DE69227209T2

DE69227209T2 - Düsenanordnung zur kontinuierlichen Legierungsherstellung und Verfahren zur Herstellung der Düsenanordnung

Info

Publication number: DE69227209T2
Application number: DE69227209T
Authority: DE
Inventors: Yuan North Reading Massachusetts 01864 Pang; Erin Marie Scotia New York 12302 Perry; Hsin-Pang Rexford New York 12148 Wang
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1991-02-01
Filing date: 1992-01-29
Publication date: 1999-06-02
Anticipated expiration: 2012-01-30
Also published as: EP0501153B1; JPH0545070A; CA2059938C; CA2059938A1; JP3333537B2; DE69227209D1; EP0501153A1; US5164097A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Düse zum Einsatz bei einem Verfahren zur Legierungsherstellung und insbesondere zur Herstellung nicht verunreinigten geschmolzenen Titans oder von Titan-Legierungen.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Es ist anerkannt, daß eine der wichtigsten und dringendsten Bereiche der Mterialforschung in der kommenden Dekade der Fortschritt der Technologie zur Verarbeitung von Materialien für eine neue Generation von Materialien ist, die Metalle und Metall-Legierungen einschließen. So werden, als ein Beispiel, die Beseitigung oder wesentliche Verringerung der Material-Verunreinigungen und die Beseitigung oder wesentliche Verringerung der Anwesenheit von Fehlern in hergestellten Teilen oder Komponenten als hauptsächliche Engpässe bei der Verbesserung der Qualität von Flugzeug-Triebwerken hoher Leistungsfähigkeit angesehen, die in dieser Dekade und darüber hinaus gebaut werden.
Die Anstrengungen haben sich bisher auf die Herstellung von Metallpulvern hoher Qualität konzentriert, die bei der Fabrikation von Komponenten eingesetzt werden sollen, und die Konzentration auf die Produktion von Pulvern hoher Qualität, aus denen Komponenten hergestellt werden können, wird als eine Hauptstufe bei der Herstellung "sauberer" Materialien für Teile und Komponenten angesehen. Die Produktion von Titan und/oder Titan-Legierungen in Pulver- oder Barrenform ist von besonderer Bedeutung auf dem Gebiet der Flugzeug-Triebwerke wegen der Bedeutung des Titans und seiner Legierungen bei dem Entwurf und der Herstellung verbesserter Triebwerks- Komponenten. Ungeachtet der Anstrengungen bei der Entwicklung von Verfahren zur Herstellung von Metallpulvern hoher Qualität bleibt ein ernstes Problem bei der Herstellung qualitativ hochwertigen Titans und qualitativ hochwertiger Titan-Legierungen, daß die starke chemische Reaktionsfähigkeit flüssigen Titans zu unakzeptablen Mengen an Verunreinigungen in den Zwischenformen, wie Pulvern, oder im Endprodukt führt.
Wegen der hohen Reaktionsfähigkeit flüssigen Titans werden das Schmelzen des Titans oder der Ti-Legierung und das Ausgießen des flüssigen Titans oder der Ti-Legierung im allgemeinen nach einer Technik ausgeführt, die im Stande der Technik als Kaltherd- oder Schädel-Schmelzen bekannt ist. Ein Beispiel dieser Technik ist in der US-PS 4,654,858 beschrieben, die Rowe erteilt und der vorliegenden Anmelderin übertragen wurde. Andere Schädel-Schmelzkonfigurationen wurden auch im Stande der Technik offenbart, und alle diese können charakterisiert werden als einen Tiegel aufweisend, der das geschmolzene Titan festhält, wobei der Tiegel aus anderem Material als Titan hergestellt ist, und in den "Boden-Gieß"-Ausführungsformen eine Abgabedüse, die auch aus einem anderen Material als Titan hergestellt ist. Die Schädel-Schmelztechnik versucht das Problem einer Reaktion zwischen dem flüssigen Titan und den Tiegel- und Düsen-Materialien durch Entwickeln eines Schädels aus festem Titan zu vermeiden, der die inneren Oberflächen des Tiegels und der Düse bedeckt. Der Begriff "kontinuierlicher Schädel-Düsen-Prozess" wird hier benutzt, um allgemein auf Prozesse dieser Art hinzuweisen.
Während kontinuierliche Schädel-Düsen-Prozesse für eine Reihe von Jahren im Stande der Technik benutzt wurden, sind bei solchen Prozessen Probleme bestehen geblieben, insbesondere solche, bei der eine langgestreckte Boden-Ausgabedüse, wie sie in der EP-A-0 194 847 gezeigt ist, verwendet wird (verglichen mit einer Öffnung, wie sie in der obigen US-PS 4,654,858 gezeigt ist), da sich die Bildung und Regelung eines stabilen Schädels innerhalb der Düse als eine Haupthürde bei der Entwicklung beständiger zuverlässiger Prozesse zum Schmelzen und Abgeben flüssigen Metalls aus dem Tiegel erwiesen hat. Die beiden Hauptprobleme bei der Schädel-Bildung in der Düse sind das Schädel-"Zufrieren" und das Schädel-"Wegschmelzen". Das Zufrieren des Schädels verhindert das kontinuierliche Fließen des flüssigen Metalles aus dem Tiegel zu einer weiteren Vorrichtung, wie einer Schmelz-Spinnvorrichtung oder einer Vorrichtung zum kontinuierlichen Gießen von Barren. Das Wegschmelzen des Schädels hinterläßt das freigelegte Düsen-Material zur Reaktion mit dem flüssigen Titan oder der Titan-Legierung, was zu einer schnellen Verschlechterung der Düse entweder durch chemische Reaktion oder physische Erosion führt, und eine Verunreinigung des flüssigen Metalles durch Verunreinigungen aus der Düse ergibt.
