MXPA04007103A

MXPA04007103A - Afino de metales refractarios y aleaciones por formacion y fusion por laser.

Info

Publication number: MXPA04007103A
Application number: MXPA04007103A
Authority: MX
Inventors: R Jepson Peter
Original assignee: Starck H C Inc
Priority date: 2002-01-24
Filing date: 2003-01-22
Publication date: 2004-10-29
Also published as: US20050142021A1; TW200401845A; RS65004A; BR0307105A; PL370455A1; KR20040103920A; TW200706676A; WO2003062491A2; NZ534237A; WO2003062491A3; RU2333086C2; TWI337205B; ZA200405765B; JP2005516117A; CA2473830A1; IL162837A0; TWI314591B; NO20043487L; US7651658B2; EP1470265A2

Abstract

Un proceso para refinar quimicamente y consolidar tantalo, niobio y sus aleaciones a un producto fabricado de forma final o forma semifinal con produccion mas alta, mas consistencia, y costos de fabricacion mas bajos en comparacion con los metodos de la tecnica anterior o regenerar piezas de metal refractario danadas o deterioradas. Se carga metal en polvo en tolvas para alimentarlo a equipo de formacion/fusion por laser. Se carga un sustrato adecuado en una camara de formacion/fusion por laser sobre la que el polvo se depositara y consolidara en un proceso de exploracion puntual. Cuando el polvo se alimenta en puntos sucesivos de la superficie del sustrato en trazas lineales, se utiliza el laser para calentar y fundir parcialmente el sustrato y fundir completamente el polvo. Un haz combinado de deposicion y fusion traza la superficie del sustrato repetidas veces sobre una zona seleccionada creando un recubrimiento denso de microestructura controlada en capas multiples. Se construye un deposito completamente denso que se convierte en la forma deseada.

Description

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a la fabricación y rege- neración de piezas de metal refractario, y más en particular a la fabricación y regeneración de piezas de metal refractario en forma final o semifinal con microestructura controlada. Los procesos actuales para producir piezas de metal refractario de alta pureza, tal como hojas hechas de tántalo y aleaciones de tántalo (para uso como blancos de deposición catódica, preformas de tubos, preformas de piezas de horno, etc) , incluyen metalurgia de polvo y lingote. El proceso de metalurgia de lingote comienza por seleccionar y mezclar polvos adecuados, compactarlos en barras y sinterizarlos . Se uti- liza un haz de electrones o plasma u horno de arco para fundir la barra y enfriarla en un lingote. La fusión se puede hacer en múltiples pasos. La fusión y refusión por haz de electrones quita impurezas produciendo un lingote de tántalo esencialmente puro. Se logran de forma rutinaria purezas de 99,9%. El lingote es procesado termomecánicamente y trabajado además en frío o en caliente cuando sea necesario (o se trabaja en frío con recocido intermedio) para producir una forma deseada, tal como una chapa, hoja, varilla o pieza fabricada (semiesfera, media semiesfera, cono, hoja en forma de plato, copa, caja, etc) . Los componentes también se pueden maquinar directamente a partir de lingotes 3. Este proceso general es relativamente lento y da lugar a un rendimiento final de aproximadamente 40 a 60 por ciento. El proceso de sinterización consume una cantidad considerable de tiempo del horno, pero se requiere para proporcionar suficiente resistencia mecánica a las barras y es un paso de desoxidación preliminar para el polvo de metal refractario, tal como tántalo. Las barras se funden generalmente por haz de electrones bajo un alto vacío para quitar impurezas químicas. El pro- ceso de fusión por haz de electrones también puede_ consumir_ na- eantTdad' icTlsi'dTal e- de tiempo y potencia del horno, tal como tres pistolas de haces de electrones a 105 kilovatios du-rante 8 a 16 horas. Por lo general se precisa refusión, que también consume una cantidad significativa de tiempo y potencia