СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОМПЛЕКТА ПРУТКОВ
PROCEDURE FOR FABRICATION AND UTILISATION OF SET OF RODS

Эта заявка является частичным продолжением одновременно рассматриваемой заявки № 10/329140, поданной 23 декабря 2002 г., по которой заявлен приоритет и описание которой включено сюда посредством ссылки.
Изобретение относится к производству комплектов удлиненных прутков, а также к использованию комплектов прутков в таких вариантах применения, как операция плавки и литья или прямое прессование.
Предпосылки изобретения
Согласно одной обычной практике, называемой вакуумно-дуговая переплавка, получают титановые сплавы посредством заготовки исходных металлических материалов в форме первичного металла, восстановленного металла, лома и т.п. Эти исходные металлические материалы режут на меньшие фрагменты, как необходимо, и сваривают их друг с другом для формирования удлиненного, имеющего неправильную конфигурацию плавящегося электрода. Плавящийся электрод загружают в вакуумно-дуговую плавильную печь и создают вакуум. Между вертикально ориентированным плавящимся электродом и внутренней поверхностью тигля под вакуумом зажигают электрическую дугу. Дуга плавит конец электрода, и расплавленный металл подается в тигель, формируя ванну жидкого металла. В случае с техникой плавки в холодном тигле дугу поддерживают непрерывно и электрод постепенно подают в тигель по мере постепенного плавления металла на конце электрода, на котором горит дуга, и металл постепенно застывает в ходе плавки. Если расплавленный металл следует отливать, когда объем металла в тигле достаточен, его отливают в форму и он застывает. Отливка может служить конечным продуктом или материалом для переплавки, поскольку может быть много переплавок металла для достижения достаточной однородности. Существуют другие технологии плавки, но в большинстве случаев используют плавящийся электрод на начальных стадиях плавки, и в каждом случае плавящийся электрод получают посредством сваривания друг с другом частей исходного металлического материала.
Такая технология, хотя она широко практикуется, имеет некоторые существенные недостатки и ограничения. Резка и сваривание исходного металлического материала трудоемки и дороги. Существует широкое различие в форме и химическом составе исходных металлических материалов. Химический состав плавящегося электрода сильно изменяется по его длине таким образом, что состав металла, плавящегося в любой момент, сильно локально изменяется по мере подачи плавящегося электрода в ванну жидкого металла. Также может происходить внесение примесей в ходе обращения и при сваривании плавящегося электрода. В относительно больших щелях могут накапливаться посторонние частицы и попадать в расплав. Механическая и химическая неоднородности в исходном металлическом материале могут не устраняться в ходе операции плавки, в результате чего конечный продукт имеет, по меньшей мере, остатки неоднородностей.
Сваривание исходных металлических материалов с получением неправильной, но в целом формы прутка плавящегося электрода необходимо осуществлять с большой осторожностью. Сварной шов может иметь внесенные неоднородности, такие как частицы оксида, если сварку осуществляют в воздушной среде. Если поперечный сварной шов недостаточно прочный, весь конец плавящегося электрода ниже сварного шва может отпасть в ванну жидкого металла, вызывая прерывание операции плавки и, возможно, повреждение плавильного оборудования. И даже если поперечные сварные швы прочные, они имеют добавленное электрическое сопротивление, в результате чего электрический ток, проходящий по плавящемуся электроду, может вызвать нагрев и ослабление одного из сварных швов, вновь приводя к падению всего плавящегося электрода ниже ослабленного сварного шва в ванну жидкого металла.
В других случаях просто не существует способа изготовления прутка из некоторых материалов в форме, пригодной для использования в качестве плавящегося электрода.
Существует необходимость в усовершенствованном подходе к изготовлению плавящихся электродов. Многие из таких же проблем также наблюдаются в других типах удлиненных стержневидных структур. Такой подход обеспечивает решение проблем, связанных с данной технологией, и также относящиеся к нему преимущества.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение обеспечивает создание способа изготовления комплекта удлиненных прутков металла. Комплект прутков может использоваться в качестве плавящегося электрода при операциях плавки, или он может использоваться в других вариантах применения, в которых требуется стержневидная форма. Неоднородности состава по длине прутков уменьшаются и в значительной степени устраняются по сравнению с предшествующими подходами, и физическая форма прутка более равномерна по сравнению с известными. Участок, который плавится в ходе процесса плавки плавящегося электрода, не имеет поперечных сварных швов, которые могут ослабеть в ходе последующей плавки, что значительно уменьшает вероятность того, что прутки могут разрушиться таким образом, что большой кусок металла упадет в ванну жидкого металла.
Способ изготовления комплекта удлиненных прутков, имеющего длину комплекта и выполненного из металлического материала, включает изготовление, по меньшей мере, двух прутков. Каждый пруток изготовляют посредством заготовки, по меньшей мере, одного неметаллического предшествующего соединения, затем химического восстановления предшествующих соединений для получения металлического материала и затем соединения металлического материала для формирования прутка. Прутки соединяют в пучок боковыми сторонами, причем пучок имеет длину комплекта для формирования собранного в пучок комплекта прутков.
