TECHNOLOGIE SPECIÁLNÍCH SLITIN studijní opora

Vysoká škola báňská Technická univerzita Ostrava Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství TECHNOLOGIE SPECIÁLNÍCH SLITIN studijní opora Monika Losertová Ostrava 2013

Recenze: Ing. Dušan Nohavica, CSc. Název: Technologie speciálních slitin Autor: doc. Dr. Ing. Monika Losertová Vydání: první, 2013 Počet stran: 170 Studijní materiály pro studijní program Materiálové inženýrství Fakulty metalurgie a materiálového inženýrství. Jazyková korektura: nebyla provedena. Studijní opora vznikla v rámci projektu: Název: ModIn - Modulární inovace bakalářských a navazujících magisterských programů na Fakultě metalurgie a materiálového inženýrství VŠB - TU Ostrava Číslo: CZ.1.07/2.2.00/28.0304 Monika Losertová VŠB Technická univerzita Ostrava ISBN 978-80-248-3379-8

POKYNY KE STUDIU Technologie speciálních slitin Milí studenti, Před sebou máte studijní opory pro předmět Technologie speciálních slitin, zařazený do výuky v navazujícím magisterském studiu ve studijním programu Materiálové inženýrství oboru Technické progresivní materiály a Recyklace materiálů. Pročtěte si nejprve následující pokyny a rady, které Vám mohou usnadnit přístup ke studiu a učení látky. Prerekvizity Pro studium tohoto předmětu se předpokládají znalosti získané absolvováním technických předmětů v předcházejícím bakalářském studiu, jako například Teorie technologických procesů, Základy výroby neželezných kovů, Nauka o materiálu nebo jiných, jejich náplni odpovídajících předmětů. Cílem předmětu Cílem výše jmenovaného předmětu je předat studentům základní znalosti z oblasti speciálních technologií přípravy speciálních slitin, superslitin, intermetalických slitin, ochranných povlaků, kompozitních materiálů, funkčně gradientních materiálů a jiných progresivních materiálů. Důležitou součástí předmětu je také uvedení do problematiky zahrnující vliv parametrů procesu na produkt přípravy a optimalizaci vlastností materiálů. Po prostudování modulu by měl student být schopen na základě svých znalostí: - klasifikovat a objasnit jednotlivé technologie - definovat a vysvětlit základní parametry jednotlivých technologií přípravy vybraných typů materiálů - posoudit a vyhodnotit možné aplikace získaných poznatků na přípravu nových typů materiálů - formulovat přednosti a nedostatky jednotlivých technologií - objasnit základní mechanismy procesů přípravy Dále by měl dokázat: - provést výběr technologie pro přípravu materiálu s požadovanými vlastnostmi pro dané podmínky provozování - optimalizovat materiálové a technologické parametry procesů z hlediska přípravy vybraných materiálů s požadovanými vlastnostmi, možných interakcí s okolním prostředím nebo účinnosti procesu a dopadu na životní prostředí - aplikovat poznatky na řešení technologických problémů. Pro koho je předmět určen Předmět je zařazen do navazujícího magisterského studia oboru Progresivní technické materiály studijního programu Materiálové inženýrství, ale může jej studovat i zájemce z kteréhokoliv jiného oboru, pokud splňuje požadované prerekvizity. Postup při studiu kapitol Studijní opora se dělí na části, kapitoly, které odpovídají logickému dělení studované látky, ale nejsou stejně obsáhlé. Předpokládaná doba ke studiu kapitoly se může výrazně lišit, proto jsou velké kapitoly děleny dále na číslované podkapitoly a těm odpovídá níže popsaná struktura v obsahu. Student by si měl kapitolu nejprve pročíst, aby si udělal představu o její náročnosti a o její náplni. Teprve potom by se měl vrátit k jednotlivým odstavcům a podkapitolám a podrobněji se jimi zabývat. V případě, že některým definicím, rovnicím nebo údajům neporozumí, doporučuje se mu buď dohledat podrobnější informace v literatuře za každou kapitolou, nebo se obrátit o radu či konzultaci na pedagoga zajišťujícího předmět v daném akademickém roce.

Způsob komunikace s vyučujícími Studentovi kombinované formy studia bude během první přednášky nebo konzultace zadán semestrální projekt na téma, které si vybere ze seznamu témat pro daný předmět. Téma bude zahrnovat tři hlavní části: nejnovější poznatky na zadané téma z oblasti přípravy speciálních materiálů progresivními technologiemi (například: Slitiny na bázi Ni 3 Al, Letecké materiály na bázi TiAl, Příprava slitin pro turbodmychadla, aj.), vlastní výběr technologie z probraného učiva pro přípravu zadané slitiny a výpočtový program související s technologií přípravy daného materiálu. Student bude mít jak témata, tak požadavky a vzor pro vypracování projektu v rozsahu 20-25 stran k dispozici v elektronické formě vždy již od začátku semestru. Práce bude odevzdána v elektronické formě ve vhodném formátu (doc, docx, pdf), bude zkontrolována a vyhodnocena vyučujícím do 14 dnů po odevzdání a výsledky budou studentům zaslány e-mailem prostřednictvím IS. V případě nejasností při zpracovávání zadaného tématu či problémů s dohledáním vhodné literatury nebo podkladů se student může obrátit na pedagoga zajišťujícího předmět v daném akademickém roce nebo garanta předmětu (mlosertova@vsb.cz, tel.č. +420597325473) o konzultaci, radu nebo poskytnutí vybraných údajů. Termíny konzultací v daném roce budou vypsány a sděleny studentům e-mailem, samozřejmě má student právo požádat v případě nutnosti o mimořádný termín konzultace. Další pokyny budou upřesněny vždy na začátku semestru. Před vlastní zkouškou z předmětu musí student prokázat minimální znalosti ze studia prostřednictvím absolvování zápočtového testu, jehož výsledky budou vyhodnoceny ještě týž den a bezprostředně mu sděleny (ústně nebo e-mailem). Postup při studiu Při studiu každé kapitoly doporučujeme následující postup: Čas ke studiu: xx hodin Na úvod kapitoly je uveden čas potřebný k prostudování látky. Čas je pouze orientační a měl by Vám sloužit jako hrubé vodítko pro rozvržení studia celého předmětu či kapitoly. Předem stanovený čas se může zdát někomu příliš dlouhý, protože má již v tomto oboru nějaké či dokonce bohaté zkušenosti, jinému naopak krátký, neboť se se studovanou problematikou ještě nikdy nesetkal. Cíl: Po prostudování kapitoly budete umět popsat... definovat... V této tabulce jsou nastíněny hlavní cíle, kterých máte dosáhnout po prostudování dané kapitoly, tedy konkrétní dovednosti a znalosti. Výklad Následuje vlastní výklad studované látky, zavedení nových pojmů a jejich vysvětlení. Text je doprovázen obrázky, tabulkami, schématy a odkazy na animace. Vzhledem k již zmíněným požadavkům na předcházející vzdělání v oboru materiálového inženýrství, byly podrobněji objasněny jen pojmy nové nebo důležité pro pochopení dané nové látky, ostatní byly ponechány pro zopakování nebo samostudium. Obrázky a grafy zařazené v textu byly z velké většiny přepracovány z uvedené použité literatury, snímky mikrostruktur byly převzaty rovněž z literatury uvedené na konci kapitoly. Průvodce studiem Pod tímto znakem bude v některých kapitolách uveden text, který vysvětluje podstatu určitého jevu nebo procesu, případně doplňuje, rozšiřuje nebo oživuje informace k danému tématu.