Frühere Versuche zur Kontrolle des Schädel-Zufrierens oder zur anderweitigen Stabilisierung der Schädel-Geometrie in der Düse hatten Nachteile, die schließlich die vorgeschlagenen Lösungen unwirksam, unpraktikabel und in manchen Fällen unerwünscht machten. Bei einer solchen vorgeschlagenen Lösung wurde ein auf den Schädel angewendetes lokales Induktions- Erhitzen an der Düse versucht, um zu verhindern, daß das Düsen-Zufrieren stattfindet. Dieses Herangehen erwies sich, wegen des Haut-Effektes, der die erzeugte Wärme an den äußeren Abschnitten der Düse und des Schädels konzentriert, als unwirksam bei der Schaffung der erforderlichen Wärmedurchdringung, die für das Aufrechterhalten eines geschmolzenen Stromes im Zentrum der Düse erforderlich war. Der Haut-Effekt des Induktions-Erhitzens hat tatsächlich eine kontraproduktive Wirkung, da der größte Teil der Wärmeerzeugung an der äußeren Haut konzentriert wird, wo es erforderlich ist, daß eine Schicht des erstarrten Schädels beibehalten wird.
Das Konzept einer magnetischen Levitations-Düse wurde als ein aternatives Herangehen vorgeschlagen, um eine physische Tiegel- und Düsenstruktur zu schaffen, bei der der Kontakt zwischen dem Behälter oder der Umhüllung und dem flüssigen Titan oder der Titanlegierung beseitigt wird, und dadurch verhindert wird, daß irgendeine chemische Reaktion stattfindet. Wegen der begrenzten Stärke der Magnetkraft zeigt das Potential zum Ersetzen des Schädel-Tiegels und der -Düse durch eine Levitations-Düse, in Anbetracht des derzeitigen Niveaus der Technologie, fast keine Aussicht.
Die Levitations-Düse wurde zum Einsatz auf einer begrenzteren Basis vorgeschlagen, um nur den Schmelzenstrom zu begrenzen. Bei diesem Herangehen würde eine Induktionsspule benutzt werden, um den Schmelzenstrom durch Erzeugen eines Magnetfeldes zur Induzierung einer dünnen Schicht einer "Körperkraft" auf der Oberfläche des Schmelzenstromes zu begrenzen, wobei die Kraft im wesentlichen die gleiche Wirkung hat, wie das Erzeugen eines positiven hydrostatischen Druckes am Schmelzenstrom. Der Zweck dieser Art von Levitations-Umhüllung besteht darin, die Strömungsrate und den Durchmesser des Schmelzenstromes aus flüssigem Metall zu regeln, ohne sich spezifisch mit dem Problem der Beibehaltung einer stabilen Schädelgeometrie in der Düse zu befassen.
Selbst bei diesem begrenzteren Herangehen ist die Levitations-Düse aufgrund von Problemen beim Design der Induktionsspule und aufgrund von Problemen bei der Anwendung dieser Technologie zur Begrenzung des Schmelzenstromes, der Ausrichtung der Spule, der Stabilität des induzierten Stromes und der Interferenz und Kupplung des magnetischen Feldes, des komplizierten Spulendesigns und von Problemen mit der Schmelzstabilität, -Asymmetrie und des Spritzens unattraktiv. Da der Tiegel und die Düse weiter grundlegende Komponenten in einem System sind, das die Levitation benutzt, um den Durchmesser des Schmelzenstromes zu regeln, würden die komplizierte Kupplung und Wechselwirkung zwischen der Levitations-Düse und dem Gesamtsystem ungeheure experimentelle Anstrengungen erfordern, um das Konzept wertvoll zu machen. Vereinfachte Experimente können die Wechselwirkungen zwischen der Levitations-Kraft, der Düsengröße und der Bildung, dem Wachstum und der Kontrolle des Schädels nicht angemessen ansprechen.
Eine vorgeschlagene Lösung zum Erzielen eines erwünschten stationären, erstarrten Schädels in der Düsen-Region bei einem kontinuierlichen Schädel-Düsen-Prozess findet sich in der US- PS 5,060,914, die auf die vorliegende Anmelderin übertragen wurde. In dieser US-PS wurde eine systematische Untersuchung des kontinuierlichen Schädel-Düsen-Prozesses unternommen, und es wurde ein Prozess-Fenster identifiziert oder definiert, so daß eine Kontroll-Strategie ausgeführt werden konnte, um einen stationären, erstarrten Schädel in der Düsen-Region beizubehalten, bei dem weder ein Zufrieren noch Wegschmelzen des Schädels auftreten würde. Ein Verfahren zum Kontrollieren des geschmolzenen Metallflusses unter Benutzung eines Druckunterschiedes zwischen dem Inneren und Äußeren des Tiegels wurde in dieser US-PS vorgeschlagen, um das Ver fahren zu beherrschen und den Betrieb innerhalb des definierten Prozess-Fensters aufrechtzuerhalten.