Данный способ может применяться с любым чистым металлом или металлическим сплавом, но наиболее предпочтительными металлами являются материалы на основе никеля, материалы на основе железа, материалы на основе кобальта и материалы на основе титана.
Этапы заготовки, химического восстановления и соединения могут осуществляться без плавления металлического материала таким образом, что плавление прутков и металлического материала до завершения этапа сбора в пучки не происходит. Весь металлический материал или его часть вместо этого может быть расплавлен в некоторый момент до завершения этапа сбора в пучки. Пучок может включать, по меньшей мере, часть материала, который ранее не подвергался плавлению, но может также включать часть вторичного металлического материала, который ранее подвергался плавлению. Вторичный металлический материал, который ранее подвергался плавлению, такой как восстановленный материал, лом или первичный металл, такой как основной сплав, может быть соединен с другим материалом для формирования прутков, которые затем собирают в пучок, или вторичный материал может быть заготовлен в форме отдельных прутков, которые затем собирают в пучок с другими прутками для формирования пучка.
Комплект прутков может иметь собранную в пучок, но не соединенную форму. Более предпочтительно, одновременно с этапом соединения в пучок или после него прутки соединяют для удерживания прутков в форме собранного в пучок комплекта прутков. Прутки могут быть соединены любым пригодным способом. Согласно одному способу, прутки соединяют друг с другом их боковыми поверхностями, например, при помощи сварки. Согласно другому способу, прутки механически прикрепляют друг к другу у одного или обоих их концов и/или в промежуточных точках их длины.
В варианте применения, представляющем особый интерес, комплект удлиненных прутков, изготовленный как описано выше, подвергают плавке. Для использования в качестве плавящегося электрода в ходе операции плавки или операции плавки и литья комплект прутков постепенно плавится от одного конца комплекта прутков. Плавка может осуществляться посредством зажигания дуги от конца комплекта прутков.
Таким образом, в одном варианте осуществления изобретения способ изготовления комплекта удлиненных прутков, имеющих длину комплекта, содержит подготовку множества прутков. Каждый пруток изготовляют посредством заготовки, по меньшей мере, одного неметаллического предшествующего соединения, затем химического восстановления предшествующих соединений для получения металлического материала и затем соединения металлического материала для формирования прутка, причем пруток имеет длину, равную длине комплекта. Прутки собирают в пучок для формирования собранного в пучок комплекта прутков, и комплект прутков используют как расходуемый исходный материал в ходе операции плавки и литья. Другие описанные здесь признаки могут использоваться с этим вариантом осуществления изобретения.
Комплект прутков вместо этого или дополнительно может подвергаться дополнительной обработке, такой как горячее изостатическое прессование, экструзия, прокатка и т.п. В этом случае предпочтительно, чтобы прутки, собранные для дальнейшей обработки, и собранный в пучок комплект прутков были выполнены из ранее не плавленного материала.
Другие признаки и преимущества настоящего изобретения будут понятны при ознакомлении с нижеследующим более подробным описанием предпочтительного варианта осуществления изобретения, приведенным в сочетании с прилагаемыми чертежами, которые иллюстрируют на примере принципы изобретения. Однако объем изобретения не ограничен этим предпочтительным вариантом.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - блок-схема последовательности операций варианта способа изготовления и использования комплекта прутков;
фиг.2 - схематический вид спереди первого варианта выполнения комплекта прутков;
фиг.3 - схематический вид спереди второго варианта выполнения комплекта прутков;
фиг.4 - схематический вид сечения устройства для вакуумной плавки, в котором используется комплект прутков.
Подробное описание изобретения
На фиг.1 показан предпочтительный способ изготовления комплекта удлиненных прутков, и на фиг.2-3 показаны два варианта выполнения комплекта 40 удлиненных прутков. Сначала в ходе этапа 20 индивидуально изготовляют, по меньшей мере, два, предпочтительно, множество прутков 42. Способ содержит сначала получение в ходе этапа 22 одного или более химически восстанавливаемых неметаллических предшествующих соединений. "Неметаллические предшествующие соединения" представляют собой неметаллические соединения металлического материала, который в конечном итоге составляет прутки 42. Можно использовать любые неметаллические предшествующие соединения. Восстанавливаемые окислы металлов являются предпочтительными неметаллическими предшествующими соединениями при твердофазном восстановлении, но также пригодны другие типы неметаллических соединений, таких как сульфиды, карбиды и нитриды. Восстанавливаемые галиды металлов являются предпочтительными предшествующими соединениями при парофазном восстановлении.
2
Металл, который формируется после последующего восстановления, содержит основной металл и, возможно, один или более легирующих элементов. Основным металлом является металл, который присутствует с большим процентным содержанием по массе, чем любой другой элемент в конечном металлическом материале. Предшествующее соединение основного металла присутствует в таком количестве, что после химического восстановления, описанного ниже, основной металл присутствует в металле в большем количестве, чем любой другой элемент. В предпочтительном варианте основным металлом является титан, и предшествующим соединением основного металла является оксид титана TiO (для твердофазного восстановления) или тетрахлорид титана (для парофазного восстановления). Возможным легирующим элементом может быть любой элемент, который возможен в химически восстанавливаемой форме предшествующего соединения или может быть заготовлен по-другому. Несколькими иллюстративными примерами для титана являются алюминий, ванадий, молибден, хром, цирконий, железо, ниобий и вольфрам.