Shrnutí pojmů Na závěr kapitoly jsou zopakovány hlavní pojmy, které jste si měli osvojit. Pokud některému z nich ještě nerozumíte, vraťte se k nim ještě jednou, případně se podívejte na doporučenou literaturu. Otázky Pro ověření, že jste dobře a úplně látku kapitoly zvládli, máte k dispozici několik teoretických otázek, jejich správné zodpovězení je důležité i pro testové otázky při absolvování předmětu, případně při řešení některých výpočtových příkladů, uvedených na konci učebnice. Odpovědi na otázky naleznete v textu příslušných kapitol. Pokud je v otázce termín navrhněte.., jedná se o požadavek na zamyšlení se a samostatný přístup k řešení problému, na který nemusí být vždy jednoznačná odpověď. Ta samozřejmě závisí na Vašich schopnostech uvažovat a logicky dávat do souvislosti získané poznatky nejen z tohoto předmětu. Použitá literatura, kterou lze čerpat k dalšímu studiu Na konci každé kapitoly je zařazen seznam literatury, z nichž převážná většina byla použita pro přípravu učebního textu a obrázků či schémat. V uvedeném seznamu jsou téměř všechny publikace, v angličtině, protože v textu jsou zahrnuty ty nejnovější poznatky a výsledky výzkumů. Předpokladem studenta vysoké školy jsou však i znalosti cizího jazyka, proto by nemělo být pro Vás překážkou dostudovat některé vybrané pasáže z anglických textů. Publikace řazené na konci seznamu, včetně odkazů na webovské stránky, jsou většinou určeny k dalšímu samostatnému studiu. Řešené úlohy Většina teoretických pojmů i praktických poznatků v rámci tohoto předmětu má bezprostřední význam a využití při přípravě nových i optimalizaci vlastností stávajících materiálů, proto naleznete po prostudování jednotlivých kapitol v závěru učebnice ukázky řešených úloh. Uvedené příklady jsou zařazeny na konec, protože z hlediska jejich jak teoretického, tak praktického charakteru je možné je obecně aplikovat na více probraných skupin materiálů. CD-ROM Text studijní opory naleznete také na http://www.fmmi.vsb.cz/modin/cs/studijni-opory/resitelsky-tym- 3-materialove-izenyrstvi/technologie-specialnich-slitin/index.html nebo vám bude poskytnut na CD- ROM. Spolu s textem se na výše uvedených stránkách nalézají krátké animované ukázky, týkající se látky probírané v této učebnici. Úspěšné a příjemné studium s touto učebnicí Vám přeje autorka výukového materiálu. Doc.Dr.Ing. Monika Losertová V Ostravě 31.8.2014

Obsah Technologie speciálních slitin OBSAH strana 1 Metody přípravy speciálních slitin na bázi neželezných kovů 1.1 Úvod 9 1.2 Přehled základních operací pro přípravu slitin 9 1.3 Vybrané technologie pro přípravu speciálních slitin 9 1.3.1 Tavení s odporovým ohřevem 1.3.2 Tavení pomocí elektrického oblouku 1.3.3 Tavení pomocí indukčního ohřevu 1.3.4 Tavení se studeným kelímkem 1.3.5 Tavení pomocí elektronového svazku 1.3.6 Elektrostruskové přetavení 1.4 Metody rafinace kovů a slitin 30 1.5 Příprava materiálů v monokrystalickém stavu 30 1.6 Příprava speciálních materiálů pomocí práškové metalurgie 31 2 Příprava slitin na bázi niklu a superslitin 2.1 Technologie pro přípravu niklovách slitin a superslitin 33 2.1.1 Tavení superslitin v elektrické obloukové peci 2.1.2 Vakuové indukční tavení superslitin 2.1.3 Vakuové obloukové přetavení superslitin 2.1.4 Elektrostruskové přetavení superslitin 2.1.5 Kombinace procesů ESR a VAR 2.1.6 Další procesy pro přípravu superslitin 2.2 Krystalizace superslitin a vady v licí struktuře 38 2.3 Odlévání superslitin a usměrněné tuhnutí 39 2.4 Příprava produktů v monokrystalickém stavu 41 2.5 Tepelně mechanické zpracování 46 2.6 Shrnutí vlivu procesů přípravy na vlastnosti superslitin 50 3 Příprava slitin na bázi titanu 3.1 Výroba ingotového titanu 52 3.2 Tavení a odlévání slitin titanu 53 3.2.1 Příprava slitin pomocí VAR 3.2.2 Příprava slitin pomocí ISM 3.2.3 Tavení slitin ve studené nístěji 3.2.4 Vady v titanových slitinách 4 Příprava slitin na bázi intermetalických sloučenin 4.1 Přehled technologických procesů 62 4.2 Tavení IMC slitin 63 4.2.1 Faktory s účinkem na proces tavení 4.2.2 Reakční tavení

Obsah 4.3 Reakční syntéza 68 5 Příprava slitin pomocí mechanického legování 5.1 Základní charakteristika procesu 72 5.2 Vybrané metody 73 5.2.1 Reakční mletí 5.2.2 Kryomletí 5.2.3 Tyčové mletí 5.2.4 Mechanicky aktivované žíhání 5.2.5 Dvojnásobné mechanické legování 5.2.6 Mechanicky aktivovaná řetězová vysokoteplotní syntéza 5.3 Parametry procesu 74 5.3.1 Suroviny 5.3.2 Druhy mlecích zařízení 5.4 Proměnné procesu 77 5.4.1 Rychlost mletí 5.4.2 Čas a poměr BPR 5.4.3 Mlecí atmosféra 5.4.4 Teplota mletí 5.5 Mechanismus legování 78 5.6 Znečištění 79 6 Technologie výroby kovových skel 6.1 Základní charakteristika kovového skla 81 6.2 Stabilita kovových skel 83 6.3 Kritérium hlubokého eutektika 90 6.4 Metody výroby kovových skel 91 6.5 Konečná povrchová úprava 93 6.6 Kontrola kvality 93 7 Příprava kovových pěn 7.1 Charakteristika procesů 95 7.1.1 Faktory při procesu výroby 7.1.2 Stabilita kovových pěn 7.2 Příprava kovových pěn z taveniny 96 7.2.1 Vhánění plynu do roztaveného kovu z externího zdroje 7.2.2 Vyvolání vzniku plynu in situ v tavenině přídavkem nadouvadla uvolňujícího plyn 7.2.3 Vyvolání vylučování rozpuštěného plynu z taveniny 7.3 Metody vycházející z práškového kompaktního materiálu 100 7.3.1 Zpěňování práškových výlisků 7.3.2 Zpěňování ingotů obsahujících nadouvadla 7.4 Zvláštní metody 102 7.4.1 Přesné lití 7.4.2 Nanášení kovu na buněčný model

