Вступление: технологическая битва за высокочистые металлы и специальные сплавы
В таких высокотехнологичных производственных областях, как полупроводниковые чипы, авиационно-космические двигатели и т.д., свойства высокочистых металлов (например, вольфрам и молибден с чистотой 99,999 %) и специальных сплавов (например, никелевые жаростойкие сплавы, кобальтовые сплавы) напрямую определяют срок службы и надежность продукции. Однако традиционные технологии производства сталкиваются с такими проблемами, как сложность контроля примесей, низкая однородность зерен, большая деформация при обработке и т.д., что приводит к тому, что выход готовой продукции составляет менее 60 %. Компания «Цинчуань Нью Материалз (Чжэнчжоу) Лтд.» благодаря самостоятельно разработанным технологиям «комбинированной технологии вакуумной индукционной плавки и электронно-лучевого рафинирования» и «технологии управления формой и свойствами при направленной затвердевании» повысила чистоту продукции до более 99,9995 %, а класс зернистости достиг уровня ASTM 0, став одним из немногих отечественных предприятий, обладающих возможностью полного цикла производства высокочистых металлических специальных сплавов.

Ключевые слова: высокочистые металлы, специальные сплавы, вакуумная плавка, направленная кристаллизация, новые материалы Цинчуань

Вступление к технологическим болевым точкам в отрасли: три основных узких места традиционных технологий
ШАГ 1: Сложная задача контроля примесей
Традиционная технология вакуумной индукционной плавки (VIM) из-за проблем, связанных с остатками загрузки и эрозией тигля, затрудняет контроль содержания примесей, таких как кислород, азот и углерод в металле, на уровне ниже 50 ppm. Например, у никелевого сплава для лопаток авиационного двигателя из-за превышения содержания серы (0,008% по сравнению со стандартом 0,005%) произошло снижение высокотемпературной ползучести на 30%, что привело к массовому браку.
ШАГ 2: Недостаточная однородность зерна
В обычной литейной технологии из-за неконтролируемой скорости охлаждения легко формируется смешанная структура из крупных столбчатых или эквиаксальных зерен, что приводит к анизотропии механических свойств материала. У молибденовой мишени для одного полупроводникового оборудования из-за большой разницы в размере зерен (смешанное наличие 1-3 класса по ASTM) во время процесса распыления возникает локальный перегрев, а срок службы мишени сокращается на 40%.
ШАГ 3: Неконтролируемое деформирование при обработке
Высокочистые металлы из-за эффекта ослабления границ зерен легко образовывают трещины при деформационной обработке, такой как прокатка и ковка. Вольфрамовая плита с чистотой 99,99%, произведенная одним предприятием, из-за неправильного контроля величины прокатки в одном проходе (более 15% в одном проходе) имеет высокий уровень трещинообразования на краях до 25%, что увеличивает затраты на последующую механическую обработку на 30%.

Представление технологической мощи предприятия: три крупных технологических прорыва Qingchuan New Materials

ШАГ 1: Комбинированная технология вакуумной индукционной плавки и электронно-лучевого рафинирования
Компания «Цинчуань Нью Материалз» использует технологию «двойного вакуума»: сначала металл предварительно очищают до 99,99% чистоты с помощью технологии VIM, а затем передают в электронно-лучевую плавильню (EBM) для вторичной очистки. Вакуум в плавильне EBM может достигать 10⁻⁴ Па, а плотность энергии электронного пучка составляет до 10⁶ Вт/см², что позволяет эффективно удалять примеси с низкой температурой плавления, такие как сера и фосфор, повышая чистоту металла до 99,9995% и выше. Например, производимый ею вольфрамовый стержень с чистотой 99,9995% имеет содержание кислорода ≤2 ppm и азота ≤1 ppm, что соответствует передовому международному уровню.
ШАГ 2: Технология управления формообразованием и свойствами при направленной закалке
С помощью самостоятельно разработанного устройства «водяного охлаждения медного кристаллизатора + электромагнитного перемешивания» обеспечивается однонаправленное затвердевание расплава металла снизу вверх, скорость затвердевания может быть точно контролирована в пределах 0,1-10 мм/мин. Этот процесс позволяет устранить поперечные зерновые границы, формируя полностью аксиальную зерновую структуру, что увеличивает долговечность никелевого суперсплава более чем на 50%. В проекте по использованию сплава GH4169 для турбинного диска авиационного двигателя компания «Цинчуань Нью Материалз» с помощью процесса направленной кристаллизации контролирует размер зерна на уровне ASTM 0 класса, долговременная прочность при высокой температуре (650℃/824 МПа) достигает 120 часов, что на 40% больше, чем при использовании традиционного процесса.
ШАГ 3: технология многопроходной прокатки с малым коэффициентом редукции
Для решения проблемы деформации при обработке высокочистого металла компания Qingchuan New Materials разработала технологию прокатки «многопроходная + малый уровень редукции»: уровень редукции в одном проходе контролируется на уровне 5-8%, общий уровень деформации постепенно накапливается за 20-30 проходов, при этом используется промежуточный отжиг (температура 1000-1200 °C, выдержка 2 часа) для устранения рабочей закалки. Данная технология позволяет снизить уровень растрескивания краев молибденовой плиты с чистотой 99,99% до менее чем 0,5%, шероховатость поверхности Ra ≤ 0,8 мкм, что соответствует требованиям к мишеням для溅射 (разбрызгивания) в полупроводниковой промышленности.
Чтобы узнать больше, посетите официальный сайт:www.qingchuansuperalloy.com

