ALD – High-Tech L?sungen f¨¹r Metalle unter Vakuum

Was haben Vakuum und Metalle gemeinsam?

Metalle k?nnen unter Vakuum mit h?herer Reinheit und Qualit?t hergestellt werden. ALD ist einer der f¨¹hrenden Anbieter von Vakuum?fen und Vakuumprozessen. Wir sind in allen Bereichen der Vakuum-Metallurgie und Vakuum-W?rmebehandlung mit High-Tech-Produkten und Dienstleistungen t?tig. Der Einsatz dieser Metallerzeugungsprozesse in modernen, effizient arbeitenden Produktionssystemen reduziert die Kosten erheblich. Das Recycling von R¨¹ckst?nden aus der Verarbeitung teurer Materialien tr?gt zur Wirtschaftlichkeit bei.

Prim?res & Sekund?res Schmelzen

Vakuuminduktionsschmelzen

Das Vakuuminduktionsschmelzen (VIM) ist eines der am h?ufigsten angewendeten Verfahren in der Sekund?rmetallurgie, das f¨¹r die Raffinationsbehandlung im fl¨¹ssigen Zustand und f¨¹r die Einstellung der chemischen Zusammensetzung und der Temperatur angewendet wird.

Vakuuminduktionsschmelzen ist unverzichtbar bei der Herstellung von speziellen Legierungen, die aufgrund ihrer Reaktivit?t mit Luftsauerstoff unter Vakuum oder in einer Inertgasatmosph?re geschmolzen werden m¨¹ssen.

Typische M?rkte f¨¹r VIM-Produkte sind die Luftfahrtindustrie, Hochtemperaturlegierungen (Superlegierungen), elektronische Anwendungen und Spezialst?hle.

Remelting

Das Elektronenstrahlschmelzen ist von gro?er Bedeutung beim Schmelzen von Metallen mit hohem Schmelzpunkt (Ta, Nb, Hf) und reaktiven Metallen (Ti, V, Zr). Der Schmelzprozess erfolgt unter Hochvakuum in keramischen Tiegeln mit Hochleistungs-Elektronenstrahlkanonen als flexibelste Energiequelle. Seine Raffinationsf?higkeit macht den Elektronenstrahlschmelzprozess ideal f¨¹r die Herstellung von elektronischem Material h?chster Reinheit wie Sputtertargets, aber auch f¨¹r die Massenproduktion von Titan durch Elektronenstrahl-Kaltherstellungsverfeinerung. Dieses Verfahren erm?glicht die Wiederverwendung von Titanschrott beim Umschmelzen von Material f¨¹r Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt ohne Kontaminationsrisiko.

Elektroschlacke-Umschmelzen (ESR) und Vakuum-Lichtbogenumschmelzen (VAR) werden weitverbreitet f¨¹r eine verbesserte Verfeinerung und kontrollierte Erstarrungsstruktur von gegossenen Barren verwendet.

Die ESR-Technologie wird f¨¹r die Herstellung von Ingots mit geringerem Gewicht von Werkzeugst?hlen und Superlegierungen, aber auch von schweren Schmiedebl?cken bis zu einem Barrengewicht von 200 Tonnen verwendet. Besonderes Merkmal des ESR-Prozesses ist die M?glichkeit Rund- oder Vierkantbarren, aber auch rechteckige Brammen herzustellen.

Im Allgemeinen bietet das ESR-Verfahren eine sehr hohe, konsistente und vorhersehbare Produktqualit?t. Fein kontrollierte Erstarrung verbessert die Festigkeit und strukturelle Integrit?t. Aus diesem Grund wird ESR als die bevorzugte Produktionsmethode f¨¹r Hochleistungs-Superlegierungen angesehen, die heute in Industrien wie Luft- und Raumfahrt sowie Energietechnik zum Einsatz kommen. Weitere wichtige Anwendungsgebiete sind Werkzeug- und Gesenkst?hle, elektronische Anwendungen, Wehr- und Ingenieurst?hle.

VAR wird h?ufig verwendet, um die Reinheit zu verbessern und die Struktur von Standard-Luftschmelz- oder Vakuuminduktionsschmelzbl?cken, die dann als verbrauchbare Elektroden bezeichnet werden, zu verfeinern. VAR-St?hle und Superlegierungen sowie Titan und Zirkonium und seine Legierungen werden in einer Vielzahl von Hochintegrit?tsanwendungen verwendet, bei denen Reinheit, Homogenit?t, verbesserte Erm¨¹dung und Bruchz?higkeit des Endprodukts wesentlich sind. Die Luft- und Raumfahrt-, Energieerzeugungs-, Medizin- und Nuklearindustrie verl?sst sich auf die Eigenschaften und die Leistungsf?higkeit dieser fortschrittlichen umgeschmolzenen Materialien.

