Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

Інститут електрозварювання ім.Є.О.Патона

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

ОСНОВНІ ЗАКОНОМІРНОСТІ ВПЛИВУ ТЕПЛОФІЗИЧНИХ УМОВ КРИСТАЛІЗАЦІЇ МЕТАЛУ ПІД ЧАС ЕЛЕКТРОННО-ПРОМЕНЕВОЇ ПЛАВКИ НА СТРУКТУРУ І ВЛАСТИВОСТІ ЗЛИВКІВ

ЖУК Геннадій Віліорович

УДК 669.187.526

Спеціальність - 05.16.07

“Металургія високочистих металів та спеціальних сплавів”

Київ - 2003

Дисертація є рукопис.

Робота виконана в Інституті електрозварювання ім.Є.О.Патона НАН України

Науковий консультант:

Доктор технічних наук, професор

Замков Вадим Миколайович

Інститут електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України, завідувач відділом

Офіційні опоненти:

Доктор технічних наук, професор, член-кореспондент НАНУ

Лакомський Віктор Йосипович

Інститут електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України, провідний науковий співробітник

Доктор фізико-математичних наук, профессор

член-кореспондент НАНУ

Фірстов Сергій Олексійович

Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М.Францевича НАН України,

заступник директора

Доктор технічних наук, ст. науковий співробітник

Ладохін Сергій Васильович

Фізико-технологічний інститут металів і сплавів НАН України, завідувач відділом

Провідна установа:

Національна металургійна академія України, м. Дніпропетровськ

Захист відбудеться “25” лютого 2004 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.182.01 при Інституті електрозварювання ім.Є.О.Патона НАН України за адресою 03680, Київ-150, МСП, вул. Боженка,11.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради, Киреєв Л.С. доктор технічних наук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

сплав титан нікель

Актуальність теми. Однією з основних тенденцій розвитку сучасної металургії є одержання структури і властивостей металу зливка, що максимально сприяють його подальшій деформації та механічній обробці. Особливо високі вимоги пред'являються до зливків легованих сплавів (жароміцних, жаростійких, корозійностійких і т.п.). Задачами, які необхідно вирішувати при виплавці таких зливків, є подрібнення структури, подолання структурної і хімічної макро- і мікронеоднорідності. З іншого боку, необхідно забезпечити високу чистоту металу зливків від газів, шкідливих домішок і включень. Необхідний рівень чистоти забезпечують технології, що використовують вакуум як захисне середовище. Структуроутворення зливка визначається в основному марочним складом сплаву, теплофізичними умовами його кристалізації, а також змістом у ньому домішок. Теплофізичні умови в кристалізаторі вирішальним чином впливають на структуру зливків.

Широкі можливості по очищенню металу і регулюванню нагрівання поверхні зливка металу в кристалізаторі забезпечує електронно-променева плавка з проміжною ємністю (ЕППЄ) завдяки застосуванню незалежного джерела нагрівання - електронного променя. Наявність проміжної ємності дозволяє ефективно рафінувати розплав металу і забезпечувати його подачу в кристалізатор необхідними порціями з заданою частотою. ЕППЄ дозволяє розділити процеси плавки і кристалізації і, таким чином, у широких межах змінювати умови нагрівання металу в кристалізаторі при незмінній технологічній продуктивності процесу переплаву. Разом з тим, структуроутворення зливка в процесі ЕППЄ вивчені недостатньо.

Дослідження кристалізації металу при ЕППЄ проводилися в Інституті електрозварювання ім. Є.О.Патона. Були встановлені основні принципи подрібнення і гомогенізації структури зливків: створення плоского фронту кристалізації і зменшення обсягу порцій твердіючого розплаву. Визначено відповідні технологічні умови ЕППЄ: зсув максимуму електронно-променевого нагрівання зливка в кристалізаторі убік його периферійної частини і застосування так званої порційної плавки (ЕПППЄ). У роботах М.П.Тригуба і Д.А.Козлітіна були досліджені особливості твердіння металу зливків сталей і сплавів на нікелевій основі, що характеризуються широким інтервалом кристалізації. У результаті досліджень встановлені феноменологічні залежності структури зливків легованих сталей і сплавів від теплофізичних умов їхнього формування, без урахування швидкостей охолодження розплаву при кристалізації.

