1,Primärverarbeitung: vom Erz zum verarbeitbaren Knüppel
Dies ist das teuerste Glied in der gesamten Kette der Titanindustrie.
Titanschwammherstellung (hauptsächlich Kroll-Methode):
Wandeln Sie Titanerz (Rutil oder Ilmenit) in Schwammtitan (poröses Reintitan) um.
Prozess: Titanerz → Chlorierung zu Titantetrachlorid (TiCl₄) → thermische Magnesiumreduktion (Kroll-Methode) → Vakuumdestillation → Schwammtitan.
Eigenschaften: Der komplexe Prozess, der enorme Energieverbrauch und die intermittierende Produktion sind einer der Hauptgründe für den hohen Preis von Titanlegierungen. Neue Elektrolysemethoden wie das FFC-Cambridge-Verfahren zielen darauf ab, den Energieverbrauch und die Kosten zu senken, wurden jedoch noch nicht in großem Maßstab kommerzialisiert.
2). Schmelzen:
Schmelzen Sie Titanschwamm, Legierungselemente und Rücklaufmaterial unter Vakuum oder Schutz durch Inertgas (Argon) zu gleichmäßig zusammengesetzten Barren.
Haupttechnologien:
Vakuum-Lichtbogenschmelzen (VAR): die gängigste Methode. Die Elektrode wird durch einen Lichtbogen in einer Vakuumkammer geschmolzen und zum Erstarren in einen wassergekühlten Kupfertiegel getropft. Um Reinheit und Gleichmäßigkeit zu gewährleisten, werden in der Regel zwei bis drei Schmelzvorgänge durchgeführt.
Kaltbettofenschmelzen (CHM): einschließlich Elektronenstrahl-Kaltbettofen (EBCHM) und Plasmalichtbogen-Kaltbettofen (PACHM). Es kann Verunreinigungen mit hoher/niedriger Dichte effektiv entfernen und wird häufig bei der Herstellung hochwertiger Titanbarren und Titanbarren in Luftfahrtqualität verwendet.
2,Umformende Fertigung: Den Rohling in die gewünschte Form bringen
Dies ist der zentrale Zusammenhang, der die Schwierigkeit der Verarbeitung von Titanlegierungen widerspiegelt.
A. Plastische Umformung
Konventionelles Schmieden:Nach dem Erhitzen in einem Luftofen wird es mit einem Schmiedehammer oder einer Presse geformt. Es entsteht leicht eine oberflächliche Oxidschicht (Alpha-Versprödungsschicht), die später entfernt werden muss.
Isothermes Schmieden/Warmgesenkschmieden:eine Schlüsseltechnologie für das Präzisionsschmieden von Titanlegierungen. Erhitzen Sie die Form auf eine ähnliche Temperatur wie der Barren (normalerweise 800–1000 °C) und formen Sie ihn unter langsamem Druck. Dies reduziert den Verformungswiderstand, den Temperaturabfall und die Oberflächenreaktion erheblich und ermöglicht die Herstellung endkonturnaher Schmiedeteile mit komplexen Formen, hoher Präzision und angemessener Stromlinienverteilung. Allerdings sind die Kosten und der Energieverbrauch von Formen (üblicherweise aus Superlegierungen auf Nickelbasis oder Legierungen auf Molybdänbasis) extrem hoch.
Rollen:Herstellung von Platten, Bändern, Stangen und Rohren. Das Warmwalzen erfolgt unter einer Schutzatmosphäre oder -beschichtung, um Oxidation zu verhindern; Beim Kaltwalzen ist ein Zwischenglühen erforderlich, um eine Kaltverfestigung zu verhindern.
Quetschen:Wird zur Herstellung von Profilen und Rohren verwendet. Nach dem Erhitzen wird der Barren unter hohem Druck durch eine Form extrudiert. Glasschmiermittel und Schutzbeschichtungen sind erforderlich, um das Anhaften und Oxidieren von Formen zu verhindern.
Superplastische Umformung (SPF):Durch die Nutzung der Superplastizität (extrem hohe Dehnung) einer Titanlegierung bei einer bestimmten Temperatur/Rate und die Kombination mit Luftdruck zur Anpassung an die Form wie beim Glasblasen können komplexe dünnwandige Komponenten in einem Arbeitsgang geformt werden. Wird häufig mit Diffusionsbindung (DB) kombiniert, um die SPF/DB-Technologie zu bilden, die zur Herstellung mehrschichtiger Hohlstrukturen für Luft- und Raumfahrtanwendungen verwendet wird.
