kokille lenkt, die im Wirkungsbereich einer zweiten Elektronenstrahlkanone liegt, die die in der Kokille befindliche Schmelze flüssig hält, wobei die Schmelze in der Kokille selbst von einer Schlackeschicht abgedeckt ist.

- Die Schlacke muß für Oxide und Sulfide aufnahmefähig sein.

Vorzugsweise ist die Schlacke aus einem Oxidsystem beispielsweise aus CaO, AL₂O₃, MgO, TiO₂, ZrO₂ u.a. gebildet, wobei diese Oxide einen niedrigen Dampfdruck (Siedepunkt größer 2000°C) aufweisen und im flüssigen Bereich untereinander unbegrenzt löslich sind. Die Dampfdrücke der einzelnen Oxide sind dabei entsprechend dem Roult′schen Gesetz

p _x = N _x xp*_x

wobei
p _x = Dampfdruck des gelösten Stoffes X
N _x = Molenbruck des gelösten Stoffes X
p*_x = Dampfdruck des reinen Stoffes X

weiter herabsetzbar.

Mit Vorteil ist bei einem 18/8 CrNi-Stahl das flüssige Metallbad im Trog mit einer Schlackeschicht von etwa 6mm Dicke abgedeckt, wobei die Schlacke aus etwa 45% Al₂O₃, etwa 48% CaO, etwa 6% MgO und Begleitbestandteilen gebildet ist.

Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausführungsmög lichkeiten zu; eine davon ist in der anhängenden Zeich nung näher dargestellt, die den Längsschnitt durch die Vorrichtung zeigt.

Der abgebildete Elektronenstrahl-Überlaufschmelzofen besteht im wesentlichen aus einer allseits geschlossenen Hauptkammer 2 mit einer an der einen Seitenwand angeord neten Nebenkammer 3 in der der umzuschmelzende Barren 4 verschiebbar gehalten ist. Zwei am oberen Wandteil der Hauptkammer 2 gehaltene Elektronenstrahlkanonen 5, 6 sind so eingestellt, daß ihre Elektronen-Strahlen 7, 8, 9 auf die Stirnfläche des umzuschmelzenden Barren 4, auf die Schmelze in einem unterhalb des Barrens 4 gasfest gehaltenen, wassergekühlten Trog 10, auf die Auslauflippe 11 und die Schmelze 18 im wassergekühlten Tiegel 12 gerichtet sind. Der Tiegel 12 ist mit einem Anschluß flansch 13 für eine Blockabzugsvorrichtung ausgestattet. Der Trog 10 ist mit einer wassergekühlten mechanischen Barriere 14 versehen, die die auf dem metallischen Sumpf 15 schwimmende Schlackeschicht 16 zurückfällt, d.h. dafür sorgt, daß diese sich nicht auf die Auslauflippe 11 zu bewegt. Schließlich ist in dem dem Barren 4 gegenüber liegenden Wandteil der Kammer 2 noch ein stroboskopisches Beobachtungsfenster 17 eingebaut, über das der Schmelz prozeß kontrolliert werden kann.

Im Elektronenstrahl-Überlaufschmelzofen wird zunächst im wassergekühlten Kupfertrog 10 ein metallischer Sumpf 15 aus der umzuschmelzenden Legierung gebildet. Auf das flüssige Metall wird eine Schlackeschicht 16 aus oxidischen Komponenten aufgebracht und mit dem Elek tronenstrahl 8 mittels der Elektronenstrahlkanone 5 aufgeheizt. Um ein Mitlaufen der Schlacke 16 in die wassergekühlte Kokille 12 zu verhindern, wird sie mit der wassergekühlten mechanischen Barriere 14 im Trog 10 zurückgehalten. Die Wärmezufuhr in das flüssige Metall 18 im Trog 10 erfolgt somit mittelbar über die Schlacken schicht 16. Nun wird der umzuschmelzende Barren 4 mit dem Elektronenstrahl 7 in bekannter Weise aufgeschmolzen, so daß die Metalltropfen durch die Schlackeschicht 16 in den Trog 10 fallen. Die Schmelze fließt tropfenweise über die Auslauflippe 11 des Trogs 10 in die wassergekühlte Kokille 12. Üblicherweise wird die Metallbadoberfläche auch in der Kokille 12 mit einem Elektronenstrahl 9 mittels einer zweiten ES-Kanone 16 warmgehalten.