Вітчизняними (В.І.Махненко, Д.А.Козлітін, В.Ф.Демченко) і закордонними (Д.Абліцер, Ж.-П.Бело, А.Жарді) вченими методами математичного моделювання досліджувалися процеси твердіння зливків при електронно-променевій плавці з проміжною ємністю, у тому числі з урахуванням гідродинамічних факторів. Визначено механізми тепло- і масопереносу, сегрегації хімічних елементів у зливках титанових сплавів. У той же час, дослідження залежності умов твердіння зливків від технологічних параметрів плавки обмежувались визначенням форми і розмірів металевої ванни.

Дослідженню можливостей поліпшення структури зливків на прикладі сплавів на основі титану і нікелю шляхом підвищення швидкостей охолодження при кристалізації в процесі електронно-променевої плавки з проміжною ємністю присвячена дана дисертаційна робота.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження проводилися в Інституті електрозварювання ім. Е.О. Патона НАН України відповідно до планів науково-дослідних робіт у рамках таких тем: 58/5 “Вивчення процесів рафінування і кристалізації при ЕПП із проміжною ємністю кольорових, тугоплавких, високореакційних металів і сплавів на їх основі і розробка устаткування і технологічних процесів одержання з них заготівок і зливків з гарантованим хімічним складом” (1997 1999р.), 58/6 “Розробка електронно-променевої технології одержання композиційних матеріалів на основі легких сплавів і зміцнюючих волокон з диспергованого розплаву у вакуумі” (2000-2002 р.).

Метою дисертації є встановлення залежності кристалічної будови, структури і властивостей зливків сплавів на основі титана і нікелю від теплофізичних параметрів електронно-променевої плавки з проміжною ємністю і розробка технологічних рекомендацій, що забезпечують задану структуру зливка при плавці з різними умовами охолодження розплаву.

Відповідно до зазначеної мети були поставлені наступні основні задачі:

1. Вивчити процеси теплопередачі й охолодження зливків при електронно-променевій плавці з проміжною ємністю.

2. Дослідити вплив технологічних параметрів електронно-променевої плавки на температурні умови кристалізації, розміри рідкої ванни, швидкість охолодження розплаву, структуру і фазовий склад зливків нікелевих і титанових сплавів.

3. Розробити метод швидкісної кристалізації при електронно-променевій плавці шляхом диспергування розплаву металів і сплавів із проміжної ємності й устаткування для його реалізації.

4. Створити математичні моделі, що визначають умови кристалізації розплаву в процесі формування зливків титанових сплавів при ЕППЄ, зливків і композиційних матеріалів при диспергуванні розплаву з проміжної ємності.

5. Визначити оптимальні технологічні параметри виплавки титанових зливків з гомогенною структурою методом ЕППЄ, одержання зливків, композиційних матеріалів і з'єднання титанових і нікелевих сплавів методом електронно-променевого диспергування розплаву з проміжної ємності.

Наукова новизна роботи полягає в наступному:

· Одержала подальший розвиток теорія кристалізації зливків напівбезупинних процесів електрометалургії (Флемінгс, Єфімов) в частині твердіння зливків ЕППЄ. Встановлено залежність характеру кристалізації металу та структури зливка від швидкості охолодження розплаву, що досягаеться перед початком кристалізації.

· Уперше визначено вплив основних технологічних параметрів ЕППЄ - потужності та розподілу електронно-променевого нагріву зливка в кристалізаторі, продуктивності плавки та розміру порцій розплаву, що подаються до кристалізатора - на структуру та властивості зливків титанових сплавів. Встановлено, що зменшення питомої потужності нагріву центральної частини зливка з 106 Вт/м2 до 7·105 Вт/м2 та нагрів периферії зливка 8·106 Вт/м2 дозволяє перейти від глибокої металевої ванни до твердо-рідкого стану поверхні зливка в кристалізаторі при висоті порцій розплаву 6...24 мм.

· Встановлена критична швидкість нарощування зливка 0.2 мм/с, вище якої запобігання утворенню глибокої металевої ванни в кристалізаторі стає неможливим.

· Показано та експериментально підтверджено, що підвищення швидкості охолодження титанового сплаву Ti-6Al-4V з 0.4 К/с до 7 К/с (при цьому градієнт температури на границі твердої фази зменшується з 12 К/мм до 6 К/мм, а швидкість кристалізації збільшується з 0.04 мм/с до 1 мм/с) призводить до зміни структури зливка від стовпчастої до рівноосної, що сприяє стабілізації міцностних характеристик і підвищує значення ударної в'язкості литого металу.