Selbst mit diesem Prozess-Fenster gibt es eine Haupthürde bei dem kontinuierlichen Schädel-Düsen-Prozess, da der Strömungsradius an der kritischen Düsen-Region im allgemeinen zu gering ist, um das Bilden und Aufrechterhalten einer stabilen erstarrten Schicht zu gestatten, außer das Kühlen an der Düsen-Region ist bedeutsam. Es wurde bisher keine Lösung dieses speziellen Aspektes des kontinuierlichen Düsen-Prozesses vorgeschlagen, die einfach einen Betrieb des Prozesses innerhalb des definierten Prozess-Fensters gestattet, bei dem der stationäre, erstarrte Schädel beibehalten wird.
Die Verbindung zwischen inneren und äußeren ausschwenkbaren. Teilen durch Schrumpfen ist aus der EP-A-0 391 053 bekannt. Dieses Dokument befaßt sich jedoch nicht mit dem Verunreinigungs-Problem, mit dem sich die vorliegende Erfindung befaßt.
Die vorliegende Erfindung schafft daher ein Design für eine Düsenanordnung, die die Anwendung geeigneter Prozess-Kontrollen gestattet, um eine stabile erstarrte Schädelschicht innerhalb der Düse aufrechtzuerhalten.
Die vorliegende Erfindung schafft auch ein Verfahren zum Konstruieren einer Düse, die den Betrieb des Prozesses innerhalb des Prozess-Fensters gestattet, um eine stabile erstarrte Schädelschicht innerhalb der Düse aufrechtzuerhalten.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zum Konstruieren einer Ausgabedüse für geschmolzenes Titanmaterial geschaffen, das in einem Schädel-Schmelzverfahren benutzt werden soll, umfassend: Erhitzen eines kupfernen äußeren Wandteiles der Düse auf eine Temperatur, um dieses äußere Wandteil thermisch auszudehnen; Einführen einer inneren Auskleidung aus Titan oder Titanlegierung in eine durch eine innere Oberfläche des äußeren Wandteils gebildete Öffnung, wobei eine äußere Oberfläche der inneren Auskleidung eine größere periphere Abmessung aufweist als eine entsprechende Abmessung der Öffnung, wenn sich der äußere Wandteil in einem nicht ausgedehnten Zustand befindet, und Abkühlen des äußeren Wandteils, um das Zusammenziehen des äußeren Wandteils in Kontakt mit der inneren Auskleidung zu verursachen.
Das Schrumpf-Anpassen der Außenwand an die innere Auskleidung erzeugt einen erhöhten Kontaktdruck zwischen der Auskleidung und der Außenwand, verglichen mit dem Kontaktdruck, der durch bloßes Aufbauen einer erstarrten Schicht oder eines Schädels aus Titan oder eines anderen behandelten Metalles gegen eine innere Oberfläche einer Düse erzeugt wird. Die Zunahme des Kontaktdruckes erzeugt eine entsprechende Abnahme des Kontaktwiderstandes oder des Widerstandes für die Wärmeübertragung zwischen den beiden Materialien. Dieser Kontaktwiderstand ist eine wichtige Komponente des Koeffizienten der Gesamt-Wärmeübertragung an der Düse während des Betriebes des Gußverfahrens.
Wie bereits vorher in dieser Beschreibung ausgeführt, ist eine Schwierigkeit beim Betreiben eines kontinuierlichen Schädel-Düsen-Prozesses innerhalb eines definierten Prozess-Fensters zum Aufrechterhalten eines stationären, erstarrten Schädels das Erzielen einer angemessenen Wärmeübertragung in der Düsen-Region, um eine genügende Wärmemenge weg von der Düse zu tragen, um die erstarrte Schädelschicht aufrechtzuerhalten. Die Schwierigkeit beim Erzielen einer angemessenen Wärmeübertragung ergibt sich primär aufgrund von Beschränkungen bei der Größe des Strömungsradius in der Düse, die durch den Prozess auferlegt ist. Es wurde gemäß der vorliegenden Erfindung festgestellt, daß die Verringerung des Kontaktwiderstandes, die durch das Schrumpf- Anpassen der Außenwand der Düse gegen eine vorerstarrte Schädel-Auskleidung erfolgt, den Koeffizienten der Gesamt-Wärmeübertragung der Düsen-Struktur zu einem Wert erhöhen kann, bei dem der kontinuierliche Schädel-Düsen-Prozess innerhalb des definierten Prozess-Fensters ausgeführt werden kann.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung wird nun detaillierter beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, in der zeigen:
Fig. 1 eine im wesentlichen schematische Querschnittsansicht eines unteren Abschnittes einer Kaltherd-Tiegel- und -Düsen-Konfiguration, die zum Einsatz in einem kontinuierlichen Schädel-Düsen-Prozess geeignet ist,
Fig. 2 eine graphische Darstellung eines allgemeinen Prozess-Fensters zur Erzielung einer stationären, erstarrten Schädelschicht in einer Düse während eines kontinuierlichen Schädel-Düsen-Prozesses,
Fig. 3 eine graphische Darstellung eines repräsentativen Beispiels einer Abnahme des Kontaktwiderstandes in Abhängigkeit vom Kontaktdruck zwischen zwei Materialien und
Fig. 4A-4D im wesentlichen schematische Querschnitts-Darstellungen der Stufen beim Herstellen einer Düse mit einer durch Schrumpfen angepaßten Außenwand, die eine innere Auskleidung umgibt, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

In Fig. 1 ist eine Vorrichtung 10 in im wesentlichen schematischer Form dargestellt, die einen Tiegel oder ein Gießgefäß 12 und eine Bodendüse 14 umfaßt, wobei die Vorrichtung als ein Aufnahmegefäß zur Verwendung bei einem kontinuierlichen Schädel-Düsen-Prozess zum Schmelzen und Abgeben flüssigen Titans, einer flüssigen Titanlegierung oder eines anderen Metalles oder einer anderen Metall-Legierung benutzt wird. Während sich der Rest der detaillierten Beschreibung in erster Linie auf die Verarbeitung von Titan bezieht, sollte klar sein, daß die Erfindung gleichermaßen anwendbar ist auf kontinuierliche Schädel-Düsen-Prozesse zur Verarbeitung von Titanlegierungen und anderen Metallen und Metall-Legierungen.
