Elektronenstrahlschmelzanlage

Das Elektronenstrahlschmelzen (bzw. EB – Electron Beam Melting) zeichnet sich durch keramikfreies Schmelzen unter Hochvakuum aus und nutzt die herausragende Flexibilität des hochenergetischen Elektronenstrahls als Energiequelle.

Ursprünglich für das Schmelzen von hochschmelzenden Metallen wie Hafnium, Niob, Molybdän, Tantal und Wolfram entwickelt und immer noch verwendet, wird das Verfahren heute auch im großtechnischen Maßstab für die reaktiven Metalle Titan, Zirkonium und Vanadium eingesetzt.

Das Elektronenstrahlschmelzen erlaubt die Herstellung hochreiner Werkstoffe und Legierungen, die vielfältigen Einsatz in der Elektronikindustrie, in der Medizintechnik und in der Luft- und Raumfahrt finden. Beispiele dafür sind Sputtertargets, Stents, hochreine Niobkavitäten für Beschleuniger und rotary grade Titanlegierungen.

ALD bietet Komplettlösungen für eine Vielzahl von Anlagenkonfigurationen:

  • EB-Öfen für das Abtropfschmelzen
  • EB-Öfen für das Herdüberlaufverfahren
  • EB-Öfen für die Vorserienproduktion
  • EB-Laboröfen
  • EB-Knopfschmelzen
  • EB-Zonenschmelzen

Zusätzlich zur Lieferung der Komplettanlagen bietet ALD Serviceleistungen von der einfachen Montageunterstützung bis hin zur Komplettmontage an. Prozessunterstützung und Produktionsbegleitung durch ALD-Speziallisten können ebenso wie Training und Prozessentwicklung des ALD Elektronenstrahl-Schmelzservice zum Lieferumfang hinzugefügt werden.

Metallurgie des Elektronenstrahlschmelzverfahrens

Elektronenkanonen stellen Hochleistungs-Wärmequellen dar, die am Auftreffpunkt des Elektronenstrahls Temperaturen über dem Schmelz- oder sogar Verdampfungspunkt aller Werkstoffe erreichen können. Durch magnetische Ablenkung und schnelle, hochfrequente Scanvorgänge lässt sich der Elektronenstrahl präzise auf Arbeitsbereiche unterschiedlicher Form lenken. Damit stellt er die flexibelste Wärmequelle der gesamten Umschmelztechnik.

Am Auftreffpunkt entwickelt der Elektronenstrahl eine typische Leistungsdichte von 100 W/cm². Je nach Eigenschaften des zu schmelzenden Werkstoffs werden ca. 50-80 % dieser Leistung in den Werkstoff übertragen.

Das EB-Schmelzen ist ein Oberflächen-Schmelzverfahren und erzeugt bei akzeptablen Schmelzraten nur einen flachen Schmelzpool, was sich z.B. positiv auf die Materialstruktur hinsichtlich Porosität, Segregation und damit auf die Struktur des erzeugten Teils auswirkt.

Indem die überhitzte Metalloberfläche einem Hochvakuum von 1 – 0,0001 Pa ausgesetzt wird, ergibt sich eine ausgezeichnete Entgasung der Schmelze.

Modernste computergesteuerte Strahlsteuerungen erlauben je nach Einsatzfall sowohl langsames Abtasten der Schmelzbadfläche (Reinigung, Destillation von leichtflüchtigen Verunreinigungen) wie auch schnelles Abtasten, um lokale Überhitzung zu vermeiden. Dies ermöglicht heute die Herstellung von Legierungen mit engen Toleranzen vor allem in der Titanindustrie sowie auch das Schmelzen von verdampfungsempfindlichen Edelmetallen.

Prozessvarianten

Die hohe Flexibilität der EB-Wärmequelle führte zur Herausbildung verschiedener Umschmelzverfahren für den Einsatz im Labormaßstab bis hin zur industriellen Fertigung.

Horizontales und vertikales Abtropfschmelzen

Dies sind die ‚klassischen‘ Verfahren für die Verarbeitung hochschmelzender Refraktärmetalle wie z.B. Tantal und Niob.