· Доведено можливість одержання якісних зливків жароміцних сплавів на основі -алюминида титану масою до 300 кг методом ЕППЄ. Встановлено, що для отримання зливків заданого хімічного складу в процесі плавки необхідний рівномірний розподіл температури по поверхні зливка.

· Запропонований процес диспергування розплаву з проміжної ємності (ЕПДРЄ), під час якого швидкості охолодження металу при кристалізації в мікрооб'ємах досягають значення до 105 К/с. Показано, що застосування примусового охолодження зливка, який формується, дозволяє збільшити швидкість охолодження розплаву в 5 разів.

· Встановлено вплив швидкості охолодження розплаву в інтервалі

10-2 - 105 К/с на параметри елементів структури жароміцного нікелевого сплаву. При цьому з підвищенням швидкості охолодження відстань між вторинними дендритними вітками та розміри зміцнюючої -фази зменшуються на два порядки величин.

· Визначено залежність товщини прошарку, що виникає при взаємодії металів з обмеженою взаємною розчинністю в процесі ЕПДРЄ, від температури. Експериментально доведено, що висока швидкість кристалізації дозволяє зменшити товщину інтерметалідного прошарку при одержанні волокнистого композиційного матеріалу на основі алюмінієвої матриці і сталевих волокон до 0.01 мм.

Практичне значення роботи. На основі аналітичних і експериментальних досліджень вивчені теплофізичні умови кристалізації металу при електронно-променевій плавці з проміжною ємністю, на базі яких розроблена технологія одержання зливків на основі титана і нікелю з рівноосною структурою.

Розроблено математичну модель процесів переносу тепла в зливку ЕППЄ, що дозволяє прогнозувати структуру зливків титанових сплавів у залежності від технологічних параметрів плавки. Визначено оптимальні технологічні режими одержання зливків титанового сплаву Ti-6Al-4V з рівноосною структурою.

Запропоновано спосіб формування зливка кристалізацією розплаву в мікрооб'ємах шляхом диспергування розплаву з проміжної ємності в електронно-променевих установках (ЕПДРЄ). Метод дозволяє одержувати зливки жароміцних нікелевих сплавів, волокнисті композиційні матеріали й укрупнювати титанові зливки. Розроблено устаткування для диспергування розплаву з проміжної ємності за допомогою обертового барабана-подільника (диспергатора).

Визначено технологічні режими одержання методом ЕПДРЄ зливків жароміцного нікелевого сплаву Udimet 720 з однорідною дрібнокристалічною структурою, дисперсним розподілом структурних і фазових складових, що дозволило підвищити його міцністні властивості в середньому на 20%.

Розроблена і прийнята у виробництво технологія виплавки в електронно-променевих установках зливків-слябів титанового сплаву Ti-6Al-4V з рівноосною структурою й ізотропними механічними властивостями. Структура є оптимальною для наступної прокатки слябів і одержання листа.

Особистий внесок автора. У дисертаційній роботі постановка задач дослідження, вибір наукових підходів до їхнього рішення, створення математичних моделей формування зливка і волокнистого композиційного матеріалу з диспергованого розплаву, розробка наукових основ оптимізації структури зливків сплавів на основі нікелю і титану при ЕППЄ і ЕПДРЄ зроблені особисто автором. При визначенні закономірностей формування структури зливків титанових сплавів при електронно-променевій плавці з проміжною ємністю, моделюванні процесу формування зливка титанових сплавів при ЕППЄ, розробці технології і створенні устаткування для диспергування розплаву з проміжної ємності, підготовці і проведенні експериментів по одержанню зливків і композиційних матеріалів з диспергованого розплаву, обробці їхніх результатів, формулюванню висновків, підготовці публікацій за результатами досліджень внесок автора був визначальним. Автор брав активну участь у проведенні експериментальних плавок титанових сплавів методом ЕППЄ, а також при впровадженні результатів досліджень у промислове виробництво.