del horno, tal como cuatro pistolas de haces de electrones a 150 kilovatios durante 8 a 16 horas. La fabricación aditiva por láser (LAM) es un proceso de deposición directa que utiliza un láser de alta potencia y un sistema de alimentación de polvo para producir componentes tridimensionales complejos a partir de polvos metálicos. El láser de alta potencia y el sistema de colocación multieje operan directamente a partir de un archivo CAD para formar el componente usando un polvo de metal adecuado. Este proceso es similar a las técnicas convencionales de prototipos rápidos, tal como la estereolitografía y la sinterización selectiva con láser (SLS) , y soldadura por láser. La soldadura por láser se desarrolló para unir dos componentes o para fabricar un artículo integral en un componente. Sin embargo, un componente de metal completamente denso solamente se puede hacer con pasos adicionales como fusión o HIP (compactación isostática en ca-líente) . Tal proceso por láser se ha desarrollado para fabricar componentes de titanio en forma semifinal para la industria aeroespacial . Pero no existe un proceso para metales refractarios de fusión más alta, como el tántalo. Adicionalmente , los blancos de deposición catódica de ma-teriales de alta temperatura, como tántalo y otros metales refractarios (Ta, Nb, Ti, Mo, Zr, metales y aleaciones; hidru-ros, nitruros y sus otros compuestos) utilizados en la fabricación de circuitos integrados y en la fabricación de otros productos eléctricos, magnéticos y ópticos generalmente se erosionan de manera no uniforme durante el proceso de deposición catódica que da lugar a una pista como reguero en el lado operativo del blanco. Para evitar la contaminación de sustratos o la descomposición catastrófica de fluidos refrigerantes detrás del blanco, los blancos se retiran del servicio por lo general antes de que el metal refractario de deposición sea penetrado, aceptando la necesidad de un nuevo blanco después de que solamente se haya consumido una porción secundaria del metal—de—deposición.—La parte—principal—del—blanco—efe—deposi-ción se puede revender solamente a precio de chatarra o reciclar con dificultad y, aparte de esto, hay que extraer la cha-pa de refuerzo del blanco y se puede volver a unir a una nueva chapa metálica de deposición para reciclado. En consecuencia, hay que regenerar el metal refractario del blanco de deposición catódica para eliminar la necesidad de reciclar todo el blanco después de haberse consumido sola-mente una parte menor de la chapa de tántalo. Un objeto de la presente invención es proporcionar un método de procesado por láser para metales refractarios y sus aleaciones que produce un depósito completamente denso que puede ser plano o curvado con propiedades macro- y micromecá-nicas al menos equivalentes a las de las piezas fundidas, consolidadas, laminadas y recocidas tradicionalmente . Otro objeto es incrementar la recuperación del rendimiento y disminuir de otro modo el tiempo y los costos de fabricación para fabricación en forma final o semifinal. Otro objeto de la invención es disminuir el costo del re-ciclado de piezas de metal refractario, tal como chapas de tántalo para blancos de deposición catódica incluyendo su chapa de refuerzo. Otro objeto de la invención es reducir el tiempo de ciclo entre quitar del servicio la pieza de metal refractario, tal como un blanco de deposición catódica, y ponerla de nuevo en servicio . RESUMEN DE LA INVENCIÓN La invención se refiere a un proceso para hacer una pieza de metal refractario incluyendo (a) cargar partículas de polvo metálico en una tolva para alimentar a una cámara de adición por láser, (b) cargar un sustrato en la cámara de adición por láser, (c) alimentar los polvos metálicos a la cámara de adición en puntos sucesivos en el sustrato en traza lineal, (d) fundir el sustrato y el polvo con un haz láser y formar recu-rastrear