Obsah 7.4.3 Izostatické lisování dutých koulí za tepla 7.4.4 Expanze plynu zachyceného v kovu 7.5 Nové směry a aplikace 105 8 Plazmová technologie pro přípravu kovových slitin 8.1 Charakteristika procesu 106 9 Technologie nanášení vrstev pomocí CVD 9.1 Charakteristika procesu 110 9.2 Chemické prekurzory 112 9.3 Metody CVD 10 Technologie PVD pro nanášení vrstev 10.1 Charakteristika procesu 114 10.2 Vliv parametrů procesu na charakteristiky materiálů 115 10.3 Materiály povlaků pro různé aplikace 115 11 Technologie přípravy kompozitních materiálů 11.1 Základní charakteristika kompozitního materiálu 117 11.2 Přehled technologií výroby 118 11.3 Vliv parametrů procesu na charakteristiky materiálů 119 11.4 Vybrané technologie přípravy 122 12 Tavení a legování pomocí laseru 12.1 Selektivní laserové tavení 124 12.2 Povrchové legování slitin 125 13 Příprava funkčně gradientních materiálů 13.1 Princip a aplikace materiálů 128 13.2 Vybrané technologie 129 13.2.1 Metody práškové metalurgie 13.2.2 Metody s roztavenou fází 14 Využití vodíku při přípravě a zpracování slitin 14.1 Působení vodíku na vlastnosti neželezných kovů a slitin 133 14.2 Využití vodíku při technologických procesech 134 14.3 Rozpustnost vodíku v kovech a slitinách 134 14.4 Modifikace strukturních charakteristik Ti slitin a kompozitů 137 14.4.1 Stabilizace vysokoteplotní fáze 14.4.2 Tepelné zpracování ve vodíku 14.5 Amorfizace pomocí vodíku 144 14.6 Využití vodíku při přípravě práškových materiálů 145 14.6.1 Proces HD 14.6.2 Proces HDDR 14.7 Kovy a intermetalické sloučeniny pro skladování vodíku 147 14.8 Shrnutí příznivých účinků vodíku na kovy a slitiny 151 15 Řešené příklady 153

1. Metody přípravy speciálních slitin 1. Metody přípravy speciálních slitin na bázi neželezných kovů 1.1 Úvod Progresivní technologie a hi-tech aplikace jsou dnes neodmyslitelné bez využití specifických materiálů, jako jsou např. superslitiny, titanové slitiny, vysokotavitelné kovy a jejich slitiny, slitiny na bázi intermetalických sloučenin, kovová skla, kovové pěny, kompozitní materiály s kovovou, keramickou nebo polymerní matricí, materiály pro skladování vodíku. K progresivním materiálům je nutné rovněž počítat povlaky a tenké vrstvy (filmy) na bázi výše uvedených materiálů, které na jedné straně zajišťují ochranu před nepříznivým prostředím vyvolávajícím poškození materiálů např. korozí, vysokými teplotami, oxidací, zkřehnutím vlivem vodíku z okolní vlhkosti, nasířením, nauhličením a dalšími fyzikálně-chemickými procesy na povrchu materiálu, na druhé straně mohou plnit různé funkce např. při aplikacích magnetických, elektrických nebo biokompatibilních. Vlastnosti těchto materiálů jsou z převážné většiny velmi citlivé na obsah nečistot a mikrostrukturu po odlití. Proto je pro jejich přípravu nutné používat zvláštní metody, jako je např. vakuově indukční tavení, směrová nebo pásmová krystalizace, plazmová metalurgie aj., které jsou však ekonomicky náročné a zvyšují tak i cenu materiálů a výsledných produktů. Snaha snížit náklady nutí výrobce zavádět metody umožňující úsporu materiálu a snížení výsledné ceny produktu, jako např. metody přesného lití či vybrané metody práškové metalurgie. Čas ke studiu: 3 hodiny Cíl Po prostudování této kapitoly budete umět vyjmenovat typy zařízení a technologie pro přípravu speciálních slitin. definovat rozdíly mezi indukčním a odporovým ohřevem. popsat technologii tavení pomocí elektrického oblouku. vysvětlit princip metody bezkelímkového tavení. rozlišit výhody a nevýhody použití jednotlivých procesů. Výklad 1.2 Přehled základních operací pro přípravu slitin Tavicí proces zahrnuje dva kroky: navážku do pece a její vlastní roztavení. Operace zahrnuje dále často ještě rafinaci (čištění, pomocí přídavných chemických látek, které vyvolají chemické reakce v roztavené lázni) a očkování (do taveniny se přidá malé množství látky, která ovlivní nukleaci a růst pevné látky- krystalů při tuhnutí). Pecní zařízení jsou napájena energií buď z fosilních paliv nebo elektrickou. Pro tavení a odlévání kovů a slitin je k dispozici několik metod a typů zařízení, jejichž vhodný výběr závisí na následujících faktorech typ taveného materiálu, jeho připravované množství, prostor pro umístění tavicího zařízení. Při tavení se v určitých případech (slitiny Ti, superslitiny, slitiny vysokotavitelných kovů) musí použít ochranná atmosféra, která zabraňuje: oxidaci a vzniku nežádoucích inkluzí (superslitiny, slitiny Ti, aj.), pronikání a rozpouštění vodíku, příp. vzniku hydridů s následnou změnou vlastností (superslitiny, Ti slitiny, aj.), Monika Losertová, FMMI, VŠB-TU Ostrava, 2014 9

1. Metody přípravy speciálních slitin exotermickým reakcím při vzniku nežádoucích sloučenin (oxidů), čímž může dojít k poškození pece přehřátím. Procesy tavení speciálních materiálů si můžeme rozdělit do několika typů podle typu použitého ohřevu, atmosféry nebo zařízení: Tavení s odporovým ohřevem (angl. Melting with resistance heating) na vzduchu nebo ve vakuu Vakuové obloukové přetavení: s jednou elektrodou (angl. Vacuum arc remelting - VAR), se 2 elektrodami (angl. Vacuum arc-double electrode remelting - VADER) Indukční tavení - na vzduchu (angl. Air induction melting AIM) nebo ve vakuu (angl. Vacuum induction melting VIM) Vakuové tavení se studeným kelímkem (bezkelímkové): indukční (angl. Vacuum induction skull melting - ISM) nebo obloukové (angl. Vacuum arc skull melting - ASM) Elektrostruskové přetavení (angl. Electroslag remelting - ESR) Tavení elektronovým paprskem (angl. Electron beam melting - EBM) Plazmové tavení (angl. Plasma melting) Laserové tavení (angl. Laser melting) 1.3 Vybrané technologie pro přípravu speciálních slitin 1.3.1 Tavení s odporovým ohřevem Pece s odporovým ohřevem patří mezi nejrozšířenější zařízení, v nichž může být zpracovávaný materiál ohříván buď pomocí odporových článků umístěných podél stěn pecní komory, anebo pomocí řízené cirkulace pecní atmosféry. Jejich výhodou je možnost ohřevu na jakoukoli teplotu až do 3000 C s případným automatickým řízením příkonu a teploty. V provozu jsou pece často mechanizovány a automatizovány, což usnadňuje činnost personálu a umožňje zavedení takových zařízení do automatizovaných výrobních linek. Pece mohou být hermeticky uzavřeny a pracovat s ochrannou atmosférou nebo vakuem, takže jsou schopny zajistit ochranu materiálu před oxidací, nebo naopak mohou podle typu speciální atmosféry s plynným médiem zajišťovat chemickou úpravu povrchů nitridací nebo nauhličením. Většina odporových pecí je nepřímého typu, kdy elektrická energie je přeměněna na teplo při průchodu proudu topnými články. Teplo je ohřívanému tělesu předáno sáláním (radiací), konvekcí nebo vedením (kondukcí). Pece jsou tvořeny pracovní komorou s vyzdívkou ze žáruvzdorných cihel, které nesou jak zpracovávaný materiál, tak topné články. Pecní prostor je od kovové schránky oddělen tepelnou izolací (Obr.1.1). Součásti a funkční mechanismy pece jsou vyrobeny z žáruvzdorných ocelí, žárupevných ocelí nebo jiných žárupevných materiálů. Obr. 1.1 Schéma pece s odporovým ohřevem [1, 2]: 1- topné články, 2- žáruvzdorná vyzdívka, 3- tepelná izolace, 4- žáruvzdorná deska nístěje Monika Losertová, FMMI, VŠB-TU Ostrava, 2014 10

