Fjerning av mellomliggende elementer (O, N, C, H) i ildfaste metaller ved smelting av flere elektronstråler (EB)

Ildfaste metaller (som niob,tantal, molybden og wolfram) er mye brukt i romfart, superledende teknologi og kjernefysisk industri. Imidlertid har disse metallene ekstremt høye affiniteter for interstitielle elementer (oksygen, nitrogen, karbon og hydrogen). Selv en svært liten mengde interstitielle elementer vil betydelig forringe duktiliteten, bearbeidbarheten og superledende kritiske parametere til metaller. Elektronstrålesmelting (EB) har blitt kjernemidlet for å rense disse metallene på grunn av sin ekstremt høye vakuumgrad og ekstremt høye energitetthet.

I denne artikkelen diskuteres mekanismen og den praktiske effekten av multippel EB-smelting på fjerning av fire hovedelementer.

Fysisk-kjemisk mekanisme: bunnlogikken til renselse

Renseprosessen ved EB-smelting avhenger hovedsakelig av de fysiske og kjemiske reaksjonene som oppstår i det smeltede bassenget under et høyt-vakuummiljø.

Deoksidering

Oksygen fordampes hovedsakelig i form av metalloksider (f.eks. NbO, NbO₂), eller det reagerer med karbon i matrisen for å danne en CO-gass.

Denitrogenering

Fjerningen av nitrogen avhenger hovedsakelig av den sammensatte desorpsjonen av atomisk nitrogen på overflaten av det smeltede bassenget, som slipper ut i form av N₂molekyler.

Avkarbonisering

Karbon danner CO-bobler ved å kombineres med oppløst oksygen. Hvis oksygeninnholdet er utilstrekkelig, er det nødvendig å tilsette oksidanter eller utnytte restoksygen.

Dehydrogenering

Løseligheten til hydrogen avtar raskt med temperaturøkningen, og dens diffusjonskoeffisient er ekstremt høy, som i utgangspunktet kan fjernes ved termisk desorpsjon i den primære smeltingen.

Dynamisk effekt av multippel smelting på interstitielle elementer

Multippel smelting er ikke en enkel repetisjon, men en prosess der konsentrasjonsgradienten tenderer mot likevektsgrensen kontinuerlig.

Oksygen: "Marginal effekt" etter kontinuerlig nedgang

Oksygenfjerning er høydepunktet ved EB-smelting. I den primære smeltingen brytes de store-oksydinneslutningene raskt ned. Etter hvert som antallet smelting øker:

De to første smeltingene: Oksygeninnholdet viser vanligvis en eksponentiell nedgang. For eksempel, etter sekundær smelting, kan oksygeninnholdet i niobmaterialer av industriell kvalitet reduseres fra 500 ppm til mindre enn 50 ppm.

Etter multippel smelting: Renseeffektiviteten vil møte et "tak". Når oksygenkonsentrasjonen er svært lav, begrenses fordampningshastigheten av diffusjonshastigheten til atomer til overflaten av smeltet basseng. På dette tidspunktet, hvis antall smeltetider økes (f.eks. fra 3 til 6 ganger), vil nedgangen i oksygeninnhold bli betydelig redusert.

Nitrogen: det vanskeligste "harde beinet" å gnage

Fjerningskinetikken til nitrogen er mye langsommere enn for oksygen. Resultatene viser at likevektspartialtrykket til nitrogen i flytende metaller er ekstremt lavt og dets desorpsjon hindres av kinetikk.

Nødvendigheten av multippel smelting: Enkeltsmelting klarer ofte ikke å møte nitrogeninnholdsnivåene som kreves for superledende niobmaterialer (krav til RRR-verdier).

Effekt: Etter hvert som antallet smelting øker, øker oppholdstiden ved høy temperatur for smeltebassenget, noe som gir flere muligheter for rekombinasjon av nitrogenatomer. Multippel smelting kan jevnt redusere nitrogeninnholdet, men det er vanskelig å fjerne det helt til mindre enn 1 ppm

Karbon : Kjemisk likevekt avhengig av oksygeninnhold

Fjerningseffektiviteten til karbon er svært avhengig av "karbon-til-oksygenforholdet".

Hvis det er et overskudd av oksygen i metallet, kan karbon reduseres kontinuerlig med økende antall reaksjoner gjennom C + O→ CO↑.

Hvis oksygeninnholdet reduseres til et svært lavt nivå ved multippel smelting, vil avkullingsreaksjonen stoppe. Derfor, i prosessen med multippel smelting, er det noen ganger nødvendig å kunstig kontrollere atmosfæren for å forhindre at nedbremsingen av karbon stagnerer.

Hydrogen: Effektiv og rask

Hydrogen er den beste behandlingen. På grunn av det ekstremt høye damptrykket kan mer enn 90 % av dehydrogeneringsarbeidet fullføres i den første smeltingen.

Etterfølgende multippel smelting fungerer hovedsakelig som en konsolideringsfunksjon, og forhindrer re-absorpsjon av sporhydrogen i miljøet under kondensasjonsprosessen.

Analyse av fordeler og ulemper ved multippel smelting

Renhet	Betydelig forbedret	spesielt for materialer med ekstremt høye krav til RRR-verdi
Ensartet komposisjon	Forbedre	multippel flip-smelting gjør urenhetsfordelingen mer isotropisk.
Kornstørrelse	Øke	Gjentatt omsmelting kan føre til grove korn i ingoten, noe som krever etterfølgende bearbeiding og foredling
Kostnad/avkastning	Ugunstig	For hver ekstra smelting øker fordampningstapet av metall, og kostnadene for strømforbruket øker.

Konklusjon

Flere EB-smeltinger har en ikke-lineær forsterkningseffekt på fjerning av interstitielle elementer. For oksygen og hydrogen bidro de to første smeltingene med det meste av rensemengden; for nitrogen og karbon gir flere smeltinger den nødvendige kinetiske tiden.

I faktisk produksjon er ikke antall smeltetider «jo flere jo bedre». Vanligvis anses 3 til 4 smeltinger å være balansepunktet mellom renhet og økonomi. For ekstremt krevende vitenskapelig forskning-kvalitetsmaterialer, kan det være nødvendig med så mange som 6 eller flere raffineringstider, kombinert med en langsom smeltehastighet, for å sikre at interstitielle elementer diffunderer til overflaten og fordamper grundig.