Die Tiegelwand 16 und die äußere Düsenwand 18 sind vorzugsweise aus einem Material, wie Kupfer, hergestellt, das eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, und sie sind mit Kanälen 20 versehen, durch die ein Kühlmittel geleitet wird, um eine erhöhte Wärmeübertragung weg von den Tiegel- und Düsenwandungen zu bewirken. Es ist darauf hinzuweisen, daß in Fig. 1 nur ein unterer Abschnitt des Tiegels 12 dargestellt ist, und daß sich die Tiegelwand 16 vorzugsweise in einer hohlen zylindrischen Konfiguration oder in einer anderen geeigneten Konfiguration nach oben erstreckt, um ein genügendes inneres Volumen zum Halten einer erwünschten Menge einer geschmolzenen Legierung für einen gegebenen Prozess zu schaffen. Die äußere Düsenwand 18 ist mit einer entsprechenden Öffnung 26 im Boden der Tiegelwand 16 durch geeignete Mechanismen des Zusammenbaus verbunden.
Insbesondere im Falle der Titanverarbeitung hängt das hier als ein kontinuierlicher Schädel-Düsen-Prozess bezeichnete Verfahren von der Anwesenheit eines Schädels oder einer Schicht 22 aus erstarrtem Titan ab, um die Tiegel- und Düsenwandungen 16, 18 vom geschmolzenen Titan 24 zu isolieren, das durch die Bodendüse 16 für die weitere Verarbeitung abgelassen werden soll. Wie bereits erwähnt, hat das Titan in flüssiger Form eine sehr große chemische Reaktionsfähigkeit, so daß das Titan bei Abwesenheit dieses Schädels 22 fast sicher Verunreinigungen in Form gelösten Materials der Tiegelwandung, wie gelöstes Kupfer, aufnimmt. Frühere Prozesse haben einen solchen Schädel benutzt, doch waren diese Prozesse nicht in der Lage, beständig einen stabilen Schädel innerhalb der Düse zu bilden und zu kontrollieren, und bei solchen Verfahren traten üblicherweise Bedingungen des Zufrierens oder Wegschmelzens auf, wie sie oben beschrieben wurden, und die zu entsprechenden Unterbrechungen des Verfahrens führten.
Die vorliegende Erfindung erkennt, daß das Wachstum oder die Abnahme eines erstarrten Schädels innerhalb der Düse eine sehr komplexe Funktion ist, die viele Parameter einschließt, einschließlich der Eigenschaften des verarbeiteten Materials, der Geometrie der Gesamtvorrichtung und der Düse und der Verfahrens-Bedingungen. Weil das Aufrechterhalten eines stabilen, erstarrten Schädels die Kontrolle einer Phasenänderungs-Grenzfläche einschließt, gibt es komplexe Wechselwirkungen zwischen vielen Parametern und der Versuch, dem Einfluß eines oder mehrerer einzelner Parameter auf den Prozess und die Schädelbildung eine besondere Bedeutung zuzuschreiben, kann verwirrend und fehlleitend sein. Die in der US-A-5,060,914 offenbarte Erfindung, die auf die vorliegende Anmelderin übertragen ist und die durch Bezugnahme hier aufgenommen wird, zeigt ein systematisches Schema der Analyse, um die Parameter-Beziehungen zwischen verschiedenen Parametern zu bewerten, um ein Prozess-Fenster zu definieren, innerhalb dessen der kontinuierliche Schädel-Düsen-Prozess ausgeführt werden kann, wobei eine stabile Schädelgeometrie aufrechterhalten wird, die nicht dem Problem des Zufrierens oder Wegschmelzens des Schädels unterliegt.
Die Methode des Definierens eines Prozess-Fensters zieht verschiedene Material-Eigenschaften, nämlich die Wärmeleitfähigkeit des Materials, die Dichte, Wärmekapazität, Phasenänderungs-Temperatur und latente Wärme in Betracht. Das Verfahren zieht auch Verfahrens-Bedingungen, nämlich den inneren und äußeren Wärmeübertragungs-Koeffizienten, die Schmelzen-Überhitzung und die Kühlwasser-Temperatur in Betracht. Der innere und äußere Wärmeübertragungs- Koeffizient sind Funktionen der Reynolds-Zahlen und der Prandtl-Zahlen der Schmelzen- und Kühlmittel-Strömungen, und die Wärmeübertragungs-Koeffizienten können in jedem spezifischen Prozess entsprechend bestimmt werden.
Fig. 2 zeigt ein Prozess-Fenster Z, bei dem die schraffierte Fläche den Bereich der Düsengrößen in Form der dimensionslosen Düsengröße BiR und des Bereiches der Verarbeitungs-Bedingungen repräsentiert, die durch den dimensionslosen Parameter θhr, bestehend aus einem Wärmeübertragungskoeffizienten-Verhältnis und einem Überhitzungs-Temperaturparameter, in dem bei dem Verfahren ein stabiler Schädel aufrechterhalten wird, repräsentiert werden. Die bei der Gewinnung dieses allgemeinen Prozess-Fensters benutzten Stufen sind in der vorerwähnten US-A- 5,060,914 offenbart.