Das Rohmaterial wird zumeist horizontal zugeführt und direkt in eine Stranggusskokille abgeschmolzen. Das Schmelzbadniveau wird durch Absenken des in der Kokille erstarrenden Ingots konstant gehalten. Die Reinigung des Materials wird durch selektive Verdampfung und Entgasung im Schmelzbad erzielt. Um die endgültige Güte zu erreichen, werden die Ingots mehrmals umgeschmolzen. Dazu wird die vertikale Abtropfschmelze verwendet, bei der der in der Erstschmelze erzeugte Ingot als rotierende Elektrode vertikal über dem Schmelzbad hängt und abgetropft wird.

Elektronenstrahl-Herdüberlauf-Schmelzen (EBCHR)

Dieses Verfahren ist speziell für die Verarbeitung und Wiederaufbereitung von Titanschrott und anderen reaktionsfreudigen Metallen von Bedeutung. Das Rohmaterial wird im Einschmelzbereich des wassergekühlten Kupferherdes aufgeschmolzen und fließt dann in flüssiger Form über den sogenannten Refiningbereich des Herdes und eine Abgusslippe in die Stranggusskokille.

Das Herdsystem bestehend aus Einschmelz- und Refiningbereich sowie den Überlauflippen wird so ausgelegt, daß bei entsprechender Verweilzeit der Schmelze im Herd eine effektive Abtrennung von Verunreinigungen mit hoher Dichte (HDI) und geringer Dichte (LDI) erzielt werden kann.

Knopf-Schmelzen

Dieses Verfahren zur Bewertung der Reinheit von Superlegierungsproben betrachtet die Art und Menge nichtmetallischer Einschlüsse niedriger Dichte. Zur Vorrichtung gehört das programmierbare, automatische Schmelzen der Proben sowie die kontrolliert gerichtete Erstarrung. Einschlüsse niedriger Dichte (z. B. Oxide) steigen dabei konzentriert in der Mitte der Schmelze auf und lagern sich oben auf dem erstarrten Knopf ab.

Zonenschmelzen

Dieses Verfahren kommt bei der Herstellung von Metallen höchster Reinheit zum Einsatz.

Ein kleiner Bereich einer senkrecht aufgehängten Elektrode wird durch eine Ringkathode verflüssigt. Unter Ausnutzung unterschiedlicher Löslichkeit der Verunreinigungen in der festen und flüssigen Phase des Grundwerkstoffs können so durch gezieltes Bewegen der flüssigen Zone entlang der Elektrode die Verunreinigungen an das Elektrodenende transportiert werden.

Prozesssteuerung

Elemente der Prozessautomatisierung:

  • Vakuumpumpensystem
  • Druckregelung
  • Kühlwassersystem
  • Materialzufuhr und Ingotabzug
  • Prozessorgestützte Hochspannungs- und Emissionsstromregelung
  • PC-gestützte, automatische Regelung der Elektronenstrahl-Leistung
  • Datenerfassung und -archivierung

Um prozessspezifische Leistungsverteilungen zu erreichen, müssen Ort und Verweildauer des Strahls exakt gesteuert werden.

Das von ALD entwickelte Strahlsteuerungs-System „ESCOSYS“ erlaubt dem Bediener die rezeptgestützte Bedienung mehrerer Kanonen gleichzeitig und kann so höchste Anforderungen an komplexe Strahlleistungsverteilungen erfüllen.

Die graphische Oberfläche ermöglicht eine einfache Zusammenstellung der Schmelzrezepte aus vordefinierten Ablenkmustern. Durch die Begrenzung der Ablenkmuster innerhalb der Arbeitsflächen wird die maximale Sicherheit des Anlagenbetriebs gewährleistet.

ALD Elektronenkanonen

ALD bietet drei selbstentwickelte EB-Kanonensysteme im Leistungsbereich bis 60, 300 und 800 kW Strahlleistung bei 25 bis 50 kV an, die über hochentwickelte Steuerungen für die Strahlablenkung verfügen.

Weitere Informationen sind erhältlich bei

Ulrich Biebricher, Fon: +49 6181 307 3297Ulrich.Biebricher@ald-vt.de
Jochen Flinspach, Fon +49 6181 307 3358Jochen.Flinspach@ald-vt.de
Dieter Kaufhold, Fon +49 6181 307 3291Dieter.Kaufhold@ald-vt.de