Когда конечный металлический материал прутков 42 представляет собой сплав и никакие другие металлы не добавлены в прутки как вторичные металлы или добавлены в качестве других прутков, неметаллические предшествующие соединения подбирают так, чтобы получать необходимые металлы в конечном металлическом изделии, и их соединяют друг с другом в надлежащих пропорциях для получения необходимых пропорций этих металлов в металлическом изделии. (Некоторые легирующие элементы, называемые "другими добавочными составляющими" могут быть добавлены из источников, отличных от предшествующих соединений, как будет описано ниже. Если следует добавить другие добавочные составляющие, их количества учитывают при определении надлежащих пропорций предшествующих соединений и других добавочных составляющих). Эти предшествующие соединения заготовляют и смешивают друг с другом в точных пропорциях таким образом, чтобы отношение основного металла и легирующих добавок в смеси предшествующих соединений соответствовало требуемому в металлическом материале, который формирует прутки 42. Если в комплект 40 прутков включены вторичные металлы или прутки с другими составами, составы всех материалов в комплекте 40 прутков подбирают так, чтобы в сочетании иметь необходимый конечный состав.
Предшествующее соединение основного металла и предшествующее соединение (соединения) легирующего элемента (если оно присутствует) представляют собой тонко измельченные твердые частицы или имеют газообразную форму для обеспечения того, что они будут вступать в химическую реакцию в ходе последующего этапа. Тонко измельченное предшествующее соединение основного металла и возможные предшествующие соединения легирующих элементов могут быть, например, порошками, гранулами, хлопьями и т.п. Для твердофазного восстановления предпочтительный максимальный размер тонко измельченной формы составляет около 100 мкм, хотя предпочтительно, чтобы максимальный размер составлял менее 10 мкм для обеспечения хорошей реакционной способности.
В случаях, когда собранные в пучок прутки впоследствии не плавят, настоящий способ может использоваться в сочетании с несовместимыми при термофизической плавке сплавами, в частности, когда завершенные прутки должны использоваться без последующей плавки. "Несовместимость при термофизической плавке" и касающиеся этого термины относятся к базовой концепции, заключающейся в том, что любое выявленное термофизическое свойство легирующего элемента достаточно отлично от свойства основного металла, в предпочтительном варианте, титана, чтобы вызвать вредное воздействие на расплавленный конечный продукт. Эти вредные воздействия включают такие явления, как химическая неоднородность (вредная микросегрегация, макросегрегация, такие как бета-включения в сплавах на основе титана, и полная сегрегация от испарения или несмешиваемости), включения легирующих элементов (таких как включения высокой плотности от таких элементов, как вольфрам, тантал, молибден и ниобий) и т.п. Термофизические характеристики присущи элементам и комбинациям элементов, которые формируют сплавы, и в типичном случае прогнозируются с использованием диаграмм фазы равновесия, кривых давления пара относительно температуры, кривых плотностей как функции кристаллической структуры и температуры и подобных подходов. Хотя системы сплавов могут только приближаться к теоретическому равновесию, эти прогнозируемые данные дают информацию, достаточную для распознавания и прогнозирования возникновения вредных эффектов, таких как несовместимости при термофизической плавке. Однако способность распознавать и прогнозировать эти вредные эффекты в результате несовместимости при термофизической плавке не устраняет их. Настоящий подход обеспечивает способ минимизации и, желательно, устранения вредных эффектов посредством исключения плавки при подготовке и обработке сплава.
Таким образом, несовместимый при термофизической плавке легирующий элемент или элементы в производимом сплаве не формируют хорошо смешанного однородного сплава с основным металлом при производственной операции плавки в стабильном управляемом режиме. В некоторых случаях несовместимый при термофизической плавке легирующий элемент не может быть легко включен в сплав на любом композиционном уровне, и в других случаях легирующий элемент может быть включен на низких уровнях, но не на более высоких уровнях. Например, в титане железо не демонстрирует несовместимости при термофизической плавке, когда его включают в титан на низких уровнях, в типичном случае до около 0,3 вес.%, и можно изготовить однородные сплавы, содержащие титан и железо, с низким содержанием железа. Однако если железо включают в титан на более высоких уровнях, оно ведет к сильной сегрегации в расплаве и, таким образом, демонстрирует несовместимость при термофизической плавке, в результате чего однородные сплавы могут быть изготовлены только с большим трудом. В других примерах, когда в титановый расплав в вакууме добавляют магний, магний немедленно начинает испаряться вследствие его низкого давления насыщенного пара и, таким образом, плавка не может осуществляться устойчиво. Вольфрам приводит к сегрегации в титановом расплаве вследствие разности их плотности, что делает крайне трудным формирование однородного сплава титана и вольфрама.
Несовместимость при термофизической плавке легирующего элемента с основным металлом может быть любой из нескольких типов. Поскольку титан является предпочтительным основным металлом, в нижеследующее описание включены некоторые иллюстративные примеры с титаном.