el sustrato sobre una zona seleccionada con un haz combinado de deposición y fusión y formar un recubrimiento de~ una microestructura controlada en capas múltiples, y (f) formar un depósito del recubrimiento y formar una pieza de metal refractario. La invención también se refiere a un método para regenerar un blanco de deposición catódica de tántalo incluyendo someter una región erosionada de un blanco de deposición catódica de tántalo a deposición de plasma, formar un recubrimiento completamente denso, y regenerar por lo tanto el blanco de deposición catódica de tántalo. La invención también se refiere a un método para regenerar un blanco de deposición catódica de tántalo incluyendo someter una región erosionada de un blanco de deposición catódi-ca de tántalo a sinterización con láser, formar un recubrimiento completamente denso, regenerando por lo tanto el blanco de deposición catódica de tántalo. La invención también se refiere a un método para regenerar un blanco de deposición catódica de tántalo incluyendo so-meter una región erosionada de un blanco de deposición catódica a compactación isostática en caliente, formar un recubrimiento completamente denso, y llenar la región erosionada de un blanco de deposición catódica de tántalo, regenerando por lo tanto el blanco de deposición catódica de tántalo. Alterna-tivamente, la invención también puede incluir productos hechos con tales procesos. En cuanto tal, la presente invención es un proceso y el producto resultante. El proceso sirve para refinar químicamente y consolidar metales refractarios y sus aleaciones a un producto fabricado de forma final o forma semifinal con producción más alta, más consistencia, y costos de fabricación más bajos en comparación con los métodos de la técnica anterior. Se carga metal en polvo en tolvas para alimentarlo al equipo LAM. Se carga un sustrato adecuado en una cámara LAM sobre la que se depositará y consolidará el polvo en un proce-so—de—exlro ax^ón^mrtraar^—eu .Tidcrne lr )O± O~"SB"-arlrmenta en pun-tos sucesivos de la superficie del sustrato en trazas linea-írs-,—ei—táser—se—utiliza— ar¾—calentar—parcialmente~ ^fundir* el sustrato y fundir parcial o completamente el polvo. Un haz combinado de deposición y fusión traza la superficie del sus-trato repetidas veces sobre una zona seleccionada para formar un recubrimiento denso de microestructura controlada en capas múltiples. Se construye un depósito completamente denso que adquiere la forma deseada. Todo este proceso se realiza en una cámara bajo condiciones inertes, tal como argón, a, cerca de o por debajo de las presiones atmosféricas, pero también se puede realizar bajo alto vacío. El calor o potencia relativamente altos introducidos en las partículas de polvo y la corta distancia de difusión da lugar a purificación del polvo y el producto resultante. El rendimiento del proceso es 90 por ciento o más, precisando maquinado mínimo para limpiar los bordes del depósito y las superficies del producto dependiendo de la forma final y la aplicación de uso final. Cuando se utilice en la fabricación de blancos de deposi-ción catódica, el proceso producirá la pureza de grano necesaria y tendrá una estructura de grano columnar que contribuye a las características de deposición catódica uniforme. A efectos de regeneración, el reguero de pista en la cara del blanco de deposición catódica de tántalo deteriorado se llena por sinterización con láser, deposición de plasma o unión HIP de material en polvo/chapa que producirá un recubrimiento completamente denso. En el caso de sinterización con láser o deposición de plasma, el blanco se podría regenerar sin desunir la chapa de refuerzo del blanco. En el caso de unión HIP, se podría usar polvo de Ta de bajo contenido de oxígeno o cualquier material de chapa Ta. La regeneración es un proceso económico si llenar el reguero por cualquiera de los métodos