Апробація роботи. Основні положення і результати роботи доповідалися й обговорювалися:

o на Міжнародній конференції “Зварювання і споріднені технології - у 21 століття”, м. Київ, Україна, 18 - 21 листопада 1998р.;

o на Міжнародній науково-технічній конференції “Виробництво сталі в XXI столітті. Прогноз, процеси, технологія, екологія” м. Київ, Україна, 15 - 16 травня 2000р.;

o на I Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих вчених і фахівців “Зварювання і споріднені технології”, м. Ворзель, Україна, 22 - 24 травня 2001р.;

o на 5-й Міжнародній конференції “Променеві технології”, м. Гале, Німеччина, 27 - 28 листопада 2001р.;

o на Міжнародній науково-технічній конференції “Спеціальна металургія - учора, сьогодні, завтра”, м. Київ, Україна, 8-9 жовтня 2002 р.;

o на Міжнародній конференції “Фізико-хімічні основи металургійних процесів”, м. Москва, Росія, 19-20 листопада 2002 р.;

o на II Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих вчених і фахівців “Зварювання і споріднені технології”, м. Ворзель, Україна, 25 - 27 червня 2003 р.;

o на 10-й Міжнародній конференції по титану “Ti-2003”, м. Гамбург, Німеччина, 13-18 липня 2003 р.

Публікації. За темою даної дисертації опубліковано 39 робіт, у тому числі 22 статті в академічних журналах, збірниках наукових праць і матеріалах конференцій, отримано 17 патентів України.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, шести розділів, загальних висновків, списку використаних літературних джерел. Дисертація має загальний обсяг 351 сторінки машинописного тексту, включаючи 38 таблиць та 126 малюнків на 49 сторінках і список літератури з 162 найменувань на 16 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В введенні обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульована мета роботи й основні задачі дослідження, описані об'єкт і методи дослідження, викладені наукова новизна і практична цінність отриманих результатів з урахуванням особистого внеску автора.

В першому розділі викладені сучасні погляди на залежність кристалічної будови зливків від теплофізичних умов їхньої кристалізації, описані існуючі технології швидкісного твердіння розплавів і шляхи їхнього удосконалення.

Теорія об'ємної кристалізації допускає можливість існування переохолодженого стану рідкого металу щодо рівноважної лінії ліквідусу й особливо лінії солідусу. Характер макроструктури, що утворюється, ця теорія пояснює ступенем переохолодження рідкого металу. Переохолодження, що досягається для розплаву даного складу, цілком залежить від швидкості його охолодження. У залежності від характеру кривих охолодження металу при кристалізації, у зливку можливі три типи структур: стовпчаста, рівноосна і змішана.

Для одержання в зливку гомогенної дрібнозернистий рівноосної структури необхідно домагатися підвищення швидкостей охолодження розплаву при його кристалізації. Високі швидкості охолодження (до 1010 К/с) можуть бути досягнуті методами швидкісної кристалізації. При цьому більшість з цих методів характеризується низькою продуктивністю і, відповідно, вузькою областю застосування - виробництво порошків, лусочок, стрічок і т.п. Значно більш високу продуктивність забезпечують OSPREY - процес, що є модифікацією індукційної плавки, а так само розроблений у ІЕЗ ім. Є.О.Патона метод електронно-променевого диспергування розплаву (ЕПДР). Основний недолік OSPREY-методу складається в забрудненні вихідного металу газом, що розпорошує, і матеріалом тигля. Недоліком процесу ЕПДР є необхідність попередньої підготовки заготівки, що витрачається. Заготовка є одноразовою, до неї пред'являються високі вимоги по чистоті металу і точності механічної обробки. Крім того, заготовка в процесі ЕПДР використовується менш, ніж на 50% маси, і технологічні параметри процесу диспергування змінюються в міру зменшення її діаметра. Усі перераховані вище фактори негативно впливають на технологічні й економічні показники процесу ЕПДР. Необхідне удосконалення методу ЕПДР шляхом застосування диспергування з проміжної ємності з метою підвищення економічної ефективності процесу. Використання проміжної ємності дозволить проводити процес диспергування безперервно, з незмінними технологічними параметрами, оскільки з'являється джерело постійного надходження матеріалу, що витрачається, в робочу зону диспергування за рахунок подачі рідкого металу з проміжної ємності.

Другий розділ присвячений опису використовуваних у роботі матеріалів, устаткування, методик проведення експериментів і досліджень.