Одна такая несовместимость при термофизической плавке связана с давлением насыщенного пара, когда легирующий элемент имеет интенсивность испарения, превышающую приблизительно в 100 раз интенсивность испарения титана при температуре плавления, которая, предпочтительно, является температурой, немного превышающей температуру перехода сплава в жидкое состояние. Примеры таких легирующих элементов в титане включают кадмий, цинк, висмут, магний и серебро. Когда давление насыщенного пара легирующего элемента слишком высокое, предпочтительно, он будет испаряться, как показывают значения интенсивности испарения, когда его плавят совместно с титаном в вакууме согласно обычной практике плавки. Сплав будет сформирован, но он нестабилен в ходе плавки и непрерывно теряет легирующий элемент, в результате чего процентное отношение легирующего элемента в конечном сплаве трудно контролировать. Согласно настоящему способу, поскольку не осуществляется вакуумная плавка, высокое давление насыщенного пара расплава легирующего элемента не представляет проблему.
Другая такая несовместимость при термофизической плавке возникает, когда температура плавления легирующего элемента слишком высокая или слишком низкая для совместимости с температурой плавления основного металла, когда легирующий элемент имеет температуру плавления, отличающуюся от (или больше, или меньше) температуры плавления основного металла более чем на около 400°С (720°F). Примеры таких легирующих элементов в титане включают вольфрам, тантал, молибден, магний и олово. Если температура плавления легирующего элемента слишком высокая, трудно плавить и гомогенизировать легирующий элемент с титановым расплавом с применением обычной практики вакуумной плавки. Сегрегация таких легирующих элементов может приводить к формированию высокоплотных включений, содержащих этот элемент, например включения вольфрама, тантала или молибдена. Если температура плавления легирующего элемента слишком низкая, он, возможно, будет иметь избыточно высокое давление насыщенного пара при температуре, требуемой для плавления титана. Согласно настоящему способу, поскольку не осуществляется вакуумная плавка, чрезмерно высокие или низкие температуры плавления не представляют проблем.
3
Другая такая несовместимость при термофизической плавке возникает, когда плотность легирующего элемента настолько отличается от плотности основного металла, что легирующий элемент физически отделяется в расплаве, когда легирующий элемент имеет разность плотности с основным металлом, которая больше около 0,5 г/см. Примеры таких легирующих элементов в титане включают вольфрам, тантал, молибден, ниобий и алюминий. Согласно обычной практике плавки чрезмерно высокая или низкая плотность приводит к вызываемой силой тяжести сегрегации легирующего элемента. Согласно настоящему способу, поскольку не осуществляют плавку, не может быть сегрегации, вызываемой силой тяжести.
Другая такая несовместимость при термофизической плавке возникает, когда легирующий элемент вступает в реакцию с основным металлом в жидкой фазе. Примеры таких легирующих элементов в титане включают кислород, азот, кремний, бор и бериллий. Согласно обычной практике плавки, реакционная способность легирующего элемента с основным металлом приводит к формированию интерметаллических соединений, включающих основной металл и легирующий элемент, и/или других вредных фаз в расплаве, которые остаются после застывания расплава. Эти фазы часто оказывают вредное влияние на качества конечного сплава. Согласно настоящему способу, поскольку металлы не нагревают до точки, когда возникают эти реакции, соединения не формируются.
Другая такая несовместимость при термофизической плавке возникает, когда легирующий элемент демонстрирует границу растворимости с основным металлом в жидкой фазе. Примеры таких легирующих элементов в титане включают редкоземельные элементы, такие как церий, гадолиний, лантан и неодим. Согласно обычной практике плавки, граница растворимости приводит к сегрегации расплава на составы, ограниченные границей растворимости. Результатом являются неоднородности расплава, которые остаются в конечном затвердевшем изделии. Неоднородности приводят к изменениям характеристик на протяжении конечного изделия. Согласно настоящему способу, поскольку элементы не плавят, граница растворимости не представляет проблему.
Кроме того, более сложная несовместимость при термофизической плавке включает сильные бета-стабилизирующие элементы, которые демонстрируют большие границы между жидкой и твердой фазами при сплавлении с титаном. Некоторые из этих элементов, такие как железо, кобальт и хром, в типичном случае демонстрируют эвтектические (или околоэвтектические) фазовые реакции с титаном и также обычно демонстрируют в эвтектоидном твердом состоянии разложение бета-фазы на альфа-фазу плюс соединение. Другие такие элементы, такие как висмут и медь, в типичном случае демонстрируют перитектические фазовые реакции с титаном с выходом бета-фазы из жидкости и, подобным образом, обычно демонстрируют в твердом состоянии эвтектическое разложение бета-фазы на альфа-фазу плюс соединение. Такие элементы создают большие трудности при достижении однородности сплава при затвердевании из расплавленного состояния. Это происходит не только из-за разбивания нормального затвердевания, вызывающего микросегрегацию, но также из-за нарушений процесса плавки, которые, как известно, вызывают отделение богатой бета-стабилизирующим элементом жидкости при затвердевании, вызывающее образование районов макросегрегации, обычно называемых бета-включениями.
Другая несовместимость при термофизической плавке не относится строго к природе основного металла, а вместо этого к тиглям или окружающей среде, в которой плавится основной металл. Основные металлы могут требовать использования определенного материала тигля или атмосферы для плавки, и некоторые потенциальные легирующие элементы могут вступать в реакцию с этими материалами тиглей или атмосферами плавки и, таким образом, не являются возможными легирующими элементами для этого конкретного основного металла.
