Numerical modelling of cold crucible induction melting (CCIM) process and fabrication of high value added components of titanium and its alloys

Abstract

This dissertation concerns the development of a numerical modelling of cold crucible induction melting (CCIM) and the fabrication of high value added components of titanium and its alloys. Titanium and its alloys have emerged as a very attractive metal for numerous applications: medical prostheses, aerospace industry, automotive industry, power generation, sport equipment, and marine engineering. The reason lie in their attractive properties, such as excellent biocompatibility, high specific strength, excellent corrosion resistance, excellent high temperature creep resistance, and good fracture toughness. However, the application of titanium is often limited by its relatively high cost. This high cost of titanium makes casting very attractive route. However, is it difficult to cast these alloys by conventional casting techniques because of the titanium reactivity at high temperatures, which reacts with the crucible and mould components. The CCIM process is currently the most effective means of melting these alloys. The CCIM is an innovative process to melt high melting point reactive materials such as titanium alloys. The melting and casting of the material is performed in vacuum or in a protective atmosphere in order to prevent any contamination of the charge. Moreover, a water cooled segmented crucible is used instead of a ceramic crucible to avoid any kind of reaction among the charge and the crucible. The magnetic field generated by an external coil penetrates through the slits of the crucible and generates induced currents in the charge, which are responsible of melting it due to Joule heating. The drawbacks of this process are the poor efficiency due to great percentage of heat that is removed by the cooling system and the small superheat of the melt, which can cause solidification problems. In this dissertation, we have selected the CCIM process to melt and cast titanium alloys. The aim of this dissertation consists on increasing the scientific knowledge about the CCIM process by means of both a numerical and an experimental approach. The main part of the dissertation focuses on the development of a numerical modelling of CCIM to optimize of the main parameters of the process. The task of optimizing melt superheat faces the challenge of finding optimal combination of crucible height to diameter ratio, number of inductor turns, crucible design, current strength, and frequency. Variation of any of the after mentioned factors influences the shape of melt meniscus and, as a result, flow pattern and energy balance. The second part deals with the set-up of an installation of CCIM and the fabrications of titanium components. As a result of the present work some goals have been achieved, being the most important: a) Development of numerical modelling of CCIM, b) setting up of a CCIM installation, and c) casting of titanium parts.

Tesi honek “Cold crucible induction melting (CCIM)” prozesuaren simulazio numerikoaren gainean eta prozesu honen bidez titaniozko balio erantsi altuko osagaiak ekoizteko modua tratatzen du. Titanioak eta bere aleazioek interes handia sortu dute aplikazio industrial askotan: mediku protesiak, aeronautika, automozioa, energia generazioa, kirol ekipamendua eta itsas ingeniaritza. Arrazoia bere ezaugarri erakargarrietan errotzen da: biokonpatibilitate bikaina, erresistentzia espezifiko altua, korrosioaren aurkako erresistentzia ezin hobea, tenperatura alturako isurpenaren aurkako erresistentzia paregabea eta hausturaren aurkako erresistentzia. Hala ere, bere kostu altuak bere aplikazioak murrizten ditu. Galdaketa-prozesuek kostu txikiagoko produktuetara daramate. Hala ere, zaila da aleazio hauek galdaketa prozesu konbentzionalekin urtzea, tenperatura handitan erreaktibotasun handia daukate eta. CCIM prozesua aleazio hauek galdatzeko prozesu eraginkorren arten dago gaur egun. CCIM prozesua material erreaktiboak urtzeko prozesu berritzailea da. Bai urtze bai galdaketa hutsean edo atmosfera babesle baten egiten da materialaren erreakzioa saihesteko. Gainera, ohiko zeramikozko arragoen ordez segmentudun kobrezko arragoa erabiltzen da. Kanpoko harilak sortutako kanpo magnetikoa arragoaren arteketatik barneratzen da eta indukziozko korronteak sortzen ditu kargan, karga bera urtuz Joule beroketagatik. Prozesu honen arazoak efizientzia eskasa (hozte sistemak xurgatzen duen beroagatik) eta solidotzearazoak eragin ditzakeen gainberotze txikia dira. Tesi honetan, CCIM prozesua aukeratu dugu titaniozko aleazioak galdaketa prozesuaren bidez fabrikatzeko. Tesi honen helburua CCIM prozesuaren gaineko ezaguera zientifikoa handitzean datza bai ikuspegi teorikoa bai ikuspegi esperimentala erabiliz. Tesiko alderdi nagusia prozesuaren parametro nagusiak optimizatzeko CCIM prozesuaren zenbakizko modelizazioaren garapenaran gainean tratatzen du. Gainberotze tenperatura optimizatzeko zeregina arragoaren altura diametro ratioa, harilaren espira kopurua, arragoaren diseinua, korrontea eta frekuentziaren balio optimoa aurkitzean datza. Aipatutako faktoreen edozein aldaketek meniskoaren egoeran eragiten du, eta ondorioz, jariakinaren patroian eta energi balantzean. Tesiaren bigarren atalak CCIM instalazio bat abiarazteaz eta titaniozko osagaiak fabrikatzeaz dihardu. Lan honen emaitz garrantzitsuenak hurrengokoak dira: a) CCIM prozesuaren modelo numerikoaren garapena. b) CCIM prozesuaren instalazio baten abiaraztea. c) Titaniozko piezen galdaketa.