propuestos es más barato que reciclar todo el blanco. No hay que desunir la chapa de refuerzo. Se puede re-utilizar tantas veces como se desee. sición catódica usados se pueden procesar para llenar el re-güero de pista u otra zonar~de ero~s±orr~e —± —cara del—biartcer mediante la colocación o deposición de metal de deposición y unión por sinterización por láser o calentamiento EB para sin-terizar, descarga de plasma acoplada con deposición o unión HIP de material en polvo/chapa. El uso de dichos métodos producirá un recubrimiento completamente denso. Esto evita la necesidad de desacoplar el tántalo del cobre, llenar la zona de erosión de la chapa de tántalo con polvo de tántalo y unión HIP y nuevo montaje. En el caso de láser o sinterización de exploración EB o descarga de plasma acoplada con deposición, el blanco se puede regenerar sin separar la chapa de refuerzo del blanco. Las varias formas de regeneración producen una zona de erosión llena con microestructura parecida al equilibrio del blanco. La regeneración de un blanco de metal refractario (por ejemplo, tántalo) elimina la necesidad de reciclar todo el blanco después de haberse consumido solamente una porción me-ñor de la chapa de deposición. Tal regeneración puede ser más económica que reciclar todo el blanco. No hay que separar la chapa de refuerzo unida (por ejemplo, cobre) . Esta regeneración se puede reutilizar tantas veces como se desee. Otros objetos, características y ventajas serán evi-dentes por la siguiente descripción detallada de las realizaciones preferidas, tomada en unión con los dibujos anexos en los que : BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La figura 1 muestra los cinco depósitos (productos) for-mados a partir de las realizaciones preferidas del proceso de la invención. La figura 2 muestra una vista en sección metalográfica típica tomada de cada depósito. La figura 3 muestra una vista en sección transversal de un blanco y chapa de refuerzo típicos. LaT igura ¾ muél3tná^uña^ísta~~ffoñtal^Lñcluyendo un oBJe tivo de erosión usual. La" figura 5 es un diagrama de bloques d l—roceso de^fe— generación. Y la figura 6 muestra en forma de esbozo una cámara de vacío o gas inerte montada para la práctica de la invención. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS REALIZACIONES PREFERIDAS Una realización de la presente invención es un proceso por láser para producir metal refractario de alta pureza y aleaciones formadas a partir de metal refractario en polvo. El polvo de tántalo (-120+325 malla), y una chapa sustrato de tántalo se aplican en un aparato de deposición como el descrito en la Patente de Estados Unidos 6.269.536, incorporada aquí por referencia en su totalidad) . La energía láser suministrada era aproximadamente 17 kw. La figura 1 muestra los cinco depó-sitos formados a partir del proceso por láser. Cada depósito es el resultado de aproximadamente cinco a siete capas, teniendo cada capa aproximadamente 0,254 mm (0,010 pulgada) de grosor. Las diferencias de las propiedades físicas descritas an-teriormente también significan que las velocidades de deposición tenían que ser mucho menores que para titanio. La temperatura de fusión y conductividad térmica más altas del tántalo en comparación con el titanio significan que el baño de fusión de tántalo era probablemente menor y se podía fundir una menor cantidad de polvo con la potencia láser disponible. La Tabla 1 muestra los resultados del análisis químico (GDMS) del polvo inicial y los depósitos finales. En general, había muy poco cambio en el contenido de metal refractario (por ejemplo, Nb, y W) del depósito en comparación con el pol-vo inicial. Con la excepción de titanio y vanadio, había una reducción mensurable de la contaminación metálica del depósito. La contaminación de titanio y vanadio procedía del trabajo previo en el equipo de prueba realizado con aleación TÍ-6AI-4V.

