Innovative refractory and induction melting systems for titanium and titanium alloys

• Applicants: Professor Dr.-Ing. Christos G. Aneziris; Professor Dr.-Ing. Bernd Friedrich
• Subject Area: Glass, Ceramics and Derived Composites ; Metallurgical, Thermal and Thermomechanical Treatment of Materials
• Term: from 2015 to 2020
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 275028606

• Final Report Year: 2018

Final Report Abstract

Der Werkstoff CaZrO3 als neuartiger feuerfester Werkstoff wurde aufbauend auf den vorherigen Forschungsergebnissen eingehend erforscht. Dabei umfasste die Untersuchung sowohl die Rohstoffherstellung, Verarbeitung, Anwendung, Einsatzverhalten als auch eine Untersuchung und Verbesserung der Thermoschockeigenschaften. Im Rahmen des vorliegenden Projektes konnte gezeigt werden, dass äquimolares, gesintertes CaZrO3 sich als weitgehend stabiler gegenüber Titanlegierungen verhält als in einem Lichtbogenofen erschmolzenes Calciumzirkonat. Des Weiteren konnten Korrosionsmechanismen soweit untersucht werden, dass eine metallurgische Fahrweise für das Recycling und auch die Primärerzeugung von Titanwerkstoffen möglich erscheint. Es hat sich eine deutliche Verbesserung hinsichtlich Tiegelgeometrievariation durch die Verwendung von gegossenen Tiegeln gegenüber den isostatisch gepressten Tiegeln herausgestellt. Es ist gelungen auch größere Bauteile aus synthetisiertem, grobkörnigem Calciumzirkonat bei Raumtemperatur und mit Wasser als Dispergiermedium zu gießen und diese zeigten sowohl physikalisch als auch thermomechanisch vielversprechende Eigenschaften. Durch die Verwendung des synthetisierten Sintermaterials und des Ausgleiches des calciumoxidhaltigen Binders mit Zirkoniumdioxid ist es gelungen einen Werkstoff ohne weitere Verunreinigungen oder Nebenphasen herzustellen. Die neuartige Gießmasse eröffnet das Potential auch eines gradierten Strukturaufbaus, dicht für den ersten Kontakt mit der Schmelze und grobkörnig im Volumen für verbesserte Thermoschockeigenschaften von großvolumigen Bauteilen. Die erzielten Ergebnisse stellen für die Industriepartner eine wesentliche Erweiterung der Schmelztechnologie von Titan und Titanlegierungen dar. Es wird davon ausgegangen, dass die erzielten Ergebnisse in den nächsten Monaten auch Anwendung in der industriellen Praxis finden werden. Auf Basis der erfolgreichen Umsetzung einer Gießmasse in Großtiegelformat im Rahmen des DFG Transfer-Projektes hat sich die Firma Refratechnik Steel als Ziel die Produktion von noch größeren Tiegeln gesetzt. Zusätzlich erfolgt eine vollständige Charakterisierung des Tiegelwerkstoffs. Außerdem sollen noch weitere industrielle Anwendungsfelder auf ihre Rentabilität geprüft werden. Eine Möglichkeit kann dabei die Vergasungsindustrie sein, in der aktuell noch hoch-chromhaltige Werkstoffe eingesetzt werden. Um den Einfluss von wiederholten Schmelzvorgängen in ein und demselben Tiegel auf die Qualität der gewonnen Titanlegierungen zu untersuchen, sind zukünftig industrienahe Versuche mit den Großtiegeln (7 l Füllvolumen) am IME der RWTH Aachen geplant. Es wird erwartet, dass die Verunreinigungen bei fortschreitendem Gebrauch in den Schmelzprodukten abnehmen. Voraussetzung ist dabei die Tiegelstabilität für mehrere Schmelzvorgänge einzustellen.

Publications

• „Pressure Slip Casting of Graded Coarse Grained Oxide Ceramics for Refractory Applications“, China’s Refractories 25 (3), 2016, S. 17-24
  Schafföner, S.; Thalheim, M.; Freitag, L.; Hubálková, J.; Aneziris, C. G.
  
• Rheology and processing of coarse grained suspensions for pressure slip casting of graded composites based on refractories. (2017) Proceedings of 15th Biennial Worldwide Congress on Refractories UNITECR´17, Santiago de Chile, 27. - 29.09.2017, S. 246-249
  Schafföner, S., Fruhstorfer, J., Gehre, P., Thalheim, M., Hubálková, J., Aneziris, C.G.
  
• „Influence of in situ phase formation on properties of calcium zirconate refractories“, Journal of the European Ceramic Society 37 (1), 2017, S. 305-313
  S. Schafföner, J. Fruhstorfer, C. Faßauer, L. Freitag, C. Jahn, C.G. Aneziris
  
• Cement free castables made of solid state sintered stoichiometric calcium zirconate for melting titanium and titanium alloys. 61st International Colloquium on Refractories 2018, Aachen, 27.09.2018, Proceedings S. 164-167
  Jahn, C., Schafföner, S., Vonderstein C., Friedrich, B., Jansen, H., Aneziris, C.G.
  
• „Cyclic cold isostatic pressing and improved particle packing of coarse grained oxide ceramics for refractory applications“, Ceramics International 44 (8), 2018, S. 9027-9036
  S. Schafföner, J. Fruhstorfer, S. Ludwig, C.G. Aneziris
  
• „Refractory castables for titanium metallurgy based on calcium zirconate“, Materials & Design 148, 2018, S. 78-86
  S. Schafföner, T. Qin, J. Fruhstorfer, C. Jahn, G. Schmidt, H. Jansen, C.G. Aneziris