Vakuum Pr?zisionsgie?en

Die Mehrzahl der Vakuum-Feingussteile wie Turbinenschaufeln f¨¹r die Flugzeug- und Industriegasturbinen werden aus Ni-Basis-Superlegierungen hergestellt und in einem Vakuum-Induktionsschmelz- und Feingussofen hergestellt. In Vakuum-Feinguss?fen wird vorlegiertes Material induktiv geschmolzen und dann in eine keramische Form gegossen. Die Erstarrungsstruktur des Gussteils kann ungerichtet (E) (unkontrolliert von au?en nach innen) oder unter Verwendung eines zus?tzlichen Formheizelements gerichtet erstarrt (DS) oder einkristallin (SC) sein.

Die DS / SC-Komponenten haben eine erh?hte Festigkeit bei hohen Temperaturen in der N?he der Schmelztemperatur der Legierungen.

Eine Verbesserung der Erstarrungsbedingungen f¨¹r gro?e DS / SC-Komponenten wird durch den Fl¨¹ssigmetallk¨¹hlprozess (Liquid Metal Cooling, LMC) erreicht. Bei dem LMC-Verfahren wird die Form zur Erstarrung der Komponenten in ein fl¨¹ssiges Zinnbad eingetaucht. Die W?rmeabfuhr aus dem Bauteil basiert auf W?rmeleitung und Konvektion, was deutlich besser ist als die Strahlungsw?rmeabfuhr des konventionellen DS / SC-Prozesses. Gr??ere Temperaturgradienten sind besonders wichtig f¨¹r die Herstellung von gro?en DS / SC-Teilen, z.B. f¨¹r Turbinenlaufschaufeln f¨¹r station?re Gasturbinen.

Schmelzen und Gie?en im Kaltwandtinduktionstiegel

Wenn reaktive Materialien wie Titan, Zirkon oder intermetallische Legierungen und Hochtemperaturwerkstoffe mit strengen Anforderungen an Sauberkeit und Sicherheit geschmolzen werden sollen, wird ein wassergek¨¹hlter Kupfertiegel verwendet anstelle eines konventionellen Keramiktiegels.

• Der Kupfertiegel vermeidet Verunreinigung der Schmelze;
• Elektromagnetisches R¨¹hren der Schmelze sorgt f¨¹r eine hervorragende thermische und chemische Homogenit?t der Schmelze.

Der Kaltwandinduktionstiegel besteht aus mehreren wassergek¨¹hlten Kupfersegmenten, die es dem Induktionsfeld erm?glichen, in das Schmelzmaterial einzukoppeln und aufzuheizen. Das Induktionsfeld erzeugt w?hrend der gesamten Schmelzzeit eine starke Durchmischung der Schmelze mit ausgezeichneter chemischer und thermischer Homogenit?t.

Beschichtung thermischer Barrieren

W?rmed?mmschichten (Thermal Barrier Coatings – TBC) mit Schichtdicken von bis zu 150 ¦Ìm werden in allen modernen Flugzeugtriebwerken zum Schutz von Turbinenschaufeln in der hei?esten Zone eines Triebwerks eingesetzt. Derzeitiger Industriestandard sind Keramikbeschichtungen mit Zirkoniumdioxid (ZrO2), partiell stabilisiert mit Yttriumoxid (z.B. 7YSZ).

Elektronenstrahl-Verdampfung (EB-PVD) ist? eine hervorragende Kombination von Technologie und Kosteneffizienz f¨¹r solche Anwendungen. Eine hohe Produktivit?t wird durch ein gro?es Vorratsmagazin in der Beschichtungskammer erreicht. Dies macht Produktionszeiten von mehreren Tagen m?glich, bevor das Bel¨¹ften der Beschichtungskammer erforderlich ist und neues Beschichtungsmaterial in die Beschichtungsanlage eingebracht werden muss. Programmierbare Substratbewegung mit winkelabh?ngiger Drehzahl der Teile w?hrend der Beschichtung erm?glicht bei komplexen Bauteilgeometrien eine kontrollierbare Dickenverteilung. Die konstante Verdampfung in Bezug auf die Dicke der Beschichtung und die Substrattemperatur wird durch das Ablenkungssteuerungssystem ESCOSYS ? aufrechterhalten. TBCs, die aus zwei verschiedenen Materialien bestehen, sind durch Verwendung einer Multi-Ingot-Option m?glich. F¨¹r einen maximalen Durchsatz k?nnen bis zu vier Be- und Entladestationen in der Beschichtungsanlage verwendet werden.