Auch hier können Verdampfungsverluste an Legierungsele menten auftreten. Es empfiehlt sich daher, das flüssige Metallbad 18 in der Kokille 12 mit der gleichen Schlacke 16 abzudecken, so daß die Wärmezufuhr in den Sumpf im Blockkopf nur mittelbar über die Schlackeschicht 20 erfolgt. Diese Fahrweise hat noch den zusätzlichen Vorteil, daß der erstarrende Block 19, wie beim ESU- Verfahren, mit einer dünnen Schlackehaut umgeben ist, was zu einer sehr sauberen Blockoberfläche führt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Schmelzrate und somit die Verweildauer der Schmelze 15 im Trog 10 entsprechend der umzuschmelzenden Legierung angepaßt werden, ohne Gefahr zu laufen, daß unkontrollierte übermäßige Verluste an Legierungselementen, wie Chrom und Aluminium, durch Verdampfung auftreten. Beim Elektronen strahl-Schmelzen von Metallen und Legierungen erfolgt die Reinigung der Schmelzen von oxidischen Einschlüssen in erster Linie durch Flotation. Die Oxide schwimmen auf der Badoberfläche und werden beim Überlaufschmelzen mit der wassergekühlten mechanischen Barriere 14 vom Mitlaufen in die Kokille 12 weitestgehend zurückgehalten. Bei warm festen Superlegierungen und bei Titanlegierungen bestehen die oxidischen Einschlüsse hauptsächlich aus sehr feinen, hochschmelzenden Al₂O₃- und TiO₂-Teilchen. Aufgrund der mittleren Badtemperatur von ca. 1700°C sind diese Teil chen fest und schwimmen pulverförmig auf der Badoberflä che. Somit besteht die Gefahr, daß die Oxide teilweise durch den Metallfluß trotz der Barriere 14 in die Kokille 12 mitgeschleppt werden können. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden diese Oxide von der flüssigen Schlacke 16 absorbiert, so daß das Mitlaufen der festen Oxide unterbunden wird.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nachstehend anhand von zwei Beispielen dargelegt:

1. Umschmelzen eines 18/8 CrNi-Stahles;

Im in der Zeichnung schematisch dargestellten ES- Überlaufschmelzofen wurde ein Block mit einem Durchmesser von 100 mm und einer Länge von 800 mm hergestellt. Während des gesamten Schmelzvorgangs wurde das flüssige Metallbad im Trog 10 mit einer Schlackeschicht 16 von ca. 6 mm Dicke abgedeckt. Die Schlacke bestand aus ca. 45% Al₂O₃, ca. 48% CaO, ca 6% MgO und dem Rest aus unver meidbaren Begleitbestandteilen. Die Schmelzrate betrug 80 kg/h.

Als Vergleich wurde ein zweiter Block mit den gleichen Abmessungen und unter gleichen Schmelzbedingungen jedoch ohne Schlackenabdeckung des Metallbades im Trog herge stellt. Die beiden Blöcke wurden anschließend analytisch untersucht. Während die Gehalte an Legierungselementen, wie Kohlenstoff, Nickel, Silizium und Molybdän in beiden Blöcken mit denen des Ausgangsmaterials übereinstimmten, konnten bezüglich Mangan, Chrom und Sauerstoff deutliche Unterschiede festgestellt werden.