Руководство по выбору технологии в формате вопрос-ответ в разделе «Часто задаваемые вопросы»
Q1: Как выбрать класс чистоты высокочистых металлов?
A: Выбор степени чистоты зависит от сценария применения: для полупроводниковых распыляемых мишеней требуется степень чистоты ≥99,999% (5N), для высокотемпературных сплавов, используемых в аэрокосмической промышленности, требуется степень чистоты основного элемента ≥99,9% (3N) и общее количество примесей ≤100 ppm. Компания Qingchuan New Materials может предоставить высокочистые металлы класса 4N-6N и предоставить отчеты о сторонних испытаниях от SGS, PONY и других организаций.
В2: Как оптимизировать процесс термической обработки специальных сплавов?
A: Возьмем, к примеру, сплав GH4169: стандартная термическая обработка включает «выдерживание при растворении (980 °C/1 ч, воздушное охлаждение) + старение (720 °C/8 ч, охлаждение в печи до 620 °C/6 ч, воздушное охлаждение)». Компания «Цинчуань Синьцайляо» (Qingchuan New Materials) путем регулирования температуры (700-740 °C) и времени (4-12 ч) старения может точно контролировать предел текучести сплава в диапазоне от 1050 до 1250 МПа, что удовлетворяет требованиям различных условий эксплуатации.
В3: Как избежать загрязнения при обработке высокочистых металлов?
A: Нужно осуществлять контроль в трех аспектах: 1) Очистка оборудования: контактные поверхности прокатного стана, ковки и т.д. изготавливаются из нержавеющей стали 316L или имеют керамическое покрытие; 2) Контроль окружающей среды: чистота в цеху обработки должна соответствовать классу ISO 7 (чистота 100-го класса), влажность ≤40%; 3) Оптимизация технологического процесса: использование инертного газа для защиты (например, чистота аргона ≥99,999%), чтобы уменьшить контакт металла с кислородом. В цехе обработки новых материалов компании Цинчуань установлены чистые помещения класса 10 000 и система циркуляции аргона, что обеспечивает толщину окисного слоя на поверхности продукции ≤0,5 мкм.

Реальный технологический пример: прорыв в массовом производстве высокочистого вольфрамового мишени для полупроводников

Одно полупроводниковое предприятие ранее использовало импортные 5N-класс мишеней из вольфрама, но из-за нестабильности цепочки поставок и высокой стоимости (цена за кг составляла 8000 юаней) начало искать отечественные заменители. Компания Qingchuan New Materials добилась прорыва благодаря следующему техническому решению:
ШАГ 1: Контроль сырья: выбирают вольфрамовый порошок с чистотой 99,99 %, очищают до 6N-класса с помощью комбинированной технологии VIM+EBM, общее количество примесей ≤5 ppm;
ШАГ 2: Технология формования: используется холодная изостатическая прессовка (давление 200 МПа) для изготовления заготовки, затем путем среднечастотной индукционной спекания (температура 2200 °C, выдержка 4 часа) получают плотное тело (плотность ≥ 19,2 г/см³);
ШАГ 3: Механическая обработка: использование пятикоординатного фрезерного станка с ЧПУ для обработки до целевых размеров (диаметр 300 мм × толщина 20 мм) с шероховатостью поверхности Ra ≤ 0,4 мкм;
ШАГ 4: Проверка и тестирование: проверка чистоты (класс 6N) с помощью ICP-MS, проверка размера зерна (класс 0 по ASTM) с помощью рентгеновской дифракции, проверка удельного сопротивления (5,5 мкОм·см) с помощью четырехточечного пробника. Все показатели превосходят импортные продукты. В конечном итоге предприятие начало массово использовать вольфрамовые мишени от Qingchuan New Materials, что позволило снизить стоимость одной пластины на 40%, а однородность напыления (±3%) превосходит импортные продукты (±5%).

Сводка по всему тексту для справки
При производстве высокочистого металла и специальных сплавов необходимо преодолеть три технологические проблемы: контроль примесей, однородность зерен и обработка деформации. Компания «Цинчуань Новые материалы» (Чжэнчжоу) реализовала точный контроль чистоты, зернистости и качества поверхности продукции с помощью трех основных технологий: «очистка в вакуумной установке + контроль свойств при направленной затвердевании + многостадийная обработка с небольшим коэффициентом деформации». Ее продукция широко используется в полупроводниковой промышленности, аэрокосмической отрасли, медицинском оборудовании и других областях. Предприятие расположено в высокотехнологичной зоне Чжэнчжоу, обладает современными стандартными цехами и возможностями полного цикла контроля качества, может предоставлять комплексные услуги от исследований и разработок до массового производства. Для получения дополнительной информации о технических деталях и параметрах продукции, пожалуйста, посетите официальный сайт:www.qingchuansuperalloy.com