1. Metody přípravy speciálních slitin Kelímkové pece (angl. Crucible furnace) jsou víceúčelová a velmi flexibilní zařízení. Kelímky jsou nádoby z žárovzdorného materiálu, oceli nebo litiny, které se ohřívají uvnitř pece pomocí odporového (nebo žárového) ohřevu tak, aby vsázka nepřišla do kontaktu s odporovým článkem (s plamenem). Vsázka se ohřívá prostřednictvím tepla přenášeného přes stěnu kelímku. Roztavený kov je odléván přímo z přenosného kelímku nebo pomocí naklápěcího zařízení v peci (Obr.1.2). Obr. 1.2 Kelímková pec s odléváním pomocí naklápěcího systému [3] 1.3.2 Tavení pomocí elektrického oblouku Elektrické obloukové pece (angl. Electric arc furnaces) představují základní typ zařízení, která se používají rovněž pro výrobu ocelí (Obr. 1.3). Podstata procesu spočívá v tom, že mezi uhlíkovými elektrodami, v tomto případě třemi, a vsázkou s požadovaným složením vznikne elektrický oblouk, jehož teplota může dosahovat 3000 až 4000 C. Pece jsou využívány ve slévárnách a rovněž pro rafinaci kovů. Tavenina je odlévána z nakloněné pece do různých licích forem. Tavení může probíhat v ochranné atmosféře, na vzduchu nebo ve vakuu, podle typu zpracovávaného materiálu. Obr. 1.3 Schéma elektrické obloukové pece (Upraveno podle [4]) Modifikací elektrické obloukové pece je zařízení pro vakuové obloukové přetavení (angl. Vacuum arc remelting VAR) s jednou elektrodou nebo dvěma elektrodami (angl. Vacuum arcdouble electrode remelting VADER), které se používá pro slitiny neželezných kovů. V těchto zařízeních probíhá kontinuální přetavení odtavné elektrody ve vakuu pomocí elektrického oblouku. Stejnosměrný proud dá vznik oblouku mezi elektrodou a základovou deskou měděného kelímku chlazeného vodou (Obr.1.4). Intenzivní teplo, které vzniká díky elektrickému oblouku, natavuje špici elektrody a v chlazeném kelímku vzniká nový ingot. Během přetavovacího procesu se udržuje vysoké vakuum. Monika Losertová, FMMI, VŠB-TU Ostrava, 2014 11

1. Metody přípravy speciálních slitin Struktura VAR ingotu po utuhnutí závisí na lokální rychlosti tuhnutí a teplotním gradientu na rozhraní tavenina/pevná fáze (dále jen rozhraní l/s). Má-li být primární dendritická struktura usměrněná, musí být udržován během celého procesu přetavování relativně velký teplotní gradient na rozhraní l/s. Směr růstu dendritů odpovídá směru teplotního gradientu, tzn. směru toku tepla v okamžiku tuhnutí na frontě krystalizace (l/s). Směr toku tepla je vždy kolmý na frontu krystalizace nebo, v případě zakřiveného rozhraní, na příslušnou tečnu k zakřivení. Směr růstu dendritů je tedy funkcí profilu lázně roztaveného kovu během tuhnutí. S rostoucí rychlostí přetavení roste hloubka lázně, takže roste i úhel růstu dendritů vzhledem k ose ingotu (Obr. 1.4). V extrémních případech se může usměrněný růst dendritů zastavit, v tom případě jádro ingotu tuhne neusměrněně, tedy s nerovnoosými zrny. Tento případ však vede k segregacím a mikrostaženinám ve struktuře ingotu. Mikrostaženiny vznikají rovněž při usměrněném růstu, pokud roste vzdálenost mezi větvemi dendritů. Obr. 1.4 Schéma pece pro vakuové obloukové přetavení (Upraveno podle [5]) Optimálním výsledkem je struktura s dendrity rovnoběžnými k ose ingotu, avšak dobrý povrch ingotu vyžaduje určitou úroveň dodávky energie, která ovlivňuje rychlost přetavení. Optimální rychlost tavení i přívod energie závisí na rozměru ingotu a čistotě materiálu, takže například pro velké rozměry ingotů není možné udržet požadovanou nízkou rychlost přetavování, tak aby vznikla struktura rovnoběžná s osou ingotu. V přetaveném ingotu mohou i přes usměrněné tuhnutí vznikat vady, jako jsou letokruhy (angl.tree ring patterns), tmavé skvrny (angl.freckles) a bílé skvrny (angl.white spots). Takové vady mohou být důvodem k vyřazení ingotu, zejména pokud se jedná o speciální slitiny. Letokruhy nemají na vlastnosti materiálu výrazný vliv a snadno se zviditelňují pomocí makroleptání příčného řezu ingotu. Tato licí vada představuje negativní krystalickou segregaci a je výsledkem fluktuací rychlosti přetavování. V moderních zařízeních VAR se rychlost přetavování udržuje na požadované hodnotě pomocí přesného počítačového řízení snižování hmotnosti a rychlosti spotřeby elektrody, takže nedochází k výrazným výkyvům v rychlosti při přetavování vlivem vad v elektrodě. Tmavé a bílé skvrny ovlivňují vlastnosti materiálu mnohem výrazněji než letokruhy. Oba typy vad mohou být příčinou předčasného lomu disků turbíny v leteckých motorech. Tmavé skvrny jsou po leptání černé kruhové nebo téměř kruhové plošky, které jsou většinou bohaté na přítomnost karbidů nebo karbidotvorných prvků. Skvrny vznikají v důsledku vysoké vrstvy lázně roztaveného kovu nebo někdy při rotaci lázně. Rotace lázně taveniny může být vyvolána parazitním magnetickým polem. Vznik skvrn může být potlačen udržováním nízké výšky lázně a zamezením porušení magnetického pole kvůli koaxiálnímu vedení proudu do pece. Bílé skvrny jsou typické vady v ingotech VAR. Po makroleptání se jeví jako světlé plošky na povrchu ingotu. Obsahují méně legujích prvků, jako například méně Ti a Nb u slitiny Inconel 718. Při vzniku bílých skvrn mohou sehrát roli různé příčiny: zbytky neroztavených dendritů z odtavné elektrody; kousky rozstříknuté hmoty z oblouku, které se nerozpustí ani neroztaví a zatuhnou do ingotu; kousky z přechodové oblasti ingotu, které jsou přeneseny na tuhnoucí rozhraní ingotu. Monika Losertová, FMMI, VŠB-TU Ostrava, 2014 12

