Производство проволоки из ниобия C103
Производство проволоки из ниобия C103 — это технологически сложный и трудоемкий процесс точного изготовления. Ключевым моментом является получение высокочистого слитка методом вакуумной плавки, за которым следует ряд процессов горячей и холодной обработки и промежуточных термических обработок, в конечном итоге превращающих его в тонкую проволоку, отвечающую строгим требованиям к размерам и характеристикам.
Это важнейший этап, определяющий конечные «гены» материала, требующий чрезвычайно строгого контроля чистоты. Соотношение сырья: высокочистый ниобий (Nb), гафний (Hf, приблизительно 10%) и титан (Ti, приблизительно 1%) взвешиваются строго в соответствии со стандартами (например, ASTM B655), а содержание примесей, таких как углерод (C), кислород (O) и азот (N), строго контролируется. Процесс плавки: для предотвращения окисления активного металла и попадания примесей при высоких температурах необходимо использовать технологию плавки в вакуумных условиях. К наиболее распространенным методам относятся: Вакуумно-дуговая плавка (ВДУ): плавка сплава с использованием электрической дуги в вакууме. Электронно-лучевая плавка (ЭЛМ): плавка с использованием бомбардировки высокоэнергетическим электронным пучком, которая позволяет более эффективно удалять примеси. Для получения слитков сплава с чрезвычайно однородным составом и очень высокой чистотой обычно проводится несколько процессов плавки, два или даже три раза.
Крупные зерна слитка требуют серии деформаций и термической обработки для превращения их в тонкие проволоки. Горячая обработка включает нагрев слитка до высокой температуры в диапазоне 1200-1400 °C и предварительную деформацию путем ковки, горячей прокатки или горячей экструзии для разрушения крупных зерен и обработки его в пруток, пригодный для волочения. Например, коэффициент экструзии при горячей экструзии может достигать 10:1–20:1. Холодная волочка и промежуточный отжиг: это основной этап превращения крупнозернистого прутка в тонкую проволоку. При комнатной температуре или немного выше комнатной температуры (тепловая вытяжка, 300-600°C) заготовка многократно подвергается холодной вытяжке через вытяжную матрицу с постепенно уменьшающимся отверстием. Степень уменьшения площади поперечного сечения при каждом проходе должна строго контролироваться (обычно 10-15%) для предотвращения растрескивания материала. Поскольку холодная обработка упрочняет и делает материал хрупким (деформационное упрочнение), после нескольких проходов вытяжки необходим промежуточный отжиг. Отжиг обычно проводится в вакууме или под защитой инертного газа при температурах от 800 до 1200°C для устранения внутренних напряжений и восстановления пластичности материала, что позволяет проводить дальнейшую вытяжку.
Готовые нити требуют тонкой обработки для соответствия требованиям конечного применения. Очистка и полировка поверхности включают травление кислотой (например, с использованием смеси плавиковой и азотной кислот) для удаления оксидов и остатков смазки с поверхности нити, за которым следует механическая полировка для получения яркой и чистой поверхности. Финальный отжиг, как последний этап термообработки, включает в себя точный контроль процесса отжига для стабилизации микроструктуры нити и конечных механических свойств, таких как прочность на растяжение, предел текучести и удлинение.
На протяжении всего производственного процесса осуществляется строгий контроль качества, включающий такие тщательные проверки, как анализ химического состава, испытания механических свойств (например, испытания на растяжение) и неразрушающий контроль, такой как ультразвуковой и вихретоковый контроль, чтобы гарантировать отсутствие дефектов в изделии. Стоит отметить, что, помимо этого традиционного процесса «литье-ковка-прокатка-вытяжка», недавно появилась технология аддитивного производства с лазерным направленным энергетическим осаждением (LWDED) с использованием нити C103 в качестве сырья. Это совершенно новая область применения, которая использует лазеры для расплавления нитей и их послойного нанесения, непосредственно изготавливая компоненты сложной формы и значительно сокращая отходы материала. Например, с помощью этой технологии успешно печатались тонкостенные структуры с использованием филаментов C103 диаметром 1,0 мм при мощности лазера 2000-2400 Вт.