Esta tesis trata sobre el desarrollo de un modelo numérico del “cold crucible induction melting (CCIM)” y la fabricación de componentes de alto valor añadido de titanio y sus aleaciones mediante este proceso. El titanio y sus aleaciones se han convertido en un metal muy atractivo para numerosas aplicaciones: prótesis médicas, industria aeroespacial, industria de automoción, generación de energía, deporte e ingeniería marina. La razón radica en sus propiedades atractivas, tales como excelente biocompatibilidad, alta resistencia específica, excelente resistencia a la corrosión, excelente resistencia a la fluencia a alta temperatura y buena resistencia a la fractura. Sin embargo, la aplicación de titanio es a menudo limitada por su coste relativamente alto. Los procesos de fundición conducen a productos de menores costes. Sin embargo, es difícil fundir estas aleaciones por técnicas de moldeo convencionales, debido a la reactividad de titanio a altas temperaturas, que reacciona con el crisol y molde. El proceso CCIM es actualmente el medio más eficaz de fusión de estas aleaciones. El CCIM es un proceso innovador en la que la fusión y colada del material se realiza bajo vacío o dentro de una atmósfera protectora y donde se utiliza un crisol refrigerado segmentado de cobre en vez de los habituales crisoles cerámicos para evitar cualquier tipo de reacción entre la carga y el crisol. El campo magnético generado por una bobina externa penetra a través de las ranuras del crisol y genera corrientes inducidas en la carga, las cuales son las responsables de la fusión debido al calentamiento Joule. Los inconvenientes de este proceso son la baja eficiencia debido al gran porcentaje de calor que se elimina por el sistema de refrigeración y el pequeño sobrecalentamiento del metal fundido, que puede causar problemas de solidificación. En esta tesis, hemos seleccionado el proceso CCIM para fundir y colar las aleaciones de titanio. El objetivo de esta tesis consiste en aumentar el conocimiento científico sobre el proceso CCIM tanto de un modo numérico como un modo experimental. La parte principal de la tesis se centra en el desarrollo de un modelo numérico de CCIM para optimizar de los principales parámetros del proceso. La tarea de optimizar sobrecalentamiento se enfrenta al reto de encontrar la combinación óptima de la altura del crisol a diámetro, número de espiras del inductor, diseño del crisol, intensidad de corriente y frecuencia. La variación de cualquiera de los factores mencionados influye en la forma del menisco del metal líquido y, como resultado, el patrón del fluido y el balance de energía. La segunda parte trata de la puesta en marcha de una instalación de CCIM y la fabricación de componentes de alto valor añadido de titanio. Como resultado de este trabajo se han logrado algunos objetivos, siendo los más importantes: a) Desarrollo de modelos numéricos del CCIM. b) Puesta a punto de una instalación CCIM. c) Fundición de piezas de titanio.