Die in Fig. 2 benutzten dimensionslosen Parameter sind in der oben angegebenen US-PS definiert und der Einfachheit halber unten wiederholt. Es ist zu bemerken, daß die in den Definitions-Gleichungen unten erscheinenden Parameter folgendes repräsentieren: h&sub1; ist ein "äußerer" Wärmeübertragungs-Koeffizient, der den Wärmeübertragungs-Koeffizienten an der Grenzfläche zwischen der erstarrten Schicht oder dem Schädel 22 und einer inneren Oberfläche der äußeren Düsenwandung 18 repräsentiert; h&sub2; ist ein "innerer" Wärmeübertragungs-Koeffizient an der Grenze zwischen der flüssigen Phase ds Metalles oder der Metall-Legierung und der festen Phase (des Schädels) des Metalles oder der Metall-Legierung; R ist der Radius der Öffnung der äußeren Düsenwandung 18, gemessen von einer Mittellinie zur inneren Oberfläche der äußeren Düsenwandung; k ist die Wärmeleitfähigkeit der festen Phase des verarbeiteten Metalles oder der Metall- Legierung; Tsup ist die Überhitzungs-Temperatur in dem flüssigen Metall oder der Metall-Legierung; Ta ist die Umgebungs-Temperatur und Tf ist die Phasenänderungs-Temperatur zwischen Flüssigkeit und Festkörper für das verarbeitete Metall oder die Metall-Legierung.
Die dimensionslose Düsengröße BiR der Fig. 2 ist definiert als:
BiR = h&sub1;R/k (1).
Der dimensionslose Parameter θhr der Verfahrens-Bedingungen ist definiert als:
worin θsup, eine dimensionslose Überhitzungs-Temperatur, selbst definiert ist als:
Wie in Fig. 2 ersichtlich, müssen, um das Verfahren innerhalb des Prozess-Fensters zu betreiben, zwei Kriterien erfüllt sein. Das erste Kriterium ist, daß der dimensionslose Düsen-Parameter BiR größer als eins (1) ist, das zweite ist, daß der dimensionslose Prozess-Parameter, θhr, einen Wert von weniger als eins (1) haben muß und größer sein muß als ein kritischer Prozess- Parameter θhrC, der folgendermaßen definiert ist:
θhrC = 1/BifC (4),
worin BifC ein kritischer Wert von Bif ist, einer dimensionslosen Biot-Zahl, die die dimensionslose Festkörper/Flüssigkeits-Phasenänderungslinie folgendermaßen definiert:
Bif = h&sub1;Rf/k (5),
worin Rf der Strömungsradius in der Düse ist, gemessen von der Mittellinie der Düse zur Linie der Grenzfläche Flüssigkeit/Festkörper.
Beim Entwickeln von Kontroll-Schemen zur Ausführung des Verfahrens innerhalb des definierten Prozess-Fensters wurde festgestellt, daß das Erfüllen des ersten oben genannten Kriteriums anfänglich ein ziemlich beträchtliches Hindernis für ein erfolgreiches Ausführen des Verfahrens war. Wie in Fig. 1 ersichtlich, verjüngt sich die innere Düsenwand zum Ausgang hin allgemein nach innen, was dazu führt, daß der Düsenradius R am Ausgang seinen kleinsten Wert hat, wo die kritische Stabilitäts-Region existiert. Schaut man in die obige Gleichung (1) und zieht die Werte der Wärmeleitfähigkeit (k) des Ti-Materials, den Wert einer üblicherweise benutzten Größe des Düsenradius (R) am Ausgang [in der Größenordnung von 1,27 cm (0,5 Zoll)] und den Wert des errechneten Wärmeübertragungs-Koeffizienten beim Kühlen auf der Grundlage eines Standard- Kontaktwiderstandes zwischen einer Titanschicht und einer Düsenwand-Oberfläche aus Kupfer in Betracht, dann errechnet sich für den dimensionslosen Düsen-Parameter ein Wert, der sehr viel kleiner als 1 ist, was das erste Kriterium für den Betrieb innerhalb des Prozess-Fensters verletzt. Der Begriff "Standard-Kontaktwiderstand" wird benutzt, um den Kontaktwiderstand zu beschreiben, der sich aus der Erstarrung des Titans aus einem flüssigen Zustand auf der inneren Oberfläche der Kupfer-Düse ergibt, wobei keine spezielle Anstrengung unternommen wird, den Kontaktdruck zu erhöhen oder in anderer Weise den Kontaktwiderstand zwischen dem erstarrten Titan und der Düsenwandung zu verringern.
Es wird klar sein, daß beim Versuch, BiR zu einem Wert größer als 1 zu machen, die Wärmeleitfähigkeit k des Titans nicht allgemein geändert werden kann, und man muß daher das Ändern der Werte der anderen Parameter in Betracht ziehen, die benutzt werden bei der Definition des Wertes von Big, um eine Änderung im Wert von BiR zu bewirken. Der Bereich der Düsengrößen und somit Düsenradien (R) ist allgemein beschränkt, damit die Düse zum Einsatz bei Zerstäubungs- Prozessen in der Lage ist, bei der das geschmolzene Material in einer Reihe von Tröpfchen vorbestimmter Größe abgegeben wird, und damit sie in Prozessen benutzt werden kann, bei denen ein im wesentlichen kontinuierlicher Fluß des geschmolzenen Materials abgegeben wird. Das Vergrößern des Düsenradius hat auch die Wirkung, daß andere grundlegende Verarbeitungs-Parameter und - Bedingungen zu dem Ausmaß geändert werden, daß die Ausführung des Prozesses wesentlich auf der Grundlage des neuen Düsenradius geändert werden muß. Das meistversprechendste Herangehen zur Vergrößerung des Parameters BiR bis zu einem Wert größer als 1 war daher die Erhöhung des Kühl-Wärmeübertragungs-Koeffizienten h&sub1;.