1. Metody přípravy speciálních slitin Tyto tři jevy jsou, ať už samostatně nebo v kombinaci, nejčastější a těžko vyhnutelnou příčinou vzniku bílých skvrn při VAR, protože s procesem obloukového tavení velmi úzce souvisí. Pro snížení četnosti výskytu bílých skvrn je vhodné používat: maximální možnou rychlost přetavování s ohledem na makrostrukturu; krátký oblouk s minimalizací vzniku korony a maximalizací stability oblouku; homogenní elektrody bez kavit a trhlin; vhodný zdroj energie, aby se snížily extrémní proudové špičky při náhlých zkratech. Výhody VAR Základní výhody přetavování odtavné elektrody ve vakuu: odstranění rozpuštěných plynů (vodík, dusík, CO); snížení nežádoucích stopových prvků s vysokým tlakem par; snížení obsahů oxidů; dosažení směrově krystalizovaného ingotu od spodního k hornímu konci, což zamezí makrosegregaci a sníží mikrosegregaci. Odstranění oxidů je možné dosáhnout pomocí fyzikálních nebo chemických procesů. Méně stabilní oxidy (nebo nitridy) jsou tepelně rozloženy nebo redukovány uhlíkem přítomným ve slitině a odstraněny prostřednictvím plynné fáze. Ovšem ve speciálních slitinách a vysoce legovaných ocelích jsou nekovové inkluze, jako například Al 2 O 3 nebo karbonitridy titanu, velmi stabilní. Určité odstranění takových inkluzí je možné flotací při přetavení, ostatní zbytkové inkluze se přerozdělí napříč ingotem. Základní charakteristiky procesu: Průměr ingotu do 1500 mm; Hmotnost ingotu do 50 tun; Elektroda je tavena pomocí oblouku ze ss proudu ve vakuu (elektroda je záporná, roztavená lázeň kladná); Proudy pro přetavení do 40 ka; Rozsah vakua: 1 0,1 Pa (některé aplikace do 1000 Pa); Odvažovací systém elektrody; Koaxiální přívod proudu; Počítačově řízený proces: řízení délky oblouku, rychlosti natavování, sběr dat, výtisk záznamu tavby, aj.) Pomocí této metody tavení jsou připravovány například reaktivní kovy, jako je titan, zirkonium a jejich slitiny pro letecké, chemické, lékařské aj. odvětví, superslitiny pro letectví, vysokopevnostní oceli pro O kroužky startovacích raket nebo pro vysokotlaká potrubí, oceli pro kuličková ložiska. 1.3.3 Tavení pomocí indukčního ohřevu V indukční peci (angl. Induction furnace) je prostřednictvím střídavého proudu procházejícího přes dutou, vodou chlazenou měděnou cívku (Obr.1.5a) vyvoláno magnetické pole, které umožní vznik vířivých proudů ve vsázce. Tyto proudy ohřívají a/nebo natavují materiál. Indukovaný proud ve vsázce generuje sekundární magnetické pole (Obr.1.5b), které umožňuje mechanické promíchávání roztaveného materiálu. Výhodou těchto zařízení je, že vlivem intenzivního promíchávání se materiál taví s chemickou i tepelnou homogenitou, což ovlivní i jeho výsledné strukturní i mechanické vlastnosti. Pece umožňují ve srovnání s ostatními zařízeními energeticky účinný, čistý a snadno řízený proces. Ve slévárnách jsou tato zařízení instalována místo kupolových pecí, protože dovolují snížit emise prachu a dalších znečišťujících látek. Kapacita zařízení se různí, od jednoho kilogramu až po sto tun vsázky a využívají se jak pro tavení železa a ocelí, tak mědi, hliníku i ušlechtilých kovů. Nevýhodou pro použití ve slévárnách je omezená možnost rafinace, vsázka nesmí obsahovat produkty oxidace a musí mít definované složení, navíc může dojít ke ztrátě některých legujících příměsí vlivem oxidace a musí být tedy do taveniny znovu doplněny. Velikost míchání závisí přímo na velikosti indukovaného proudu a nepřímo na odmocnině frekvence v peci. Nevhodný výběr frekvence vede buď k příliš malému, nebo příliš intenzivnímu míchání a k podstatnému omezení při natavování. Přílišné míchání zvedá taveninu v peci vzhůru, mimo stěny Monika Losertová, FMMI, VŠB-TU Ostrava, 2014 13

1. Metody přípravy speciálních slitin pece a vystavuje taveninu působení vzduchu. Kyslík ze vzduchu reaguje s většinou prvků v tavenině, takže tento jev vede k velkým ztrátám slitiny oxidací taveniny. Pracovní frekvence se pohybují od 50 až 60 Hz do 400 khz nebo výše v závislosti na připravovaném materiálu, kapacitě (objemu) pece a požadované rychlosti tavení. Obecně čím menší je objem taveniny, tím vyšší frekvence v peci se používají; to je dáno hloubkou vnikání, která je měřítkem vzdálenosti, kterou může střídavý proud proniknout pod povrch induktoru. Při stejné vodivosti mají vyšší frekvence mělčí hloubku pronikání, což znamená i menší průnik do taveniny. Nižší frekvence mohou vyvolávat míchání nebo turbulence v tavenině kovu. Proud ve vsázce 1- horní víko 2- přívod chladící vody 3- kryt 4- cívka pro ohřev 5- tepelná izolace 6- keramický kelímek 7- konstrukční prvky Střídavý proud na cívku Magnetické pole se obrací v polovině cyklu Proud v cívce Obr. 1.5 Schéma a) indukční pece a b) indukovaných proudů (Upraveno podle [6,7]) Indukční pec během procesu vydává různé zvuky, jako např. bzučení nebo vrnění (vlivem magnetostrikce), jejich intenzita může pomoci operátorovi určit, zda proces probíhá správně nebo zda je úroveň výkonu správná. Při indukčním tavení na vzduchu (angl. Air induction melting - AIM) je nejprve roztaven prvek s nejvyšší teplotou tavení T m, z důvodu nebezpečí prosakování (např. Al) přes kelímek, což může způsobit poškození indukčního vinutí. Teprve potom je přidán Al, což vyvolá náhlé zvýšení teploty kelímku až o stovky C. To vede ovšem k oxidaci Al a legujících prvků (propal Al). Příkladem může být klasická výroba intermetalické slitiny IC-50 (Ni 3 Al s Cr,Mo,Zr a B). Nejprve je roztaven Ni s legurami, teprve pak přidán Al. Během 1minuty teplota stoupne z 1600 na 2300 C. Po několika minutách na 2100 C dojde k propalu Al, neboť oxidace Al (i Zr) je reakce více exotermní než vznik aluminidu. Jako materiál pro kelímky se při indukčním tavení používá Al 2 O 3, Zr 2 O 3 nebo mulit. V případě vysoce reaktivních kovů a slitin nebo vysoce čistých materiálů může být indukční tavení prováděno ve vakuu. V tom případě má vakuové indukční tavení (angl. Vacuum induction melting - VIM) další výhody, jako například nízké ztráty legujících prvků vlivem oxidace, dosažení téměř přesného složení materiálu a odstranění rozpuštěných plynů. Indukční pec je v tomto případě uzavřená v ocelové komoře (Obr.1.6), pomocí vakuového čerpadla se dosáhne vakua 0,133 Pa. Plnění pece může být kontinuální nebo diskontinuální (s přístupem vzduchu). Navážky se podle velikosti pecí pohybují od 1 kg do 30 tun. Výhody VIM vysoká spolehlivost a produktivita; úspora surovin - přesné výsledné složení základního a legujících prvků; vyšší účinnost: nezávislé nastavení teploty, vakua, plynné atmosféry, tlaku a transportu materiálu mícháním taveniny; úspora energie; účinné odplynění taveniny nízké obsahy plynů (kyslík, vodík, dusík) v tavenině; Monika Losertová, FMMI, VŠB-TU Ostrava, 2014 14