Другая несовместимость при термофизической плавке касается таких элементов, как щелочные металлы и щелочноземельные металлы, которые имеют очень ограниченную растворимость в сплавах основного металла. Примеры в титане включают литий и кальций. Тонко измельченные дисперсии таких элементов, например, бета-кальция в альфа-титане не могут быть легко получены с использованием процесса плавки.
Эти и другие типы несовместимостей при термофизической плавке приводят к трудности или невозможности формирования приемлемых сплавов этих элементов при обычной производственной плавке. Их вредные эффекты устраняются настоящим способом изготовления прутков 42 без применения плавки.
Предшествующее соединение основного металла и возможное предшествующее соединение (соединения) легирующего элемента смешивают для формирования равномерной однородной смеси соединений, когда необходимо получить сплав. Смешивание осуществляют обычными способами, используемыми для смешивания порошков в других областях для твердофазного восстановления, или посредством смешивания паров для парофазного восстановления.
Для твердофазного восстановления порошков твердого предшествующего соединения возможно прессование смеси соединений для получения заготовки. Это прессование осуществляют посредством холодного или горячего прессования тонко измельченных соединений, но не при такой высокой температуре, при которой происходит какое-либо плавление соединений. Прессованная конфигурация может быть спечена в твердом состоянии для временного связывания частиц друг с другом. Прессование, желательно, формирует конфигурацию, подобную конфигурации конечного изделия или форме промежуточного продукта, но с большими размерами.
Смесь неметаллических предшествующих соединений после этого в ходе этапа 24 подвергают химическому восстановлению любым пригодным способом для получения первичного металлического материала в некоторых случаях и для некоторых вариантов применения без плавления исходного металлического материала. Используемые здесь термины "без плавления", "не плавится" и относящиеся к ним понятия означают, что материал не плавится макроскопически или полностью так, что он сжижается и теряет свою конфигурацию. Здесь может происходить, например, небольшое локализованное плавление, когда элементы с низкой температурой плавления плавятся и диффузионно сплавляются с элементами с более высокой температурой плавления, которые не плавятся. Даже в таких случаях общая форма материала остается неизменной.
Согласно одному варианту, называемому твердофазным восстановлением, поскольку неметаллические предшествующие соединения заготовляют как твердые вещества, химическое восстановление может осуществляться электролизом расплавленных солей. Электролиз расплавленных солей является известной технологией, которая описана, например, в опубликованной заявке на патент WO №99/64638, описание которой включено сюда посредством ссылки во всей полноте. Коротко, при электролизе расплавленных солей смесь неметаллических предшествующих соединений погружают в электролизную камеру в электролит из расплавленной соли, такой как хлорид, при температуре ниже температур плавления металлов, которые формируют неметаллические предшествующие соединения. Смесь неметаллических предшествующих соединений составляет катод электролизной камеры с анодом. Элементы, скомбинированные с металлами в неметаллических предшествующих соединениях, такие как кислород в предпочтительном случае с оксидными неметаллическими предшествующими соединениями, извлекают из смеси химическим восстановлением (то есть в противоположность химическому окислению). Реакцию осуществляют при повышенной температуре для ускорения диффузии кислорода или другого газа из катода. Катодный потенциал контролируют для обеспечения того, что будет происходить восстановление неметаллических предшествующих соединений, а не другие возможные химические реакции, такие как разложение расплавленной соли. Электролит представляет собой соль, предпочтительно, соль, которая более стабильна, чем эквивалентная соль рафинируемых металлов, и в идеальном варианте очень стабильна для извлечения кислорода или другого газа до низкого уровня содержания. Предпочтительны хлориды и смеси хлоридов бария, кальция, цезия, лития, стронция и иттрия. Химическое восстановление может осуществляться до завершения таким образом, чтобы неметаллические предшествующие соединения были полностью восстановлены. Вместо этого химическое восстановление может быть частичным, при этом часть неметаллических предшествующих соединений остается.
Согласно другому подходу, называемому парофазным восстановлением, поскольку неметаллические предшествующие соединения заготовляют как пары или в газообразной фазе, химическое восстановление может осуществляться посредством восстановления смесей галидов основного металла и легирующих элементов с использованием жидкого щелочного металла или жидкого щелочноземельного металла. Например, тетрахлорид титана и хлориды легирующих элементов применяют в форме газов. Смесь этих газов в надлежащих количествах входит в контакт с расплавленным натрием, в результате чего металлические галиды восстанавливаются в металлическую форму. Металлический сплав отделяют от натрия. Восстановление осуществляют при температурах ниже температуры плавления металлического сплава. Этот способ, но без настоящего изобретения, описан более полно в патентах США №№ 5779761 и 5958106 и в публикации патента №№ 2004/0123700, причем все эти описания включены сюда посредством ссылки. Другие газофазные технологии описаны в публикациях патентов США №№ 2004/0050208 и 2004/0261573, описания которых включены сюда посредством ссылки.