B. Casting
Vakuum-Präzisionsguss: wird hauptsächlich in Vakuum-Lichtbogen-Kondensationsöfen durchgeführt. Die Elektrode schmilzt in einem Lichtbogen unter Vakuum und fließt in die keramische Formschale. Aufgrund der Reaktion zwischen Titan und fast allen Formstoffen müssen spezielle feuerfeste Materialien (z. B. Yttriumoxid-Oberflächenschicht) verwendet werden.
Anwendung: Geeignet für die Herstellung statischer Strukturbauteile mit extrem komplexen Formen, die keine umfangreiche Bearbeitung erfordern, wie z. B. Motorgehäuse, Pumpenkörper und hochwertige Golfballköpfe.
C. Additive Fertigung (3D-Druck) - Revolutionäre Technologie
Die schichtweise direkte Verwendung von Titanlegierungspulver oder Drahtmaterial zur Herstellung massiver Teile eignet sich besonders für komplexe Strukturen, Leichtbaukonstruktionen und die Anpassung kleiner Stückzahlen.
Haupttechnologien:
Laserselektives Schmelzen (SLM)/Laser-Pulverbettschmelzen (LPBF): In einer Kammer mit inerter Atmosphäre wird Titanlegierungspulver auf dem Pulverbett mit einem feinen Laser Punkt für Punkt geschmolzen. Hohe Präzision und gute Oberflächenqualität.
Elektronenstrahlschmelzen (EBM): Schmelzen von Pulver mit einem Elektronenstrahl in einer Vakuumumgebung. Die Umformgeschwindigkeit ist hoch, die thermische Belastung gering und die Leistung der Teile kommt der von Schmiedestücken nahe, die Oberfläche ist jedoch relativ rau.
Vorteile: Die Materialausnutzungsrate ist extrem hoch (nahezu 100 %), wodurch topologieoptimierte Strukturen wie extrem komplexe Gitter, Waben und integrierte hohle Kühlkanäle erreicht werden. Es ist in den Bereichen Luft- und Raumfahrt (leichte Gerüste, Rotorblätter mit Kühlkanälen) und Medizin (maßgeschneiderte poröse Knochenimplantate) unersetzlich.
3,Weiterverarbeitung und Handling
1) Bearbeitung:
Titanlegierungen sind aufgrund ihrer schlechten Wärmeleitfähigkeit (Wärme sammelt sich am Werkzeug), ihrer hohen chemischen Affinität (leichte Reaktion mit dem Werkzeugmaterial) und ihres niedrigen Elastizitätsmoduls (verursacht leicht Werkzeug- und Vibrationen) ein typisches, schwer zu bearbeitendes Material.
Gegenmaßnahme: Verwenden Sie Werkzeugmaschinen mit hoher Steifigkeit, speziell beschichtete Hartlegierungs- oder PKD-Schneidwerkzeuge, niedrige Schnittgeschwindigkeit, große Vorschubgeschwindigkeit, hohen Druck und Schneidflüssigkeit mit hohem Durchfluss für ausreichende Kühlung.
Wärmebehandlung:
Glühen: beseitigt innere Spannungen, stabilisiert die Struktur und verbessert die Plastizität. Es ist die am häufigsten verwendete Wärmebehandlung.
Lösungsbehandlung+Alterung: wird für + zwei-Phasen-Titanlegierungen (wie Ti-6Al-4V) verwendet, um eine Dispersionsverfestigung zu erreichen und die Festigkeit durch Abschrecken und Alterung bei niedriger Temperatur zu verbessern.
Oberflächenbehandlung
Reinigung: Sandstrahlen und Säurewaschen (üblicherweise mit HF-HNO ∝-Mischsäure), um Oxidablagerungen und Verschmutzungsschichten zu entfernen.
Verstärkung/Funktionalisierung: Mikrolichtbogenoxidation (MAO) erzeugt Keramikbeschichtungen zur Verbesserung der Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit; Nitrieren/Nitrieren verbessert die Oberflächenhärte; Eloxierende Färbung und Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit; Thermisches Spritzen (z. B. Spritzen von WC Co) verbessert die Verschleißfestigkeit.
Anschlusstechnik:
Schweißen: Es muss unter hochreinem Argongas oder unter Vakuumschutz durchgeführt werden. Zu den gängigen Verfahren gehören das Wolfram-Inertgasschweißen (GTAW/TIG), das Elektronenstrahlschweißen (EBW) und das Laserschweißen (LBW). Vor dem Schweißen ist eine gründliche Reinigung erforderlich.
Diffusionsbindung (DB): Verbindung von Kontaktoberflächenatomen durch gegenseitige Diffusion unter hoher Temperatur und hohem Druck, verwendet für die Herstellung von SPF/DB-Komponenten.
