إعادة صهر القوس الكهربائي الفراغي

إعادة صهر القوس الكهربائي الفراغي ( VAR ) هي عملية صهر ثانوية لإنتاج سبائك معدنية ذات تجانس كيميائي وميكانيكي عالٍ لتطبيقات بالغة الدقة. ^{[ 1 ]} وقد أحدثت عملية VAR ثورة في صناعة تقنيات التعدين التقليدية المتخصصة ، وأتاحت إنتاج مواد ذات تحكم دقيق تُستخدم في مجالات الطب الحيوي والطيران والفضاء. ^{[ 2 ]}

تُستخدم عملية إعادة ^تشكيل المعادن بالترسيب الفراغي (VAR) بكثرة في التطبيقات عالية القيمة، وهي خطوة معالجة إضافية لتحسين جودة المعدن. ونظرًا لأنها تستغرق وقتًا طويلًا ومكلفة، فإن معظم السبائك التجارية لا تستخدم هذه العملية. يُعد النيكل والتيتانيوم [ ^{3 ]} والفولاذ المتخصص من أكثر المواد التي تُعالج بهذه الطريقة. يتضمن المسار التقليدي لإنتاج سبائك التيتانيوم معالجة VAR أحادية أو ثنائية أو حتى ثلاثية. ^{[ 4 ]} يوفر استخدام هذه التقنية مقارنةً بالطرق التقليدية العديد من المزايا:

• يمكن التحكم بدقة في معدل تصلب المادة المنصهرة. وهذا يسمح بدرجة عالية من التحكم في البنية المجهرية، فضلاً عن القدرة على تقليل الانفصال.
• تُعتبر الغازات المذابة في المعدن السائل أثناء صهر المعادن في الأفران المفتوحة، مثل النيتروجين والأكسجين والهيدروجين ، ضارة بمعظم أنواع الفولاذ والسبائك. وفي ظروف الفراغ ، تتسرب هذه الغازات من المعدن السائل.
• يتم خفض تركيز العناصر ذات الضغط البخاري العالي مثل الكربون والكبريت والمغنيسيوم ( وهي ملوثات في كثير من الأحيان).
• يتم التخلص من المسامية والانفصال في خط الوسط .
• بعض المعادن والسبائك، مثل التيتانيوم، لا يمكن صهرها في أفران الهواء الطلق.

تُشكّل السبيكة المراد معالجتها بتقنية إعادة التشكيل بالتفريغ الهوائي (VAR) على هيئة أسطوانة، عادةً عن طريق الصهر الحثي الفراغي (VIM) أو التكرير بالهواء. تُوضع هذه الأسطوانة، التي تُعرف باسم القطب الكهربائي، داخل بوتقة أسطوانية كبيرة مغلقة، وتُعرّض لتفريغ معدني ( 0.001-0.1 مم زئبق أو 0.1-13.3 باسكال ). يوجد في قاع البوتقة كمية صغيرة من السبيكة المراد إعادة صهرها، ويُقرّب منها القطب الكهربائي العلوي قبل بدء عملية الصهر. يُستخدم تيار مستمر بقوة عدة كيلو أمبير لبدء قوس كهربائي بين القطعتين، مما يُنتج مصهورًا مستمرًا. تُحاط البوتقة (المصنوعة عادةً من النحاس ) بغلاف مائي لتبريد المصهور والتحكم في معدل التصلب. ولمنع حدوث قوس كهربائي بين القطب الكهربائي وجدران البوتقة، يكون قطر البوتقة أكبر من قطر القطب الكهربائي. ونتيجةً لذلك، يجب خفض القطب الكهربائي تدريجيًا مع استهلاك المصهور له. يُعد التحكم في التيار ومياه التبريد وفجوة الأقطاب الكهربائية أمرًا ضروريًا للتحكم الفعال في العملية وإنتاج مواد خالية من العيوب.  

من الناحية المثالية، يظل معدل الانصهار ثابتًا طوال دورة العملية، إلا أن مراقبة عملية إعادة صهر القوس الكهربائي الفراغي والتحكم بها ليسا بالأمرين البسيطين. ^{[ 5 ]} ويعود ذلك إلى وجود عملية نقل حرارة معقدة تشمل التوصيل والإشعاع والحمل الحراري داخل المعدن السائل، بالإضافة إلى الحمل الحراري الناتج عن قوة لورنتز . لذا، يُعد ضمان اتساق عملية الانصهار، من حيث شكل حوض الانصهار ومعدل الانصهار، أمرًا بالغ الأهمية لضمان الحصول على أفضل خصائص ممكنة للسبيكة.

تُستخدم عملية الترسيب بالترسيب الفراغي (VAR) على العديد من المواد المختلفة. وتعتمد بعض التطبيقات بشكل شبه دائم على مادة خضعت لهذه العملية. ومن بين المواد التي يمكن معالجتها بهذه العملية:

تجدر الإشارة إلى أن التيتانيوم النقي ومعظم سبائك التيتانيوم تخضع لعملية الترسيب بالترسيب الفراغي (VAR) مرتين أو ثلاث مرات. كما تخضع السبائك الفائقة القائمة على النيكل والمستخدمة في تطبيقات الفضاء الجوي عادةً لعملية الترسيب بالترسيب الفراغي. وتخضع سبائك الزركونيوم والنيوبيوم المستخدمة في الصناعة النووية لعملية الترسيب بالترسيب الفراغي بشكل روتيني. وقد تخضع البلاتين والتنتالوم والروديوم النقية أيضاً لعملية الترسيب بالترسيب الفراغي.

تُستخدم المواد المعالجة بتقنية VAR في التطبيقات التي قد يكون لفشل المكونات فيها عواقب وخيمة، والتي تتطلب أعلى مستويات نقاء المواد والسلامة الهيكلية. ^{[ 6 ]}

• إعادة صهر الخبث الكهربائي
• قوس الفراغ
• علم المعادن الفراغي

• بريتانيكا