Физическая форма исходного металлического материала при завершении этапа 24 зависит от физической формы смеси неметаллических предшествующих соединений в начале этапа 24. Если смесь неметаллических предшествующих соединений представляет собой сыпучие тонко измельченные частицы, порошки, гранулы, кусочки и т.п., исходный металлический материал имеет такую же форму за исключением того, что он имеет меньшие размеры и в типичном случае в некоторой степени пористый. Если смесь неметаллических предшествующих соединений представляет собой спрессованную массу тонко измельченных частиц, порошков, гранул, кусочков и т.п., то физическая форма исходного металлического материала после этапа 24 в типичном случае соответствует форме в некоторой степени пористой металлической губки. Внешние размеры металлической губки меньше размеров спрессованной массы неметаллического предшествующего соединения вследствие удаления кислорода и/или других комбинированных элементов на этапе 24 восстановления. Если смесь неметаллических предшествующих соединений представляет собой пар, то конечная физическая форма исходного металлического материала в типичном случае представляет собой тонкий порошок, который может подвергаться дополнительной обработке.
Некоторые составляющие, называемые "другими добавочными составляющими", может быть затруднительно вводить в сплав. Например, пригодные неметаллические предшествующие соединения составляющих могут быть недоступны, или доступные неметаллические предшествующие соединения других добавочных составляющих могут не быть легко химически восстанавливаемыми способом или при температуре, совместимыми с химическим восстановлением других неметаллических предшествующих соединений. Может быть необходимо, чтобы такие другие добавочные составляющие в конечном счете присутствовали как элементы в твердом растворе в сплаве как соединения, сформированные реакцией с другими составляющими сплава, или как уже вступившие в реакцию, по существу инертные соединения, рассредоточенные в сплаве. Эти другие добавочные составляющие или их предшественники могут вводиться из газа, жидкости или твердой фазы, как надлежит, с использованием одного из четырех способов, которые описаны далее, или других пригодных способов.
Согласно первому варианту, другие добавочные составляющие заготавливают как элементы или соединения и смешивают с предшествующими соединениями перед этапом химического восстановления или одновременно с ним. Смесь предшествующих соединений и других добавочных составляющих подвергают химическому восстановлению в ходе этапа 24, но только предшествующие соединения фактически восстанавливаются, а другие добавочные составляющие не восстанавливаются.
Согласно второму варианту, другие добавочные составляющие заготавливают в форме твердых частиц, но не подвергают обработке химическим восстановлением, используемой для основного металла. Вместо этого их смешивают с исходным металлическим материалом, который получают на этапе химического восстановления, но после того, как этап 24 химического восстановления завершен. Этот способ особенно эффективен, когда этап химического восстановления осуществляют с сыпучим порошком предшествующих соединений, но его также можно осуществлять с использованием предварительно спрессованной массы предшествующих соединений с получением губчатой массы исходного металлического материала. Другие добавочные составляющие прилипают к поверхности порошка или к поверхности губчатой массы и попадают в ее поры. Твердые частицы при необходимости могут вступать в реакцию на одном или более этапов, если они являются предшественниками другой добавочной составляющей.
Согласно третьему варианту, предшественник сначала получают как частицы порошка или как губку посредством прессования предшествующих соединений металлических элементов. Затем частицы или губку подвергают химическому восстановлению. После этого другую добавочную составляющую получают на поверхностях (внешних и внутренних, если частицы губчатые) частиц или на внешних и внутренних поверхностях губки из газообразной фазы. Согласно одной технологии, газообразный предшественник или элементарная форма (например, метан или азот в газообразной форме) протекает поверх поверхности частицы или губки для осаждения соединения или элемента на поверхность из газа. Материал, получаемый на поверхностях, при необходимости может вступать в реакцию в ходе одного или более этапов, если они предшествуют другой добавочной составляющей. Газ, несущий относящуюся к делу составляющую, можно подавать любым пригодным образом, например из коммерческих источников или посредством генерирования газа, например, испарением электронным лучом керамики или металла или с использованием плазмы.
Четвертый вариант подобен третьему варианту за исключением того, что другую добавочную составляющую осаждают из жидкости, а не из газа. Сначала изготовляют предшественник в форме частиц порошка или в форме губки посредством прессования предшествующих соединений металлических элементов. Частицы или губку затем подвергают химическому восстановлению. Другую добавочную составляющую затем получают на поверхностях (внешних и внутренних, если частицы имеют форму губки) частиц или на внешних и внутренних поверхностях губки посредством осаждения из жидкости. Согласно одной технологии, частицы или губку погружают в жидкий раствор предшествующего соединения другой добавочной составляющей для нанесения покрытия на поверхности частиц или губки. Предшествующее соединение другой добавочной составляющей вторично вступает в химическую реакцию, оставляя другую добавочную составляющую на поверхностях частиц или на поверхностях губки. В одном примере лантан может быть введен в сплав на основе титана посредством покрытия поверхностей восстановленных частиц или губки (полученных из предшествующих соединений) хлоридом лантана. Покрытые частицы или губку затем нагревают и/или помещают в вакуум для удаления хлорина, оставляя лантан на поверхностях частиц или губки. При необходимости покрытые лантаном частицы или губка могут быть окислены для формирования тонкой дисперсии лантана и кислорода с использованием кислорода из окружающей среды или из раствора в металле, или покрытые лантаном частицы или губка могут вступать в реакцию с другим элементом, таким как сера. Согласно другому варианту, составляющую наносят на частицы или губку путем электрохимического осаждения. Согласно другому варианту, частицы или губку можно погружать в ванну, содержащую другую добавочную составляющую, извлекать из ванны и испарять любой растворитель или носитель, оставляя покрытие на поверхности частицы или губки.