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Inertgaszerst?ubung

Das Induktionsschmelzen von metallischen Rohstoffen und Legierungen im Vakuum oder in einer kontrollierten Inertgasatmosph?re in Kombination mit einer nachfolgenden Inertgasverd¨¹sung des geschmolzenen Metalls ist das f¨¹hrende Verfahren zur Herstellung gro?er Mengen an hochwertigen und kugelf?rmigen Metallpulvern. Beim Inertgasverd¨¹sungsprozess flie?t eine Metallschmelze durch ein Hochdruck-Inertgas, das den geschmolzenen Metallstrom in Tr?pfchen zerst?ubt, die im Flug zu kugelf?rmigen Pulverpartikeln erstarren. Dieses Verfahren erm?glicht die kosteng¨¹nstige und zuverl?ssige Herstellung von Metallpulvern mit spezifischen Qualit?tskriterien wie kugelf?rmiger Pulvermorphologie, gute?Flie?eigenschaften, definierter Partikelgr??e, niedrigen Sauerstoff- und Stickstoffkonzentrationen und hoher Reinheit. Die hergestellten Pulver werden als Rohstoffe f¨¹r 3D-Metalldruck-, AM-, MIM- und HIP-Prozesse verwendet und zu Bauteilen und Beschichtungen verarbeitet und finden ein gro?es Anwendungsspektrum in der Luftfahrt-, Automobil-, Medizin-, Elektronik- , Werkzeug- und Konsumg¨¹terindustrie. ALD bietet verschiedene kombinierte Schmelz- und Verd¨¹sungssysteme mit unterschiedlichen Schmelzkonfigurationen an, um eine Vielzahl von spezifischen Materialanforderungen zu erf¨¹llen. Die Anlagen gestatten die Herstellung vieler verschiedener Metallpulver, wie Ni/Fe/Co/Cr-Legierungspulver, Edelmetall-Legierungspulver sowie hochschmelzend und reaktive Metallpulver.

Siliziumschmelzen & Kristallisation (SCU)

Die Herstellung von multi- und monokristallinen Siliziumingots durch Schmelzen von reinem Silizium und nachfolgend gerichteter Erstarrung (Directional Silicon Solidification – DSS) der Siliziumschmelze ist ein Schl¨¹sselelement in der Produktionskette von Solarzellen und -modulen. Der DSS-Prozess wirkt sich direkt auf die erzielbaren Zell- und Modulwirkungsgrade aus und bestimmt damit bis zu einem gewissen Grad die Kostenstruktur bei der Herstellung von Solarzellen und -modulen.

Bei diesem Verfahren wird das Siliziumeinsatzmaterial bei Temperaturen bis zu 1500 ¡ã C in einem SiN-beschichteten Quarz-Tiegel geschmolzen, der von einer w?rmeisolierten Heizzone aus Graphitfilz umgeben ist. Anschlie?end wird im gleichen Tiegel eine kontrollierte Siliziumkristallisation eingeleitet, indem die W?rmed?mmung am Heizzonenboden ge?ffnet und gleichzeitig der Tiegelboden durch eine unterhalb der Heizzone angeordnete K¨¹hlvorrichtung gek¨¹hlt wird. Der Siliziumingot wird mittels eines gleichm??ig gerichteten Erstarrungsprozesses hergestellt. An die Kristallisation schlie?t sich ein Gl¨¹h- und Abk¨¹hlprozess unter inerten Bedingungen an.

SCU-Systeme (Silicon Crystallization Unit) der ALD geh?ren zu den renomiertesten DSS-Ofentypen und werden weltweit f¨¹r die Herstellung von Siliziumbl?cken der Generationen 5 bis 8 eingesetzt. Das SCU-Ofendesign erf¨¹llt vollst?ndig die Anforderungen f¨¹r eine kosteneffiziente Herstellung von Silizium-Ingots und ist anderen Anlagen hinsichtlich der resultierenden Ingotqualit?t, Produktivit?t und Betriebskosten ¨¹berlegen.