TABLA 1 La figura 2 muestra una vista en sección metalográfica típica tomada de cada depósito. No se halló porosidad en ninguna de las secciones examinadas a excepción de en la superfi-cié muy exterior del depósito. Los depósitos examinados tenían de dos a cinco granos (los límites de grano se marcan con fie- chas) a través de su anchura. Estos—granos—crecieron—de—.ros— ranos—originales—en Cacha a base. No había evidencia de defectos internos (es decir, fisuras, inclusiones, partículas extrañas, y análogos) en los depósitos. Las Tablas II y III muestran los resultados de pruebas mecánicas. Los Números de Dureza Vickers (VHN, 500g) de tres muestras son ligeramente más altos de lo que cabría esperar para hoja de tántalo laminada y recocida (VHN de aproximada- mente 100) . Estos depósitos no se habían recocido y VHN sugiere que el material no es quebradizo. La dureza ligeramente más alta de la muestra 1 en comparación con las muestras 2 y 3 es el resultado de su contenido de oxígeno ligeramente más alto. La Tabla III muestra el rendimiento a temperatura ambiente y las resistencias últimas de estos tres depósitos cumplen las especificaciones ASTM para hoja de tántalo laminada y recocida. Las muestras 1, 2, y 3 son aceptables, a pesar de que los valores de elongación son ligeramente inferiores a los mínimos especificados (obsérvese que la muestra 3 falló cerca del ra- dio de la barra de prueba, no en el centro de la sección de calibre, y se consideró una prueba mala) . TABLA II - Números de Dureza Vickers, 550a TABLA III - Resultados de la prueba de tracción a temperatura ambiente Los resultados presentados anteriormente muestran que los depósitos de tántalo formados por láser tienen propiedades químicas y mecánicas equivalentes a la hoja de tántalo laminada y recocida. Los depósitos eran completamente densos sin evidencia de porosidad a excepción de en la superficie más exterior del depósito. La regeneración de piezas de metal refractario se ilustra en las figuras 3-6. Las figuras 3-4 muestran una chapa de deposición de tántalo (Ta) unida a una chapa de refuerzo de cobre (Cu) que puede incluir complejidad adicional tal como bobinas de refrigeración por agua unidas (CL) o incluso ser par- te de un depósito grande de líquido de refrigeración y/o tener pestañas complejas y estructuras de unión mecánicas y eléctricas . E indica una zona típica de erosión en forma de pista que surge del uso de deposición catódica. La figura 5 es un diagrama de flujo de una implementación de la presente invención. Se establece una zona de vacío o gas inerte para un montaje blanco de Ta-Cu usado. La zona de erosión (zona E) se llena de polvos del metal de deposición que se une por láser o exploración de trama de haz de electrones (EB) a las superficies de polvo fundidas, pero no partículas completas. La fusión se puede hacer durante la deposición de polvo o después de la deposición capa sobre capa. También se puede hacer prev±"aTñeT:e~y~c^?l^c^ ~eii el reguero una lámina—de— rivada de polvo . En todos los casos, el relleno se sinteriza para auto-unión y adhesión a blanco y se nivela por maquinado, arenado u otro ataque abrasivo y/o un proceso de deposición catódica por enve ecimiento . Lo que sigue son varias formas detalladas de regenerar una pieza refractaria. Como se representa en la figura 6, tal chapa se puede colocar en una atmósfera de gas inerte (argón) purificado a presión atmosférica rarificada en cámara al vacío (VC) utilizando una bomba convencional P y un aparato de relleno de gas G con válvula V. Un alimentador de polvo incluyendo múltiples boquillas puede introducir múltiples corrien-tes a alta velocidad de polvo Ta de -100 a 325 malla en la zona de erosión (región) . El alimentador de polvo puede explorar a lo largo de la zona de erosión o el blanco se puede mover con relación a un alimentador de polvo fijo. Un haz láser LB de 15-20 KW (preferiblemente 20-25 formado por una caja C y óptica de exploración convencional MI, M2 que puede estar completamente en la cámara o parcialmente fuera de la cámara usando una ventana para paso del haz se puede rastrear a modo de exploración de trama sobre la zona de erosión, cuando cae el polvo, para fundir las superficies de las partículas de polvo y permitir la unión partícula a partícula y la unión a la base de la zona de erosión continuamente y repetidas veces alrededor de la zona hasta que se llena. Se puede usar cálculos de masa de polvo y/o verificaciones ópticas para determinar la terminación y la interrupción del relleno. El láser puede proporcionar calentamiento postllenado para completar la sinterización. Se puede usar calentadores de blanco separados para precalentar el blanco o proporcionar calor adicional durante la regeneración. Una forma de equipo utilizable para fabricar y regenerar metales refractarios es el sistema de deposición metálica di- recta de la marcT IasTorm de "AeróMetr Corp , como" se descrirJeT por ejemplo, en Abbott y otros, "Láser Forming Titanium Compo-nents^—en el número de mayo de—1998 de Advanced Mctal3 & Pro-cesses, y Arcella y otros, "Producing Titanium Aerospace Com-ponents From Powder Using Láser Forming" , Journal of Metals (Mayo 2000), págs . 28-30. La invención también se puede aplicar a otros metales refractarios en polvo, tal como Re, W, Mo, aleación de W, aleación de Mo, aleación de Re, niobio, aleaciones de tántalo, y aleaciones de niobio. Será evidente ahora a los expertos en la materia que se puede hacer otras realizaciones, mejoras, detalles, y usos consistentes con la letra y el espíritu de la descripción anterior y dentro del alcance de la invención.

