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真空電弧再熔煉

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真空電弧再熔煉Vacuum arc remelting,常縮寫為VAR)是一種生產無論在機械性質或在化學性質都具有高度同質性英语Homogeneity (physics)金屬英语ingot的製程。[1] 真空電弧再熔煉製程可用於煉製特用鋼材,或用於煉製生醫、航太等嚴苛應用環境所需的材料。

總覽與評價

用真空電弧再熔煉製程生產的材料通常必須用於高價值的應用,因為這項製程昂貴且曠日費時。一般的商用金屬或合金根本不需要這項一煉再煉的製程處理。鎳、鈦[2]、特用鋼材才會常常用這種製程精煉。通常生產鈦合金需要一至三次的真空電弧再熔煉。[3] 採用這種製程精煉金屬會有下列好處:

  • 熔融材料的凝固速率可以被嚴格控管,這意味著材料凝固後的顯微組織英语Microstructure也能連帶被高度控管,將金屬偏析最小化的能力也能大幅提升。
  • 真空狀態下,氣體雜質如等會從材料逸散至真空中。
  • 材料中等具有高蒸氣壓的雜質濃度會降低。
  • 有效消除中線附近氣孔及偏析等情況
  • 一些不能在大氣環境中冶煉的金屬,如鈦,可以用這種方法處理。
真空電弧再熔煉示意圖

製程

要真空電弧再熔煉的材料通常會先經過真空感應熔煉(VIM)或者盛鋼桶精煉作前處理,先將這些材料製成圓柱狀。接著將這些圓柱狀材料置入內部為冶金級真空(0.001—0.1 mmHg或0.1—13.3 Pa)的封閉大圓柱體坩堝當作上電極(固相,通常是陽極)。坩堝一般由製造,且外部以水包覆(水冷銅模的概念)以利控制冷卻時凝固的速率。同坩堝亦兼做下電極(通常是陰極),接著將上電極向下移動靠近下電極,數千安培的直流電此時被通入上下兩電極之間,產生一連續之熔體。為了防止上電極與坩堝壁間產生電弧,坩堝半徑會比上電極半徑大。如此,上電極必須不斷往下移動才能確保整個過程持續進行,不然上電極底部會熔化成液相一直往下滴,而拉開兩電極間距。由此可見,整個製程主要控制的參數有電流大小、冷卻水、上下兩電極間距三樣。依前述之理,重覆該製程多次精煉時,上次煉完之錠,為下次精煉之電極。

理想上,整個製程中的熔融速率應該要維持一致,但實際上很難控制。[4][5]這是因為複雜的熱傳導、熱對流(主要在液相)、熱輻射以及勞倫茲力產生的平流英语advection干擾所致。 確保熔池幾何、熔化速率維持一致對熔煉後的金屬性質極為關鍵。

材料與應用

真空電弧再熔煉製程可以對多種材料運用,然而有些材料一定要以此製程處理才能生產或才能用。以下列舉可用真空電弧再熔煉處理的材料:

值得注意的是,純鈦及絕大部分的鈦合金都需要真空電弧再熔煉兩、三次才能生產。鎳基超合金若要用於航太用途通常也需經此製程生產。用於核能應用的鋯與鈮合金也要通過真空電弧再熔煉。精煉純鉑、純鉭、純銠可用真空電弧再熔煉處理。

參考文獻

  1. ^ "Modeling for Casting & Solidification Processing", by Kuang-Oscar Yu,CRC; 1st edition (October 15, 2001), ISBN 0-8247-8881-8
  2. ^ D.Zagrebelnyy, Modeling macrosegregation during vacuum arc remelting of Ti-10V-2Fe-3Al alloy ISBN 978-3-8364-5948-8
  3. ^ Titanium: Past, Present, and Future (1983) [1]页面存档备份,存于互联网档案馆ISBN 0-309-07765-6
  4. ^ Pool Vacuum - Pool Cleaner Reviews 2016. Rexgarden.com. 23 June 2016 [26 August 2016]. (原始内容存档于2021-01-17). 
  5. ^ DA Melgaard, RG Erdmann, JJ Beaman, RL Williamson - 2007

延伸閱讀