Sonderanlagen

Induktionsbeheizte Quarzrohr-Anlage (IWQ)

IWQ-?fen werden zum Erhitzen und Behandeln einer Vielzahl verschiedener Materialien, wie Metalle, Metalllegierungen und Gl?ser, bei hohen Temperaturen im Vakuum oder in kontrollierter inerter oder reaktiver Atmosph?re eingesetzt. Im IWQ-Prozess wird Energie entweder ¨¹ber einen Suszeptor oder direkt ¨¹ber den Ladungstr?ger induktiv in das Einsatzmaterial eingekoppelt. Die Rohstoffe werden von den Heizelementen isoliert und in reinen Atmosph?ren verarbeitet. Daher haben die in einem IWQ-Ofen hergestellten Materialien einen hohen Reinheitsgrad, da keine chemische Wechselwirkung zwischen der Induktionsheizquelle und dem zu verarbeitenden Material besteht. IWQ-?fen sind modular aufgebaut und k?nnen f¨¹r viele spezielle Anwendungen wie W?rmebehandlung, Sintern, Metalldestillation und dem Metallrecycling sowie Verglasungsprozessen eingesetzt werden.

Hochtemperatur widerstandsbeheizte Vakuumanlage (WI)

WI-?fen werden f¨¹r spezielle Hochtemperaturprozesse in der Industrie und Forschung, wie zum Beispiel Vakuumgl¨¹hen, Entgasen und Raffinieren, Metall- und Keramiksintern, Vakuum- und Aktivmetallhartl?ten und Vakuummaterialpr¨¹fung, mit au?ergew?hnlichen Anforderungen an das Vakuumniveau eingesetzt. Der WI-Prozess verwendet Widerstandsheizelemente, die die W?rme gleichm??ig in die zu verarbeitenden Materialien ¨¹bertragen und eine gleichm??ige W?rme- und Temperaturverteilung in der Behandlungskammer erm?glichen. WI-?fen sind mit Diffusionspumpen oder Turbomolekularpumpen ausgestattet, um ein Vakuum von weniger als 1 x 10^-7 mbar zu erreichen. Je nach Anwendung und Materialanforderungen k?nnen sowohl Vakuum als auch inerte, oxidierende oder reduzierende Prozessatmosp?hren zum Einsatz kommen.

Vakuum Glas Umforgungsanlagen (TMS)

TMS-?fen werden f¨¹r die thermische Bearbeitung und Formgebung von Gl?sern und Glasplatten eingesetzt. Im TMS-Verfahren werden zun?chst die als Rohstoff eingesetzten Gl?ser mittels einer Widerstandsheizung ¨¹ber die Glastemperatur erhitzt. Dann wird der weiche und z?hfl¨¹ssige Glask?rper durch einen Vakuum-Tiefziehprozess unter Verwendung spezieller Formen geformt. Individuell gestaltete Glasprodukte, Oberfl?chen und Geh?use, die mit TMS-?fen hergestellt werden, k?nnen in Verbraucherartikeln wie Smartphones oder Tablet-, PC- und TV-Monitoren und vielen weiteren Anwendungen eingesetzt werden.

Hei?isothermische Schmiedeanlagen (HIF)

Rotationssymetrische Turbinenteile aus Superlegierungen und Titanlegierungen, die bei hohen Temperaturen eine hohe Festigkeit beibehalten m¨¹ssen, werden ¨¹blicherweise durch Hot Isothermal Forging (HIF) hergestellt. Hot Isothermal Forging hat sich in den letzten Jahren zu einem wichtigen – und f¨¹r viele Anwendungen unverzichtbaren – Verfahren zur Herstellung hochwertiger ?near net shape“ – Teile entwickelt.

HIF Systeme von ALD

• Multizonen-Werkst¨¹ckheizung
• Multizonen Gesenkheizung
• Mikroprozessor-Temperaturregelung
• Manipulator-Vakuumtunnel
• Mehrachsiger Teilemanipulator
• Prozessdokumentation

Near Net Shape Schmieden unter Vakuum

Voraussetzung f¨¹r eine solche metallurgische Materialkonsistenz ist die superplastische Verformung, die durch extrem niedrige Verformungsraten in einem engen Temperaturband erreicht werden kann. Erfolgt das Schmieden unter superplastischen Bedingungen unter Einhaltung bestimmter Parameter, treten nur geringe Spannungen im Werkst¨¹ck auf und die Korngr??e bleibt nahezu unver?ndert. Ein weiterer Vorteil dieses Verformungsverfahrens ist das „Near-Net-Shape“ -Potential und die damit verbundenen Materialeinsparungen sowie ein stark reduzierter Nachbearbeitungsbedarf.