1. Metody přípravy speciálních slitin odstranění nežádoucích prvků s vysokou tenzí par; tavení v bezkyslíkové atmosféře (omezení vzniku oxidických inkluzí, zamezí oxidaci reaktivních prvků); flexibilita díky různé velikosti vsázky; rychlá změna programu pro různé typy slitin a ocelí; nízké ztráty legujících prvků vlivem oxidace; přesné řízení teploty; nízké znečištění okolí z odcházejících prachových částic; možnost volby vakua, řízené atmosféry, normální nebo reaktivní atmosféry; možnost volby systému čerpadel; vysoká úroveň provozní bezpečnosti a dobrá přístupnost. Technologie VIM je určena pro reakce závislé na tlaku (jako jsou reakce uhlíku, kyslíku, dusíku a vodíku). Velký praktický význam má také odstranění škodlivých těkavých příměsí Sb, Te, Se a Bi ve vakuové indukční peci. Příkladem pro všestranné použití metody je dezoxidace superslitin pomocí přesného monitorování tlakově závislé reakce přebytku uhlíku. U jiných slitin než superslitin mohou být kvalita materiálu a specifické složení zajištěny pomocí oduhličení, odsíření nebo selektivní destilace ve vakuově indukční peci. U vysoce pevných slitin pracujících za vysokých teplot mohou být díky vysokému tlaku par většiny nežádoucích stopových příměsí tyto prvky odstraněny destilací během VIM až na velmi nízké obsahy. Úroveň vakua při rafinaci se v závislosti na produktu a na technologii pohybuje v rozmezí 10-1 až 10-4 mbar (10 1-10 -2 Pa). Procesem VIM je možné dosáhnout vysoké kvality slitin. Čistota tavenin se zajišťuje pomocí následujících kroků: kontrola atmosféry v peci, zejména netěsností a rychlosti desorpce; výběr stabilních žáropevných materiálů pro kelímek; míchání a homogenizace elektromagnetickým mícháním nebo afinačním plynem; přesné řízení teploty, aby se zabránilo reakcím taveniny s kelímkem; vhodné metody odstruskování a filtrování během odlévání; použití vhodné žlabové nebo mezipánvové metody pro lepší odstranění oxidů. Obr. 1.6 Schéma typické jednokomorové pece pro VIM a odlévání [8]. Navážka: 0,5 15 metrických tun Nevýhody VIM Metalurgické operace na odstranění síry a fosforu jsou ovšem omezeny. Následné zpracování ingotů Ve speciálních případech (např. rotující součástí motorů) je požadována vysoká kvalita slitin z hlediska čistoty a primární struktury, která nelze dosáhnout pouze pomocí VIM. Speciální materiály jsou tedy přetavovány v několika krocích, jako je například postupné trojnásobné tavení pomocí VIM, ESR a VAR. Možné způsoby následného zpacování speciálních slitin po VIM pomocí přetavení a/nebo zařazení dalších tepelně-mechanických operací pro přípravu jak objemových produktů, tak povlaků pro specifické aplikace, jsou schematicky znázorněny na Obr.1.7. První operaci představuje primární tavení pomocí VIM se vsázkou z nové nebo recyklované suroviny, následuje tváření na plechy, tyče, dráty, sochory nebo sekundární přetavení plazmové, elektronové, ESR, VAR, sprejové tvarování, přesné lití nebo rozprašováním, konečné zpracování zahrnuje tváření, práškovou metalurgii, nástřiky povlaků, přípravu produktů s různou krystalickou strukturou (rovnoosá nebo směrově usměrněná zrna a monokrystaly). Monika Losertová, FMMI, VŠB-TU Ostrava, 2014 15

1. Metody přípravy speciálních slitin Obr. 1.7 Schématické řazení operací při výrobě produktů nebo povlaků ze speciálních slitin. [8] 1.3.4 Tavení se studeným kelímkem Tavení se studeným kelímkem (angl. Skull melting) je technologie využívající natavování vsázky ve vodou chlazeném kelímku, kdy roztavený materiál vytváří na stěnách tuhou vrstvu, tzv. krustu, tím brání v přímém kontaktu kelímku s taveninou, takže nedochází k tak výraznému znečištění výsledného materiálu. Podle typu ohřevu je možné tento proces provádět pomocí elektrického oblouku nebo indukčně. Konkrétní využití při přípravě titanových slitin uvádí kap.3. V TAB. 1.1 jsou shrnuty kovy a slitiny, které se dají připravit pomocí technologie ISM. TAB.1.1 Kovy a slitiny připravené pomocí ISM metody (vysvětlivka: * -slitina dle požadavků zákazníka) Na bázi titanu Aluminidy titanu Na bázi zirkonia Na bázi niklu ostatní CP Ti (Grade 1, 2, 3, 4) Na bázi TiAl (γ) Čisté Zr (Grade 702) Čistý nikl Cu a Cu slitiny Ti 12Pd (Grade 7, 8) Na bázi Ti 3 Al (α 2 ) Zr 2,5Nb C201 Cr Ti 6Al 4V (Grade 5) TiAlNb (orthorombická) Zircalloy 2 NiAl Co slitiny Ti 6Al 4V ELI Slitina TiAl * Zircalloy 4 Ni 3 Al Sn slitiny Ti 6 2 4 2 Slitina Zr * IN 718 Al a Al slitiny Ti 15 3 3 3 Amorfní slitiny IN 713 Nb slitiny Ti 3 8 6 4 4 IN 792 Fe slitiny Ti 55Ni (Nitinol) MAR M247 60Nitinol Slitina Ni * Slitiny beta Slitina Ti * Vakuové obloukové tavení se studeným kelímkem Při tomto procesu (angl. Vacuum Arc Skull Melting and Casting ASM) se všechny operace provádí ve vakuově utěsněné komoře. Elektroda z titanu nebo slitiny titanu se přiblíží k vodou chlazenému měděnému kelímku. Mezi elektrodou a kelímkem vznikne oblouk, a protože kelímek je ochlazován vodou, vzniká na povrchu kelímku, jak bylo již napsáno výše, krusta titanu, která zamezí Monika Losertová, FMMI, VŠB-TU Ostrava, 2014 16

1. Metody přípravy speciálních slitin přímému kontaktu taveniny s kelímkem. Jakmile je v kelímku požadované množství roztaveného kovu nebo slitiny, je provedeno odlévání do licí formy přímo ve vakuové komoře (Obr.1.8). Obr. 1.8 Schéma moderního polokontinuálního vakuového zařízení pro obloukové tavení se studeným kelímkem s navážkou až do 1000 kg [9]. 1 systém rychlé navážky, 2 kabely pro přívod energie, 3 zdroj, 4 - posuvný držák elektrody, 5 odtavná elektroda, 6 - kelímek s krustou, 7 posuvný nosník kelímku, 8 mezipánev, 9 odlévací soustava, 10 vakuovací systém, 11 systém pro odstředivé lití Vakuové indukční tavení se studeným kelímkem Všechny operace procesu (angl. Vacuum induction skull melting, dále jen ISM) se provádí ve vakuově utěsněné komoře. Rozdíl oproti ASM je ve způsobu ohřevu, který je zajištěn ohmickými ztrátami způsobenými vířivými proudy v tavenině. Vířivé proudy vznikají v důsledku elektromagnetického pole při průchodu proudu indukční cívkou. Obr. 1.9 Zařízení pro vakuové indukční tavení: sestava kelímek/vinutí pro tavení bez použití keramiky. Měděný kelímek chlazený vodou je segmentován, jeho palisádová stěna je tvořena z měděných trubek (obr.1.9). Indukované pole se vytvoří ve slitině uvnitř kelímku, takže kelímek se nenahřívá. Natavená slitina utuhne na stěnách segmentovaného kelímku za vzniku tenké krusty na jeho povrchu. Tavené kovy, jako např. titan, mají nízkou tepelnou vodivost, takže tato krusta izoluje roztavený kov od chladícího účinku kelímku. Efektivní příkon je tak vysoký, že roztavený kov částečně levituje (Obr. 1.10), vzniká kupole taveniny, což následně snižuje tepelnou výměnu mezi taveninou a krustou. To Monika Losertová, FMMI, VŠB-TU Ostrava, 2014 17

