Das Vakuumschmelzen der Niob-Legierung C103 ist ein entscheidender Schritt bei der Herstellung dieses Hochleistungswerkstoffs. Der Schlüssel liegt in der Erzielung einer hohen Reinheit und homogenen Zusammensetzung des Rohlings durch Hochvakuum und mehrfache Schmelzprozesse. Dies bildet die Grundlage für die weitere Verarbeitung und die hervorragenden Eigenschaften. Die Festigkeit wird durch Mischkristallverfestigung (Hf, Ti und Zr werden in die Nb-Matrix eingebaut) und Dispersionsverfestigung (Verbindungen aus Hf, C und O) erhöht. Es besitzt zudem hervorragende Hochtemperatureigenschaften, gute Plastizität und Schweißbarkeit und ist somit ein ideales Material für die Herstellung von Hochtemperaturkomponenten für die Luft- und Raumfahrt, wie beispielsweise Raketentriebwerksdüsen und Brennkammern.
Das Schmelzen der C103-Legierung erfolgt hauptsächlich durch Vakuum-Selbstauflösungs-Lichtbogenschmelzen (VAR) oder Elektronenstrahlschmelzen (EBM). Aufgrund des Vorhandenseins von hochschmelzendem Niob und niedrigschmelzendem Titan und Zirkonium in der Legierung stellt die Gewährleistung einer homogenen Zusammensetzung die größte Herausforderung des Prozesses dar. Elektrodenherstellung: Dies ist der vorbereitende Schritt vor dem Schmelzen. Eine der wichtigsten Methoden ist die Selbstauflösungselektrodenherstellung. Dabei wird zunächst mittels Pulvermetallurgie oder Schweißverfahren eine „Selbstauflösungselektrode“ mit anfänglich homogener Zusammensetzung aus den Legierungselementen erzeugt. Ein Verfahren besteht beispielsweise darin, zunächst W-, Ta- und Nb-Pulver zu einer Zwischenlegierung zu sintern, anschließend Hf-, Ti- und Zr-Platten auf deren Oberfläche aufzuschweißen und so die selbstauflösende Elektrode zu formen.
Beim Vakuumschmelzen werden die vorbereiteten Elektroden in einen Vakuumofen gegeben und geschmolzen. Ein Hochvakuum ist entscheidend, da es Gase (wie O, N, H) und flüchtige Verunreinigungen effektiv aus dem Metall entfernt und so die Oxidation der Legierung bei hohen Temperaturen verhindert. Das Schmelzen erfordert üblicherweise zwei bis drei Zyklen (d. h. Sekundär- oder Tertiärschmelzen), wobei jeder Schmelzvorgang die chemische Zusammensetzung des Blocks weiter verbessert und Entmischungen und Defekte reduziert. Die geschmolzenen Blöcke können nicht direkt verwendet werden. Sie müssen einer Hochtemperatur-Homogenisierungsbehandlung unterzogen werden, um Gießspannungen abzubauen und die Struktur weiter zu vereinheitlichen. Anschließend werden die Blöcke durch Umformverfahren wie Schmieden, Extrudieren und Walzen zu den benötigten Platten, Stäben, Rohren oder Schmiedeteilen verarbeitet. Während der Verarbeitung wird immer wieder ein Vakuumglühprozess durchgeführt, um Kaltverfestigungen zu beseitigen und die Plastizität des Materials wiederherzustellen.
Wichtige Kontrollpunkte für den Vakuumgrad während des gesamten Prozesses: ≤5×10⁻³ Pa (VAR), ≤1×10⁻⁴ Pa (EBM), um die Oxidation von Hf/Ti und die Bildung harter und spröder Einschlüsse zu verhindern. Gleichmäßige Zusammensetzung, präzises Elektrodenverhältnis, stabile Schmelzrate, mehrere Schmelzvorgänge, um die Hf/Ti-Entmischung zu vermeiden. Schmelzbadkontrolle: stabiler Lichtbogen/Elektronenstrahl, geeignete Schmelzbadtiefe, um Schichtung und Porosität der Komponenten zu verhindern. Kühlgeschwindigkeit: starke Kühlung des wassergekühlten Kupfertiegels, Kornfeinung, Reduzierung von Säulenkristallen, Verbesserung der nachfolgenden Verarbeitungseigenschaften. Verunreinigungskontrolle: hochreine Rohstoffe, sauberer Ofenraum, keine Graphitverunreinigung (C103 vermeidet spröden Kohlenstoff).
Die Nachbehandlung nach dem Gießen umfasst ein gleichmäßiges Glühen bei 1600 °C für 3 Stunden unter Vakuum-/Argon-Schutzgasatmosphäre mit Ofenkühlung, um dendritische Entmischung zu beseitigen und die Plastizität zu verbessern.
Die Warmumformung beinhaltet Strangpressen/Schmieden bei Temperaturen über 1200 °C und Walzen/Ziehen bei Temperaturen unter 500 °C, wodurch Fertigprodukte (Platten, Stäbe, Drähte) entstehen. Vor dem Eintritt in den Vakuumofen ist die Herstellung einer hochwertigen, selbstverbrennenden Elektrode die halbe Miete. Aufgrund des signifikanten Unterschieds der Schmelzpunkte zwischen hochschmelzenden Metallen wie Niob, Wolfram und Tantal in der Legierung C103 und niedrigschmelzenden Metallen wie Hafnium, Titan und Zirkonium (bis zu 800 °C oder mehr) kann direktes Mischen und Schmelzen zu einer ungleichmäßigen Zusammensetzung führen. Daher wurde ein ausgeklügeltes „Schrittverfahren“ entwickelt:
Zur Herstellung der Zwischenlegierung werden zunächst hochschmelzende Wolfram- (W) und Tantalpulver (Ta) mit Niobpulver (Nb) vermischt. Anschließend wird durch Pulvermetallurgie (Pressen und anschließendes Vakuumsintern bei hoher Temperatur von 1700 °C bis 1900 °C für 10 bis 15 Stunden) eine homogene Nb-Ta-W-Zwischenlegierung hergestellt. Dieser Schritt löst auf elegante Weise das Problem der Homogenität bei hochschmelzenden Metallen.
Die selbstverbrauchende Elektrode wird montiert, und der erhaltene Zwischenlegierungsblock wird einer Oberflächenbehandlung zum Schutz vor Oxidation (z. B. Beschichtung mit Glaspulver) unterzogen und warmgeschmiedet. Anschließend werden mittels WIG-Schweißen Hafnium-, Titan- und Zirkoniumplatten präzise und parallel an die vier Seiten des Blocks geschweißt. So wird eine „selbstverbrauchende Elektrode“ hergestellt, die auf makroskopischer Ebene das richtige Verhältnis jedes Elements aufweist und bei der die Elemente mit hohem Schmelzpunkt auf mikroskopischer Ebene vorlegiert wurden.