Weil der Kühl-Wärmeübertragungs-Koeffizient h&sub1; auch ein Parameter in der θhr definierenden Gleichung ist, das das zweite Kriterium des Prozess-Fensters ist, muß auch das Erfüllen des zweiten Kriteriums mit dem erhöhten Wert von h&sub1; in Betracht gezogen werden. Das Vergrößern des Kühl-Wärmeübertragungs-Koeffizienten h&sub1;, wie oben vorgeschlagen, führt zu einer gewissen Abnahme im Wert von θhr, sofern man nicht andere Einstellungen in den Verarbeitungs-Bedingungen vornimmt. Es wird klar sein, daß sehr wenig getan werden kann, um den Wert von θsup in der θhr definierenden Gleichung, um die Zunahme des Wertes von h&sub1; zu berücksichtigen. Es wurde jedoch während der Entwicklung der vorliegenden Erfindung festgestellt, daß selbst mit dem zur Erfüllung des ersten Kriteriums erforderlichen höheren Wertes von h&sub1; es möglich sein würde, das Verfahren in einer Weise zu betreiben, daß auch das zweite Kriterium erfüllt wird, in erster Linie, indem man eine geeignete Einstellung im Wert von h&sub2; vornimmt. Der interne Wärmeübertragungs-Koeffizient h&sub2; ist hauptsächlich eine Funktion der Strömungsrate des geschmolzenen flüssigen Metalles, die, z. B., durch das Druckunterschieds-Verfahren kontrolliert werden kann, das in der US-A-5,060,914 offenbart ist. Der Wert von θhr kann daher durch die Einstellung von h&sub2; in der richtigen Weise eingestellt werden, um das zweite Kriterium zu erfüllen und die Ausführung des Prozesses innerhalb des Prozess-Fensters beizubehalten.
Der Wert des Kühl-Wärmeübertragungs-Koeffizienten, h&sub1;, der Düse ist ein kombinierter Effekt der Wärmeübertragung des durch die Kanäle 20 in der Düse strömenden Kühlwassers, der Wärmeleitung der Düse, die konventionell aus Kupfer hergestellt wurde, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, und des Kontaktwiderstandes zwischen der Kupfer-Düse und der erstarrten Schädelschicht. Weil der thermische Widerstand des Kühlwassers und der der Kupfer-Düse, verglichen mit dem Kontaktwiderstand, sehr gering sind, haben die Erfinder festgestellt, daß der wirksamste Weg zum Erhöhen des Kühl-Wärmeübertragungs-Koeffizienten das Verringern dieses Kontaktwiderstandes zwischen der inneren Oberfläche der Außenwand der Kupfer-Düse und der erstarrten Schädelschicht aus Titan war.
Wie in Fig. 3 als eine allgemeine Regel ersichtlich, ist der Kontaktwiderstand zwischen zwei Materialien umgekehrt proportional dem Kontaktdruck zwischen den Materialien. Fig. 3 veranschaulicht in erster Linie ein repräsentatives Beispiel der Beziehung zwischen dem Kontaktwiderstand und dem Kontaktdruck. Andere Faktoren können bei dem Kontaktwiderstand zwischen zwei Materialien eine Rolle spielen, z. B. die Glätte oder Oberflächengüte der Oberflächen, die in Berührung gebracht wurden, sowie der Grad, zu dem diese Oberflächen einander in der Geometrie entsprechen. Obwohl Fig. 3 nicht auf ein spezifisches Beispiel in Kontakt befindlicher Materialien gerichtet sein soll, weisen die Kontaktwiderstände bei Einsatz der hier interessierenden Materialien ähnliche scharfe Abfälle auf, beginnend bei Kontaktdrucken von etwa 68,9 · 10³ Pa (10 pounds per square inch), und sie fallen weiter um deutliche Beträge bis zu etwa 137,9 · 10³ bis 206,8 · 10³ Pa (20-30 pounds per square inch). Darüber hinausgehende Kontaktdrucke verringern den Kontaktwiderstand weiter, doch ist ein Abflachen der Kurve deutlich, die Verringerungen werden geringfügig.
In früheren Prozessen wurde die Schädelschicht auf der Außenwand der Düse gebildet, indem man einfach den Aufbau erstarrten Titans auf einer bloßen inneren Oberfläche der Außenwand begünstigte, oder indem man mit einer Düse begann, die vollständig durch erstarrtes Titan zugesetzt war und einen inneren Teil davon zur Schaffung eines Strömungsdurchganges schmolz. Bei jedem Herangehen ist ein beträchtliches Ausmaß von Restspannung oder Kontaktdruck zwischen der Außenwand der Düse und dem erstarrten Schädel aus Titan vorhanden.