1. Metody přípravy speciálních slitin vede k vyššímu přehřátí a vlivem míchání pomocí indukovaných proudů je rozdělení teplot v tavenině homogenní. Indukční tavení se studeným kelímkem (bezkelímkové) překonává omezení klasického tavení. Proces umožňuje tavení materiálů s vysokou T m (3000 K a více) a využít výhody přesného lití materiálů jak na bázi Ti, tak i jiných intermetalických sloučenin, včetně zkrácení cyklu ve srovnání s vakuovým indukčním tavením (VIM). Kontaminace materiálu, typická pro VIM s keramickými kelímky, v tomto případě neprobíhá díky vodou chlazenému měděnému kelímku. Bezkonkurenční je rovněž možnost zpracování vratných odpadů. Metoda ISM je velmi přitažlivá z hlediska přípravy velkého množství vysokotavitelných materiálů citlivých na kontaminaci s možností přípravy různých odlitků s vysokou kvalitou a nízkou cenou. Obr. 1.10 Schéma indukčního zařízení produkujícího elektromagnetického pole, které umožňuje levitaci kovu, vznik kupole taveniny a krusty na dně kelímku. Elektromagnetické míchání (vířivými proudy) vede k homogennímu rozdělení teplot a složení uvnitř taveniny (Upraveno podle [10]) Energetická bilance procesu ISM Stejně jako pro indukční ohřev i zde platí, že požadovaný elektrický výkon závisí na zvolené pracovní frekvenci, která musí být přizpůsobena elektrické vodivosti taveniny a velikosti kelímku. Elektromagnetické pole je absorbováno nejen v tavenině, ale rovněž v indukční cívce a kelímku. Ohmické ztráty mohou být značné při nevhodně zvolené frekvenci a mohou nepříznivě ovlivnit úspěšný start ISM procesu z hlediska omezeného výstupního příkonu RF zdroje. Proces tavení je vnitřně limitován tepelným tokem z taveniny přes krustu do kelímku, kde teplo je odváděno chladící vodou. Další ztráty tepla mohou být způsobeny radiací, zejména z taveniny v kelímku s velkým průměrem. Pro celkovou energetickou bilanci musí být ztráty nahrazeny ekvivalentní absorpcí energie v tavenině. Pro daný RF přívod se dá z energetické bilance vypočíst objem taveniny. Při výpočtech se uvažují elektromagnetický výkon absorbovaný v tavenině P me a tepelný výkon vystupující z taveniny P th, v závislosti na poloměru taveniny r me a na velikosti indukčního proudu (I 1 > I 2 > I 3 > I 4 ) a frekvence, jak je uvedeno na Obr.1.11. Křivky pro výkon absorbovaný v tavenině P me a tepelný výkon uvolněný z taveniny P th pro různé indukční proudy jsou znázorněny pouze schématicky bez konkrétních hodnot, ale pro většinu hodnot r me se P me liší od P th. Pro dostatečně vysoké indukční proudy (tzn. pro rostoucí dodávku výkonu do taveniny) se obě křivky protnou ve dvou bodech. Bod A na Obr.1.11 odpovídá stabilní rovnováze poloměru taveniny r me, protože P th nárůst je větší než nárůst P me pro mírně větší r me, a obráceně pro mírně menší r me. V důsledku toho se systém při stabilním poloměru sám stabilizuje. Bod B odpovídá nestabilní rovnováze a nebudeme jej dále blíže diskutovat, protože v čisté formě je při ISM procesu tento stav spíše nežádoucí a bývá maskován ději při spuštění procesu. Samostabilizující Monika Losertová, FMMI, VŠB-TU Ostrava, 2014 18

1. Metody přípravy speciálních slitin účinek se objevuje pro všechny poloměry taveniny r me r B (šedý úsek v Obr. 1.11). Šířka stabilní oblasti závisí na frekvenci a klesá typicky pro nižší frekvence (Obr. 1.11 vpravo). Tento stav se sleduje pomocí výpočtů stability roztavené zóny. Obr. 1.11 Absorbovaný elektromagnetický výkon v tavenině (P me ) a tepelný výkon vystupující z taveniny (P th ) v závislosti na poloměru taveniny r me pro různé indukční proudy I 1 >I 2 >I 3 >I 4 a frekvence. Bod A: stabilní rovnováha, bod B: nestabilní rovnováha. Malé šipky mezi křivkami označují účinek stabilizace/destabilizace pro malé odchylky od rovnovážných bodů. Vybarvená plochy označují stabilní oblast při vysoké (vlevo, indukční proud I 2 ) a nízké frekvenci (vpravo, indukční proud I 4 ) (Upraveno podle [11]) Ztráty v kelímku, cívce a tavenině při ISM Vztahy pro vyjádření ztrát a elektromagnetické účinnosti zahrnují parametry související s cívkou, kelímkem a taveninou. Při výpočtech se rozměr cívky, kelímku a taveniny okolo osy souměrnosti uvažuje jako nekonečná délka (tedy nestejnorodost pole v osové souměrnosti se zanedbává); pro konečnou délku se naopak udávají pro absorbovaný výkon konečné hodnoty. Parametry a naměřené veličiny v případě experimentální tavby [11] jsou uvedeny v TAB.1.2. Ztráty příkonu a tepelné ztráty Pro zjednodušení výpočtů tepelných ztrát z taveniny se omezíme jen na ztráty vedením tepla přes krustu a zanedbáme ztráty radiací (vyzařováním). Pak tepelné ztráty, tedy tepelný výkon vystupující z taveniny je dán: (1.1) Pro určení absorbovaného výkonu v cívce P co, kelímku P cr a v tavenině P me se používá ekvivalentní elektrický obvod systému ISM (Obr.1.12). Ve schématu na Obr.1.13 jsou uvedeny pouze ohmické ztráty a zahrnují pouze nereaktivní části. V obvodu cívky musíme zahrnout další odpory R me a R cr, které se vyskytují vlivem přítomnosti kelímku a taveniny uvnitř cívky. Ze vztahu (1.2) P = R (I co ) 2 můžeme získat odpovídající ztráty P co, P cr a P me. Monika Losertová, FMMI, VŠB-TU Ostrava, 2014 19

1. Metody přípravy speciálních slitin TAB.1.2 Parametry a jejich popis pro výpočet energetické bilance při ISM procesu [11]. Parametr a popis Naměřená hodnota P me tepelný příkon vystupující z taveniny P th absorbovaný elektromagnetický příkon v tavenině I indukční proud h me výška taveniny 34 mm r me poloměr taveniny 17 mm r cr vnitřní poloměr kelímku 25 mm h cr výška kelímku (vnitřní) 150 mm n cf počet prstů závitů 18 - d cf průměr prstů chlazení 10 mm n co vinutí cívky 5 - d ct průměr trubky cívky 6 mm d ci vnitřní průměr cívky 90 mm h co výška cívky 54 mm l co délka trubky cívky ( = n co π(d cf +d ci ) ) 1508 mm ρ co rezistivita cívky (Cu @ RT) 1,7.10-8 Ωm ρ c rezistivita kelímku (Cu @ RT) 1,7.10-8 Ωm ρ me rezistivita taveniny (ZrO 2 @ T m ) 1,0.10-3 Ωm λ sc tepelná vodivost Skull krusty 1,5 W/mK T me teplota tavení (zde: T m (ZrO 2 ) ) 2750 C T cw teplota chladicí vody 40 C I co proud v cívce induktoru (RMS) 44,2 A f pracovní frekvence 3,82 MHz Obr. 1.12 Příčný řez ISM kelímkem [11]: A: objem taveniny, B: slinovaná krusta, C: kelímek s palisádovou stěnou(vodou chlazené měděné trubky), D: indukční cívka, E: dno kelímku, F: zhutněný prášek ZrO2. Symboly rozměrů odpovídají parametrům v TAB.1.1. Obr. 1.13 Ekvivalentní elektrický obvod pro ISM systém [11]. Dodatečné odpory R cr and R me v obvodu cívky. Monika Losertová, FMMI, VŠB-TU Ostrava, 2014 20