Какой бы способ химического восстановления в ходе этапа 24 ни использовался и как бы ни вносилась другая добавочная составляющая, в результате получают смесь, которая содержит состав сплава. Способы введения других добавочных составляющих могут осуществляться с предшественниками до восстановления основного металла или с уже восстановленным материалом. Металлический сплав может представлять собой сыпучие частицы в некоторых обстоятельствах или иметь структуру, подобную губке, в других случаях. Структуру, подобную губке, получают способом твердофазного восстановления, если предшествующие соединения сначала спрессованы перед началом фактического химического восстановления. Предшествующие соединения могут быть спрессованы для формирования спрессованной массы, которая имеет большие размеры, чем необходимое завершенное металлическое изделие.
Химический состав металлического материала определяется типами и количествами металлов в смеси неметаллических предшествующих соединений, заготовленных в ходе этапа 22, и другими добавочными составляющими, которые вводят при обработке. Относительные пропорции металлических элементов определяются их соответствующими отношениями в смеси, получаемой в ходе этапа 22 (не соответствующими отношениями соединений, а соответствующими отношениями металлического элемента). В варианте, представляющем основной интерес, исходный металлический материал содержит больше титана, чем любого другого элемента в качестве основного металла, для получения исходного металлического сплава на основе титана. Другие основные металлы, представляющие интерес, включают материалы на основе никеля, материалы на основе железа, материалы на основе кобальта и материалы на основе титана.
Исходный металлический материал в типичном случае имеет форму, отличную от прутка. Соответственно и предпочтительно, исходный металлический материал, полученный в ходе этапа 24, затем в ходе этапа 26 соединяют для получения соединенного металлического изделия в форме прутка без плавки исходного металлического сплава и без плавки соединенного металлического материала. Пруток 42 может иметь любую форму сечения, но предпочтительно, чтобы прутки 42 имели конфигурации, которые легко собираются в пучки, такие как в форме кругов, шестигранников, квадратов, прямоугольников и т.п. Соединение устраняет пористость исходного металлического сплава до уровня, пригодного для дальнейшего применения. Если соединенный пруток должен использоваться для переплавки, относительная плотность, составляющая 30-80%, в типичном случае может быть достаточной. Если соединенный пруток должен использоваться в каком-либо другом варианте применения, может быть желательна более высокая относительная плотность. Можно использовать соединение любого пригодного типа. Предпочтительно, чтобы соединение осуществлялось без связующего вещества, которое является органическим или неорганическим материалом, смешанным с порошком с целью связывания частиц порошка друг с другом в процессе соединения. Связующее вещество может оставлять нежелательные остатки в конечной структуре, и его использование, предпочтительно, исключается.
В ходе этапа 27 в прутки 42 может быть введен вторичный металлический материал. Такой вторичный металлический материал может включать, например, восстановленный материал, лом или первичный металл, такой как первичный сплав. Этот вторичный металлический материал можно смешивать с неметаллическими предшествующими соединениями до химического восстановления в ходе этапа 24, и в этом случае осуществляется химическое восстановление только неметаллических предшествующих соединений. Этот вторичный металлический материал можно смешивать с металлическим материалом, полученным химическим восстановлением в ходе этапа 24. В обоих случаях вторичный металлический материал на этапе 26 включен в соединенный металлический материал.
Соединение 26 осуществляют посредством соединения исходного металлического материала в надлежащих условиях температуры и давления, но при температуре, которая меньше температур плавления исходного металлического сплава, вторичного металлического материала и соединенного металлического изделия, если соединенный пруток не должен быть расплавлен. Прутки, полученные посредством соединения 26, не должны быть особенно прочными или иметь высокую плотность, если при дальнейшей обработке их плавят или дополнительно соединяют. Примеры пригодных способов соединения включают одноосное или изостатическое холодное прессование, прямую прокатку, обжим, горячее изостатическое прессование, прямую экструзию, экструзию в контейнере или согласующийся процесс. Соединение уменьшает внешние размеры массы первичного металлического материала, но такие уменьшения размеров прогнозируемы с учетом опыта для конкретных составов. Соединение 26 может также использоваться для достижения дополнительного легирования металлического изделия. Например, в контейнере, используемом для герметично изолированной экструзии или горячего изостатического прессования, можно не создавать вакуум, в результате чего существует остаточный кислород и азот, или в контейнер можно вводить газ, содержащий углерод. При нагреве для горячего изостатического прессования остаточный кислород, азот и/или углерод диффундируют в сплав на титановой основе и сплавляются с ним.