Claims

REIVINDICACIONES L, —Un proceso— ar-a—hacer—«na—piez —de—metal—refractario incluyendo: (a) cargar partículas de polvo metálico en una tolva para alimentarlas a una cámara de adición por láser, (b) cargar un sustrato a la cámara de adición por láser, (c) alimentar los polvos metálicos a la cámara de adición en puntos sucesivos en el sustrato en traza lineal, (d) fundir el sustrato y el polvo con un haz láser y for-mar recubrimientos múltiples de una microestructura controlada, (e) rastrear el sustrato sobre una zona seleccionada con un haz combinado de deposición y fusión y formar un recubrimiento de una microestructura controlada en capas múltiples, y (f) formar un depósito a partir del recubrimiento y formar una pieza de metal refractario.
2. El proceso de la reivindicación 1, donde el depósito acumulado del recubrimiento es un depósito completamente denso .
3. El proceso de la reivindicación 1, donde el proceso se realiza bajo condiciones inertes.
4. El proceso de la reivindicación 3, donde las condiciones incluyen argón, a o cerca de o por debajo de la presión atmosférica .
5. El proceso de la reivindicación 1, donde el proceso se realiza bajo alto vacío.
6. El proceso de la reivindicación 1, donde el haz láser genera calor suficientemente alto para crear condiciones que purifican el polvo y la pieza de metal refractario.
7. El proceso de la reivindicación 1, donde la pieza de metal refractario es un blanco de deposición catódica.
8. Una pieza de metal refractario hecha por el proceso de la reivindicación 1.
9. Un método para regenerar un blanco de deposición cató-dica de tántalo incluyendo someter una región erosionada de un bía¾eo do depee-Íeién catédi-ea— ét — -éff -etio—a— úepos±G±ón—de~ g-ma, formar un recubrimiento completamente denso, y por lo tan-t -^egcncrar el blanco de deposi-eión catódica de tántalo.
10. El método de la reivindicación 9, donde el blanco de deposición catódica de tántalo tiene una chapa de refuerzo y el blanco se regenera sin desunir la chapa de refuerzo del blanco.
11. Un blanco de deposición catódica hecho por el método de la reivindicación 9.
12. Un método para regenerar un blanco de deposición ca-tódica de tántalo incluyendo someter una región erosionada de un blanco de deposición catódica de tántalo a sinterización con láser, formar un recubrimiento completamente denso, regenerando por lo tanto el blanco de deposición catódica de tántalo.
13. El método de la reivindicación 12, donde el blanco de deposición catódica de tántalo tiene una chapa de refuerzo y el blanco se regenera sin desunir la chapa de refuerzo del blanco .
14. Un blanco de deposición catódica hecho por el método de la reivindicación 12. 15. Un método para regenerar un blanco de deposición catódica de tántalo incluyendo someter una región erosionada de un blanco de deposición catódica a compactación isostática en caliente, formar un recubrimiento completamente denso, y lle-nar la región erosionada de un blanco de deposición catódica de tántalo, regenerando por lo tanto el blanco de deposición catódica de tántalo. 16. Un blanco de deposición catódica hecho por el método de la reivindicación
15.