Wie die Daten zeigen, konnten die Verdampfungsverluste von Elementen mit höheren Dampfdrücken, vor allem von Chrom, wesentlich vermindert werden. Dabei ist zu be rücksichtigen, daß die Oberfläche des flüssigen Metalls in der Kokille nicht mit Schlacke abgedeckt wurde, so daß Mangan und Chrom ungehindert verdampfen konnten. Auch die Reinigung der Schmelze von oxidischen Einschlüssen ist mit der Schlackenschicht merklich besser, wie der Sauer stoffgehalt verdeutlicht.

2.Umschmelzen der Legierung Ti6A14V;

Wie beim ersten Beispiel schon beschrieben, wurde diese Ti-Legierung unter gleichen Bedingungen geschmolzen. Dabei ergaben sich folgende Werte:


Al in %
Ausgangsmaterial
6,1
ES-Schmelze @	- ohne Schlackenschicht	4,8
- unter Schlackenschicht	5,9

Auch hier ist eine weitgehende Verminderung des Alumini umverlustes beim Schmelzen unter einer Schlackenschicht festzustellen.

Auflistung der Einzelteile

2 Hauptkammer
3 Nebenkammer
4 umzuschmelzender Barren
5 Elektronenstrahlkanone
6 Elektronenstrahlkanone
7 Elektrodenstrahler
8 Elektrodenstrahler
9 Elektrodenstrahler
10 wassergekühlter Trog
11 Auslauflippe
12 wassergekühlte Kokille
13 Anschlußflansch für eine Blockabzugsvorrichtung
14 wassergekühlte mechanische Barriere
15 metallischer Sumpf
16 Schlackeschicht
17 stroboskopisches Beobachtungsfenster
18 flüssiges Metallbad
19 Blockkopf
20 Schlackeschicht

Claims

1. Verfahren zur Vermeidung der Verdampfverluste von Legierungselementen beim Elektronenstrahlschmelzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmezufuhr in das Metallbad (15) durch Elektronenbeschuß (8) indirekt über eine die Schmelze abdeckende Schutzschicht, beispielsweise eine Schlackeschicht (16), erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlacke (16) aus einem oder mehreren Oxiden, beispielsweise aus CaO, Al₂O₃, MgO, TiO₂, ZrO₂ gebildet ist, wobei die Oxide untereinander im flüssigen Bereich unbegrenzt löslich und ihre Dampfdrücke entsprechend dem Roult′schen Gesetz herabsetzbar sind.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß beispielsweise bei einem 18/8 CrNi-Stahl das flüssige Metallbad (15) im Trog (10) mit einer Schlackeschicht (16) von etwa 6 mm Dicke abgedeckt ist, wobei die Schlacke (16) aus etwa 45% Al₂O₃, etwa 48% CaO, etwa 6% MgO und unvermeid baren Begleitbestandteilen gebildet ist.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Ti6A14V-Legierung das flüssige Metallbad (15) im Trog (10) mit einer Schlackeschicht (16) von etwa 6 mm Dicke abgedeckt ist, wobei die Schlacke aus etwa 45% Al₂O₃, etwa 48% CaO, etwa 6% MgO und unvermeidbaren Begleitbe standteilen gebildet ist.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß in der Vakuumschmelzkammer (2) ein wasserge kühlter Kupfer-Trog (10) mit Auslauflippe (11) im Wirkungsbereich einer ersten Elektronenstrahlkanone (5) angeordnet ist, wobei eine wassergekühlte mechanische Barriere (14) in unmittelbarer Nachbar schaft der Auslauflippe (11) die das Schmelzgut (15) abdeckende Schlackeschicht (16) zurückhält und die Auslauflippe (11) die überlaufende Schmelze (15) in eine Kokille (12) lenkt, die im Wirkungsbereich einer zweiten Elektronenstrahlkanone (16) liegt, die die in der Kokille (12) befindliche Schmelze (18) flüssig hält, wobei die Schmelze (18) in der Kokille (12) selbst von einer Schlackeschicht (20) abgedeckt ist.