In den Fig. 4A-4D sind ein Verfahren zum Konstruieren einer Düse 14 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sowie die resultierende Düsen-Konstruktion abgebildet. Es ist die Düsen-Konstruktion selbst, die eine Zunahme des Kühl-Wärmeübertragungs-Koeffizienten h&sub1; gegenüber dem bewirkt, der aus dem bloßen Aufbauen eines erstarrten Schädels auf einer inneren Oberfläche einer Düse resultiert. Fig. 4A zeigt einen Querschnitt der grundlegenden Außenwand 18 der Düse, die vorzugsweise aus Kupfer oder einem anderen Metall mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit hergestellt ist. Die Außenwand 18 in. Fig. 4A ist als von im wesentlichen ringförmiger Gestalt mit einer verjüngten Oberfläche 40 dargestellt, und sie ist repräsentativ für die Größe oder den Durchmesser der Außenwand bei Raumtemperatur. In der Außenwand 18 sind in einer konventionellen Weise Kühlkanäle 20 vorhanden, um die Erhöhung der Wärmeübertragung weg von der Düse zu unterstützen.
Fig. 4B zeigt die gleiche Außenwand 18 der Düse nach dem Erhitzen auf eine erhöhte Temperatur, bei der die Wand sich thermisch ausgedehnt hat, was in erster Linie als eine Zunahme des Durchmessers des ringförmigen Teiles erkennbar ist, wie durch Vergleichen der Abstände RU und RE vor und nach der Wärmeausdehnung ersichtlich, die den Abstand zwischen der inneren Oberfläche 40 der Außenwand 18 und einer Mittelachse der Düse messen, die durch die gestrichelte Linie in jeder der Fig. 4A-4D gezeigt ist. Es ist bevorzugt, die Außenwand aus Kupfer auf eine Temperatur von etwa 100ºC zu erhitzen, was zu einem größeren I> urchmesser führt, gemessen an der in neren Oberfläche 40, die vorzugsweise bis zu einer Größe ausgedehnt ist, die nicht mehr als 1% größer als die ursprüngliche, nicht ausgedehnte Größe sein wird. Die in Fig. 4B gezeigte Ausdehnung ist somit für die Zwecke der Klarheit in der Zeichnung übertrieben dargestellt. Es wird klar sein, daß eine größere Ausdehnung der Außenwand mit erhöhten Temperaturen möglich ist, doch ergibt, wie in Fig. 3 ersichtlich, ein Kontaktdruck von mehr als etwa 137,9 · 10³ bis 206,8 · 10³ Pa (20-30 pounds per square inch) relativ wenig Verbesserung oder Abnahme im Kontaktwiderstand. Eine mäßige Ausdehnung von 1% der Außenwand und eine nachfolgende Kontraktion ergibt einen Kontaktdruck zumindest in diesem Bereich und möglicherweise höher.
In Fig. 4C ist gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung eine innere Auskleidung 41, vorzugsweise aus Titan, in die Öffnung 42 eingeführt, die durch die Außenwand 18 gebildet wird, während sich die Außenwand in ihren ausgedehnten Zustand bei erhöhter Temperatur befindet. Die innere Auskleidung 41 aus Titan befindet sich vorzugsweise nicht bei einer erhöhten Temperatur, wenn sie eingeführt wird. Die innere Auskleidung 41 aus Titan hat eine äußere Oberfläche 44, die eine komplementäre Verjüngung zur Verjüngung der inneren Oberfläche 40 der Außenwand 18 aufweist. Allgemeiner ausgedrückt ist es bevorzugt, daß die äußere Oberfläche 44 der Auskleidung 41 und die innere Oberfläche 40 der Außenwand 18 passende Gestalten haben. Diese Oberflächen, die in der bevorzugten Ausführungsform Kegelstumpf-Gestalten bilden, können geschliffen sein, um die Kontaktoberflächen besser aneinander anzupassen.
Fig. 4D zeigt die fertige Konfiguration der Düse 14, bei der man die äußere Wand 18 aus Kupfer sich hat auf Raumtemperatur abkühlen lassen, wobei sie sich beim Abkühlen wieder auf ihre ursprüngliche Größe zusammengezogen hat. Mit dem Zusammenziehen der Außenwand 18 kommt ihre innere Oberfläche 40 in Kontakt mit der äußeren Oberfläche 44 der inneren Auskleidung oder Hülse 41, so daß eine Schrumpfanpassung zwischen der Außenwand 18 und der inneren Auskleidung 41 erzeugt wird. In der bevorzugten Ausführungsform ist, bezugnehmend auf die Fig. 4C und 4D, der Durchmesser der äußeren Oberfläche 44 der Auskleidung 41 bei einer nicht erhöhten Temperatur vorzugsweise etwas größer als der ursprüngliche Durchmesser der Öffnung 42, die durch die innere Oberfläche 40 in der Außenwand 18 vor der Wärmeausdehnung der Außenwand 18 gebildet wird. In einer solchen Konfiguration werden Restspannungen zwischen den Materialien erzeugt. Die Außenwand wird versuchen, zu ihren ursprünglichen Abmessungen zurückzukehren, woran sie durch die innere Auskleidung 41 gehindert wird. Die innere Auskleidung 41 hat genügend Festigkeit, um ihre Gestalt beizubehalten, während sie der weiteren Kontraktion der Außenwand 18 widersteht. Die kontraktiven Restspannungen erzeugen einen Kontaktdruck zwischen der Außenwand 18 und der inneren Auskleidung 41, die den Kontaktwiderstand in der Düsen- Baueinheit verringert.
