Interstitsiaalsete elementide (O, N, C, H) eemaldamine tulekindlatest metallidest mitme elektronkiire (EB) sulamise teel - Blogi

Tulekindlad metallid (nagu nioobium,tantaal, molübdeen ja volfram) kasutatakse laialdaselt lennunduses, ülijuhtimistehnoloogias ja tuumatööstuses. Nendel metallidel on aga äärmiselt kõrge afiinsus interstitsiaalsete elementide (hapnik, lämmastik, süsinik ja vesinik) suhtes. Isegi väga väike kogus interstitsiaalseid elemente halvendab oluliselt metallide elastsust, töödeldavust ja ülijuhtivuse kriitilisi parameetreid. Elektronkiire (EB) sulatamine on muutunud nende metallide puhastamise põhivahendiks tänu oma ülikõrgele vaakumiastmele ja ülikõrgele energiatihedusele.

Selles artiklis käsitletakse mitmekordse EB-sulatamise mehhanismi ja praktilist mõju nelja peamise interstitsiaalse elemendi eemaldamisele.

Füüsikalis-keemiline mehhanism: puhastamise alumine loogika

EB-sulatamise puhastusprotsess sõltub peamiselt füüsikalistest ja keemilistest reaktsioonidest, mis toimuvad sulabasseinis kõrgvaakumkeskkonnas.

Deoksüdatsioon

Hapnik aurustub peamiselt metallioksiidide kujul (nt NbO, NbO₂) või reageerib maatriksis oleva süsinikuga, moodustades CO-gaasi.

Denitrogeenimine

Lämmastiku eemaldamine sõltub peamiselt aatomilise lämmastiku komposiitsest desorptsioonist sulakogumi pinnal, mis väljub N₂ kujul.molekulid.

Karburiseerimine

Süsinik moodustab lahustunud hapnikuga ühinedes CO-mulle. Kui hapnikusisaldus on ebapiisav, on vaja lisada oksüdeerijaid või ära kasutada jääkhapnikku.

Dehüdrogeenimine

Vesiniku lahustuvus väheneb kiiresti temperatuuri tõustes ja selle difusioonikoefitsient on äärmiselt kõrge, mida saab põhimõtteliselt eemaldada termilise desorptsiooniga esmasel sulamisel.

Mitme sulatamise dünaamiline mõju vaheelementidele

Mitmekordne sulatamine ei ole lihtne kordamine, vaid protsess, mille käigus kontsentratsioonigradient kaldub pidevalt tasakaalupiirini.

Hapnik: "Marginaalne mõju" pärast pidevat langust

Hapniku eemaldamine on EB-sulatamise tipphetk. Esmasel sulatamisel lagunevad suured -suurused oksiidisulused kiiresti. Kui sulatamise arv suureneb:

Esimesed kaks sulatamist: hapnikusisaldus väheneb tavaliselt eksponentsiaalselt. Näiteks pärast sekundaarset sulatamist saab tööstusliku kvaliteediga nioobiummaterjalide hapnikusisaldust vähendada 500 ppm-lt alla 50 ppm-ni.

Pärast mitmekordset sulatamist: puhastamise tõhusus langeb ülemmäära. Kui hapniku kontsentratsioon on väga madal, piirab selle lendumise kiirust aatomite difusioonikiirus sulabasseini pinnale. Sel ajal, kui sulamiskordade arvu suurendada (nt 3-lt 6-le), väheneb hapnikusisalduse langus oluliselt.

Lämmastik: kõige raskemini näritav "kõva luu".

Lämmastiku eemaldamise kineetika on palju aeglasem kui hapniku oma. Tulemused näitavad, et lämmastiku tasakaaluline osarõhk vedelates metallides on äärmiselt madal ja selle desorptsiooni takistab kineetika.

Mitmekordse sulatamise vajadus: ühekordne sulatamine ei vasta sageli ülijuhtivate nioobiummaterjalide jaoks nõutavatele lämmastikusisalduse tasemetele (RRR väärtuse nõuded).

Mõju: sulatamise arvu suurenedes pikeneb sulabasseini kõrgel temperatuuril viibimise aeg, mis annab rohkem võimalusi lämmastikuaatomite rekombinatsiooniks. Mitmekordne sulatamine võib lämmastikusisaldust pidevalt vähendada, kuid seda on raske täielikult eemaldada alla 1 ppm

Süsinik: hapnikusisaldusest sõltuv keemiline tasakaal

Süsiniku eemaldamise tõhusus sõltub suuresti süsiniku ---hapniku suhtest.

Kui metallis on liiga palju hapnikku, saab süsinikku C + O → CO↑ kaudu pidevalt redutseerida reaktsioonide arvu suurenemisega.

Kui hapnikusisaldust vähendatakse mitmekordse sulatamise teel väga madalale tasemele, siis dekarbureerimisreaktsioon peatub. Seetõttu on mitmekordse sulatamise käigus mõnikord vaja atmosfääri kunstlikult kontrollida, et vältida süsiniku aeglustumise seiskumist.

Vesinik: tõhus ja kiire

Vesinik on parim ravimeetod. Tänu ülikõrgele aururõhule saab üle 90% dehüdrogeenimistööst tehtud esimese sulatusega.

Järgnev mitmekordne sulatamine toimib peamiselt konsolideerimisfunktsioonina, mis hoiab ära vesiniku jälgede reabsorptsiooni keskkonda kondensatsiooniprotsessi ajal.

Mitmekordse sulatamise eeliste ja puuduste analüüs

Puhtus	Oluliselt paranenud	eriti materjalide puhul, mille RRR-väärtuse nõuded on väga kõrged
Kompositsiooni ühtlus	Parandada	mitmekordne pöördsulatus muudab lisandite jaotuse isotroopsemaks.
Tera suurus	Suurendada	Korduv ümbersulatamine võib põhjustada valuplokis jämedaid terasid, mis nõuavad hilisemat töötlemist ja täiustamist
Kulu/tootlus	Ebasoodne	Iga täiendav sulatamine suurendab metalli aurustumiskadu ja suureneb elektritarbimise maksumus.

Järeldus

Mitmel EB-sulatamisel on vaheelementide eemaldamisel mittelineaarne võimendusefekt. Hapniku ja vesiniku puhul andsid esimesed kaks sulatamist suurema osa puhastuskogusest; lämmastiku ja süsiniku jaoks tagab mitmekordne sulatamine vajaliku kineetilise aja.

Tegelikus tootmises ei ole sulatuskordade arv "mida rohkem, seda parem". Tavaliselt peetakse puhtuse ja ökonoomsuse tasakaalupunktiks 3–4 sulamist. Äärmiselt nõudlike teadusuuringute-kvaliteediga materjalide puhul võib olla vajalik kuni 6 või enam rafineerimisaega koos aeglase sulamiskiirusega, et tagada interstitsiaalsete elementide pinnale difundeerumine ja täielik aurustumine.