1. Metody přípravy speciálních slitin Ztráty v cívce V uvažovaném rozmezí frekvencí (100 khz až 10 MHz) je vliv pláště zřetelný ve všech měděných součástech, ohmické ztráty v těchto částech mohou být vypočteny s dobrým přiblížením za předpokladu, že vrstva pláště má konečnou tloušťku δ (tloušťka pláště) s konstantní hustotou proudu uvnitř této vrstvy a s nulovým proudem v tloušťce materiálu. Podle tohoto modelu (Obr.1.14) dostaneme: (1.3) Obr. 1.14 Plášť chladicích palisád (prstů) kelímku (vlevo) a trubka induktoru (vpravo) se směrem proudu (I) [11]. Skutečná distribuce hustoty proudu je přibližná za předpokladu, že vrstva pláště má konstantní hustotu proudu Ztráty v kelímku Proudy v chladicích palisádách (prstech) kelímku jsou indukovány RF polem cívky induktoru. V souhlase s energetickou bilancí (uvedeno výše) můžeme předpokládat, že tyto proudy jsou limitovány na části chladicích prstů, které jsou uloženy uvnitř cívky. Uvažujeme-li, že proudy v chladicích palisádách musí odstínit jejich vnitřek od magnetického pole cívky, spojeného s proudem v cívce I co, dostaneme vztah: (1.4) Ztráty v tavenině Na rozdíl od tloušťky pláště v měděných součástech (δ co, δ cr ) může být tloušťka taveniny δ me srovnatelná velikostně s poloměrem taveniny v závislosti na rezistivitě taveniny (ρ me ) a frekvenci (f). V tom případě neplatí aproximace, kterou jsme provedli v předcházejících odstavcích pro ztráty v cívce a kelímku, a musíme si odvodit vztah pro ztráty v tavenině R me z obecného řešení níže uvedené rovnice pro tvar nekonečně dlouhého válce. (1.5) kde bezrozměrné elektrické pole E d je dáno (1.6) kde R(z) je reálná část z, k = (1-i) / δ me je komplexní vlnové číslo a J n (z) je Besselova funkce 1.druhu, n-tého řádu. Pro zjednodušení předpokládáme elektricky izolující krustu a teplotně nezávislou rezistivitu taveniny. Tato aproximace je správná přinejmenším pro iontové vodiče, jako jsou oxidy, které jsou známé prudkým poklesem rezistivity s rostoucí teplotou až do teploty tavení (tzn. studená krusta na stěně kelímku má vyšší rezistivitu než tavenina) a více méně konstantní rezistivitu nad T m. Korekční Monika Losertová, FMMI, VŠB-TU Ostrava, 2014 21

1. Metody přípravy speciálních slitin faktor h me / h co bere v úvahu, že výška taveniny je obvykle menší než výška cívky. Rezistivita taveniny ρ me je zahrnuta v následujícím vztahu a ve výše definovaném k. (1.7) Pokud rovnici vezmeme jako závislou pouze na ρ me (všechny ostatní parametry jsou neměnné), pak vztah pro R me není monotónní, tzn. že jeho převrácená hodnota vzhledem k ρ me je multifunkce. Hodnota ρ me nemůže být určena pouze ze vztahu pro R me, i když jsou všechny ostatní parametry známy z experimentu. Z tohoto důvodu je nutné provést různá měření, jako např. měření komplexní impedance ISM systému, nebo ρ me musí být určeno z několika experimentů s proměnnými parametry. Příkon absorbovaný na cívce, kelímku a v tavenině je znázorněn na Obr. 1.15 a na základě skutečných parametrů uvedených výše (TAB.1.2). S počáteční hodnotou P th = P me (5060 W), můžeme výše uvedené rovnice použít pro výpočet proudu v cívce pro danou frekvenci: (1.8) Následně je možné vypočítat ztráty v cívce a v kelímku. Elektromagnetická účinnost Elektromagnetická účinnost cívky η co, kelímku η cr a taveniny η me je definována dle: (1.9) kde Velikost ztrát na cívce, kelímku a v tavenině v závislosti na pracovní frekvenci f je přehledně znázorněna na Obr.1.15. pro případ tavení materiálu ZrO 2, křivky byly vypočteny z analytického modelu. Obr. 1.15 Absorbovaný příkon na cívce, kelímku a v tavenině pro tavení ZrO 2, vlevo: absolutní hodnoty (konst příkon v tavenině P th = 5060W), vpravo: procentuální poměr z celkově absorbovaného příkonu (/činnost). Vertikála udává frekvenci při 2δ me = r me (Upraveno podle [11]) Monika Losertová, FMMI, VŠB-TU Ostrava, 2014 22

1. Metody přípravy speciálních slitin 1.3.5 Tavení pomocí elektronového svazku Tavení pomocí elektronového svazku (angl. Electron beam melting EBM) je metoda charakteristická svou vysokou rafinační schopností a vysokým stupněm flexibility zdroje ohřevu. Z těchto důvodů je ideální metodou pro přetavení a čištění kovů a slitin ve vysokém vakuu ve vodou chlazených měděných kokilách. V současnosti je proces využíván zejména pro výrobu vysokotavitelných a reaktivních kovů (Ta, Nb, Mo, W, V, Hf, Zr, Ti) a jejich slitin. Proces hraje důležitou roli při přípravě naprašovacích terčíků a slitin pro elektroniku, jakož i při recyklacích titanového šrotu. Princip metody Jak už z názvu metody vyplývá, jsou zdrojem tepla volné elektrony, které jsou emitovány přímým průchodem proudu s povrchu rozžhavené katody a jejíž teplota může dosáhnout až 2800 C. Ve stejnosměrném elektrickém poli se elektrony urychlují pomocí urychlovacího napětí ( 25-45 kv) a koncentrují do úzkého svazku pomocí speciálních fokusačních systémů, poté vysokou rychlostí (blízkou rychlosti světla) dopadají na povrch kovu, který má být taven. Materiál pro tavení (kov, slitina) je zapojen v obvodu jako anoda. Po dopadu elektronů na anodu se jejich kinetická energie přeměňuje téměř úplně na teplo. Pro zajištění stability ohřevu a ochrany vzorku před znečištěním se používají speciální katodové uzly, které umožňují fokusovat elektronový svazek tak, aby nedocházelo k vzájemné kontaminaci zdroje elektronů (obvykle wolframové katody) a přetavovaného (případně rafinovaného) materiálu. Řízení celého procesu probíhá automaticky pomocí PID regulátoru, v případě nutnosti může regulaci provádět obsluhující personál. Pro vědecké účely a pro menší tavící výkony jsou využívány kruhové katody (Obr. 1.16), v průmyslu se používají tzv. elektronová děla, pomocí kterých je možné v bodě dopadu paprsku překročit teplotu tavení nebo dokonce teplotu varu u všech materiálů. Dva a více takových zdrojů elektronů jsou symetricky rozmístěny v horizontální rovině okolo taveného materiálu (Obr.1.17 a 1.18). Elektronová děla jsou upevněna stacionárně, zatímco tavený materiál ve formě tyče vykonává vertikální translační pohyb a současně rotuje kolem své osy. Toto uspořádání zabezpečuje účinnou ochranu taveného kovu před znečištěním z katody, ale také velice jemnou fokusaci elektronového paprsku. Obr. 1.16 Princip elektronového ohřevu [12] 1 - kov ve formě tyče určený k přetavení (anoda), 2 - roztavená zóna, 3 - fokusátor, 4 - wolframová kruhová katoda Obr. 1.17 Průmyslová elektronová pec Monika Losertová, FMMI, VŠB-TU Ostrava, 2014 23