Wie bereits erwähnt und in Fig. 3 gezeigt, wird mit zunehmendem Kontaktdruck (erhöhter Restspannung zwischen den beiden Teilen), insbesondere in dem Bereich von etwa 20-30 lb./sq. in., der Kontaktwiderstand stark verringert, was zu einem erhöhten Wärmeübertragungs-Koeffizienten über die Grenze zwischen den Materialien führt. Die oben beschriebene Düsen-Baueinheit hat einen Kontaktdruck von mindestens etwa 68,9 · 10³ Pa (10 lb./sq. in.) und vorzugsweise einen solchen im Bereich von 137,9 · 10³ bis 206,8 · 10³ Pa (20-30 1b./sq. in.), um den erhöhten Wert von h&sub1; zu schaffen.
Als eine weitere Stufe dieses Verfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der Kontaktwiderstand zwischen der Außenwand 18 und der inneren Auskleidung 41 weiter vermindert werden, indem man das Schrumpfanpassen der Außenwand 18 auf die innere Auskleidung 41 in einer Umgebung von Heliumgas ausführt. Diese weitere Stufe erkennt, daß eine gewisse Menge an Strömungsmittel aus der Umgebung, in der das Schrumpfanpassen ausgeführt wird, in dem Spalt zwischen der Außenwand 18 und der inneren Auskleidung 41 in der fertigen Struktur eingefangen ist. Heliumgas hat eine höhere Wärmeleitfähigkeit, verglichen mit, z. B., der Zusammensetzung von Luft, die hauptsächlich aus Stickstoff und Sauerstoff besteht. Das Ausführen des Schrumpfanpassens der Außenwand 18 auf die Auskleidung 41 in einer Heliumgas-Umgebung hat die Wirkung, daß das zwischen den Komponenten eingefangene Gas Heliumgas sein wird, im Gegensatz zu einem weniger wärmeleitfähigen Gas.
Es sollte erkannt werden, daß die innere Auskleidung 41 ausgewählt wird aus einem Material, das das verarbeitete geschmolzene Material nicht verunreinigt, so daß die Auskleidung als eine vorerstarrte Schädelschicht bei dem kontinuierlichen Schädel-Düsen-Prozess wirken kann. Die bei dieser Vorrichtung benutzte Prozesskontroll-Strategie wendet daher nicht allgemein irgendwelche speziellen Einleitungs-Parameter zum Aufbauen einer zusätzlichen Dicke erstarrten Titans an der Düse an, um die Kriterien des Prozess-Fensters zum Aufrechterhalten des stationären Schädels in der Düsenregion zu erfüllen. Weil das Vorspannen der Außenwand und der Auskleidung der Düse zu der erforderlichen Erhöhung des Kühl-Wärmeübertragungs-Koeffizienten führt, um den Betrieb innerhalb des Prozess-Fensters zu erleichtern, wird erkannt, daß ein beträchtliches Wegschmelzen der Auskleidung 41 während des Anfahrens, Abschaltens und des Betriebes des Verfahrens sorgfältig vermieden werden muß. Dies ist von relativ untergeordneter Bedeutung, da die durch die Kanäle 20 strömende Kühlflüssigkeit die Außenwand 18 aus Kupfer etwa bei Raumtemperatur hält, wodurch Wärme leicht zur Kupfermasse übertragen wird, was die Auskleidung 41 in erstarrter Form hält.
Die vorhergehende Beschreibung schließt verschiedene Einzelheiten und besondere Merkmale gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein, es sollte jedoch klar sein, daß dies nur für veranschaulichende Zwecke gilt. Der Fachmann kann verschiedene Modifikationen und Anpassungen vornehmen, ohne den Rahmen der beigefügten Ansprüche zu verlassen.

Claims

1. Verfahren zum Konstruieren einer Ausgabedüse (14) für geschmolzenes Titanmaterial, das in einem Schmelzverfahren mit einer Abdeckung benutzt werden soll, umfassend:

Erhitzen eines kupfernen äußeren Wandteiles (18) der Düse auf eine Temperatur, um dieses äußere Wandteil (18) thermisch auszudehnen;

Einführen einer inneren Auskleidung (22) aus Titan oder Titanlegierung in eine durch eine innere Oberfläche (40) des äußeren Wandteils (18) gebildete Öffnung, wobei eine äußere Oberfläche (44) der inneren Auskleidung (22) eine größere periphere Abmessung aufweist als eine entsprechende Abmessung der Öffnung, wenn sich der äußere Wandteil (18) in einem nicht ausgedehnten Zustand befindet, und

Abkühlen des äußeren Wandteils (18), um das Zusammenziehen des äußeren Wandteils (18) in Kontakt mit der inneren Auskleidung (22) zu verursachen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin eine Gestalt der äußeren Oberfläche (44) der inneren Auskleidung (22) in der Geometrie im wesentlichen einer Gestalt der inneren Oberfläche (40) des äußeren Wandteiles (18) entspricht.

3. Verfahren nach Anspruch 2, worin der äußere Wandteil (18) und die innere Auskleidung (22) eine im wesentlichen ringförmige Gestalt haben.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, worin der äußere Wandteil (18) durchgehende Kühlkanäle (20) hat.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin der äußere Wandteil (18) bis zu einer Größe radial ausgedehnt wird, die etwa 1% größer ist als eine anfängliche, nicht ausgedehnte Größe.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin ein Kontaktdruck, der durch den sich in Kontakt mit der inneren Auskleidung (22) zusammenziehenden äußeren Wandteil (18) erzeugt wird, größer als etwa 0,7 kg/sgcm (10 pounds per square inch) ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin mindestens die genannte Kühlstufe in einer Heliumgas-Umgebung ausgeführt wird, um die Wärmeübertragung zwischen der inneren Auskleidung (22) und dem äußeren Wandteil (18) weiter zu verbessern.