Прутки 42 в ходе этапа 28 собирают в пучок, формируя пучок 44 прутков. Прутки 42 собирают в пучок боковыми поверхностями (не встык). В этот момент при необходимости в ходе этапа 30 в пучок 44 прутков может быть включен другой материал. Таким другим материалом может быть, например, восстановленный материал, лом или первичный металл, такой как основной сплав, в форме прутка 50 по существу такой же длины, как и прутки 42. Все прутки 42 могут иметь один состав, или часть из них может иметь разные составы. Ранее плавленный металлический материал, если он доступен в пригодной форме прутка, также может быть включен в пучок 44 прутков, когда пучок прутков предназначен для использования в вариантах применения для переплавки.
Отдельные прутки 42 и прутки 52, если они есть, могут оставаться свободными и не связанными друг с другом. Более предпочтительно, для облегчения обращения отдельные прутки 42 и прутки 50, если они есть, соединяют друг с другом в ходе этапа 32. Например, отдельные прутки 42 и прутки 50, если они есть, пучка 44 прутков могут быть соединены у одного или у обоих концов или в промежуточных точках их длины механическим крепежным средством 46, как показано на фиг.2. Отдельные прутки 42 и прутки 50, если они есть, вместо этого могут быть соединены друг с другом при помощи приваривания отдельных прутков 42 и прутков 50, если они есть, к соседним отдельным пруткам 42 и/или пруткам 50, если они есть, в одной или более точек вдоль их боковых поверхностей 48, или посредством горячего изостатического прессования, или другим способом соединения пучка 44 прутков, как показано на фиг.3. Прутки 42 и прутки 50, если они есть, могут иметь проходящие продольно шпоночные канавки 52 для содействия сборке прутков 42 и 50 для формирования пучка 44 прутков. Один или более пучков прутков, соединенных друг с другом, формируют комплект 40 удлиненных прутков. То есть нет необходимости сваривать или по-другому соединять прутки 42 конец к концу. Может быть необходимо приваривать прутки 42 и 50, когда их используют, к механическому крепежному средству 46, когда его используют, но этот сварочный шов в типичном случае не плавится в ходе последующей обработки.
R
A
Каждый пруток 42, произведенный на этапе 26, имеет длину L прутка, по существу равную длине L комплекта, хотя могут существовать некоторые колебания по длине между прутками 42.
Комплект 40 прутков можно использовать как расходуемый исходный материал и плавить в ходе этапа 34 в пригодном плавильном устройстве, примером которого является вакуумно-дуговое плавильное устройство 58, показанное на фиг.4, и затем отливать. Комплект 40 прутков удерживается вертикально с возможностью движения в вакуумной камере 60 на направляющей 62, которая допускает управляемое движение вниз комплекта 40 прутков. Комплект 40 прутков с возможностью движения удерживается над плавильным тиглем 64. Между комплектом 66 прутков и плавильным тиглем 64 подключен источник 66 электропитания. В вакуумной камере 60 при помощи насоса 68 создают вакуум. Между нижним концом комплекта 40 прутков и плавильным тиглем 64 зажигают электрическую дугу 70. Электрическая дуга 70 плавит нижний конец комплекта 40 прутков, формируя ванну 72 жидкого металла. Затем комплект 40 прутков постепенно опускают по направляющей 62 таким образом, что дополнительные части нижнего конца комплекта 40 прутков плавятся и добавляются в ванну 72 жидкого металла. В конечном счете весь комплект 40 прутков или большая его часть плавится в ванну 72 жидкого металла. Металл ванны 72 жидкого металла затем застывает в качестве электрода или его отливают в литейную форму 74, такую как изложница или форма непрерывной отливки, и он застывает. Полученная отливка может использоваться непосредственно, или она может быть переплавлена один или более раз.
Вместо этого комплект 40 удлиненных прутков можно дополнительно подвергать обработке другими способами в ходе этапа 36 для использования в вариантах, отличных от варианта использования для плавки. Например, комплект удлиненных прутков можно подвергать штамповке, горячему изостатическому прессованию, прокатке и т.п. В этом случае очень предпочтительно, чтобы ни один из материалов в комплекте 40 прутков, используемых на этапе 36, не был ранее расплавлен и чтобы комплект 40 прутков не плавился в ходе этапа 36.
Как бы комплект 40 прутков ни обрабатывался на этапах 34 и 36, настоящий способ имеет важное преимущество, заключающееся в том, что комплект 40 прутков имеет одинаковую контролируемую длину и одинаковую контролируемую конфигурацию поперечного сечения. Это однообразие важно в производственной среде, поскольку комплектом 40 прутков можно манипулировать при помощи машинного оборудования, приспособленного для обращения с однообразными комплектами прутков. Кроме того, комплект 40 прутков не имеет поперечных сварных швов или других соединений по его длине, которые могут разрушиться при последующей обработке 34 или 36.
Хотя для иллюстрации были подробно описаны конкретные варианты осуществления изобретения, могут быть сделаны различные модификации и усовершенствования без отхода от сущности и объема изобретения. Соответственно изобретение ограничено только прилагаемой формулой изобретения.
Список деталей:
40 - комплект удлиненных прутков
42 - прутки
44 - пучок прутков
46 - механическое крепежное средство
48 - боковые поверхности
50 - пруток
52 - шпоночные канавки
58 - вакуумно-дуговое плавильное устройство
60 - вакуумная камера
62 - направляющая
64 - плавильный тигель
66 - источник электропитания
68 - насос
70 - электрическая дуга
72 - ванна