Експерименти по дослідженню основних закономірностей кристалізації металу проводили на електронно-променевій установці УЕ-121. Електронно-променева установка УЕ-121 є високопродуктивним агрегатом промислового типу для плавки металів і сплавів із проміжною ємністю. Установка оснащена трьома аксіальними електронними гарматами “Патон-300”, номінальною потужністю 300 кВт, які мають диференціальну відкачку, що дозволяє вести процес плавки в стійкому режимі й ефективно фокусувати електронний промінь. Вакуумна система установки УЕ-121 дозволяє створити розрідження в об'ємі плавильної камери (102 Па) і гарматах (103 Па), що забезпечує безперебійну роботу гармат протягом усього технологічного процесу і необхідний ступінь рафінування металу, що переплавляється.

Розроблено новий спосіб диспергування розплаву металу з проміжної ємності за допомогою обертового барабана (диспергатора) (рис.1). Сутність способу полягає в наступному. В електронно-променевій установці відбувається плавлення вихідного металу електронними променями. В якості сировини (заготовка, що витрачається) можуть бути використані як насипні шихтові матеріали (брухт, губчаті напівфабрикати), так і цільна зварена заготовка. Метал подається механізмом подачі в зону плавки і сплавляється електронними променями в проміжну ємність. Накопичений рідкий метал зливається з проміжної ємності на обертовий диспергатор, якому надається висока швидкість обертання (порядку 2000 об/хв) і поверхня якого піддається нагріванню концентрованим електронним променем. Під впливом відцентрових сил рідкий метал зривається з поверхні диспергатора по дотичній до фокальної плями концентрованого електронного променя у вигляді потоку дисперсних рідких крапель. Потік крапель розплаву, що мають малий розмір (до 1 мм) і високу швидкість (до 10 м/с) направляють на формотворну поверхню (підкладку). На підкладці, під впливом напірного тиску, краплі розтікаються в тонкий шар (порядку 0.1 мм), і моментально кристалізуються без утворення рідкої ванни. Як підкладка можуть бути використані: водоохолоджуваний кристалізатор (для одержання зливків), металева пластина (для одержання біметалічних композицій), проміжок між деталями, що з'єднуються, (для з'єднання), каркас зі зміцнюючих елементів (для одержання композиційних матеріалів).

Для проведення експериментів було спроектоване, виготовлене і змонтоване технологічне оснащення для проведення процесу диспергування розплаву з проміжної ємності. Основним вузлом технологічного оснащення є диспергатор, обертання якому надається від зовнішнього привода через систему вакуумних ущільнень. Швидкість обертання барабана регулюється в межах 0...2500 об/хв, що дозволяє надавати розплаву прискорення до 200 g.

В третьому розділі запропоновано математичні моделі теплофізичних процесів при ЕППЄ зливків титанових сплавів, ЕПДРЄ зливків і волокнистих композиційних матеріалів. Визначено швидкості охолодження розплаву, швидкості кристалізації та градієнти температур, залежність умов кристалізації від технологічних параметрів плавки і диспергування.

При розробці нових і удосконалюванні наявних металургійних технологій дуже ефективним є застосування методу математичного моделювання. У ІЕЗ ім. Е.О.Патона під керівництвом Д.А.Козлітіна розроблені основні принципи моделювання технологічного процесу ЕППЄ. Основою моделей є рівняння теплопровідності Фур'є для поля температур зливка, що формується. При цьому фізичні характеристики матеріалів представлені у вигляді кусково-лінійних функцій температури, виділення скритої теплоти кристалізації враховано до теплоємності у вигляді дельта-функції, а відвід тепла від зливка прийнятий у вигляді комбінації законів Стефана-Больцмана і Ньютона-Ріхмана.

Була розроблена математична модель процесів переносу тепла в циліндричному зливку, що формується (рис.2). У моделі розглядається процес формування зливка в мідному водоохолджуваному кристалізаторі. Поверхня зливка обігрівається двома електронними променями, причому потужність одного з них рівномірно розподілена в центральній зоні (0<r<R1), а іншого - у периферійній зоні (R1<r<R). У математичній моделі технологічними параметрами, що контролюються є: потужності центрального і периферійного променів W1 і W2, величина порції, періодичність заливання, швидкість (продуктивність) плавки. Процес переносу тепла описується рівнянням теплопровідності в циліндричній системі координат () для випадку осьової симетрії, де вісь збігається з віссю зливка (вісь симетрії), а вісь - з радіальним напрямком. Початок координат задамо на нижньому торці зливка. Рівняння теплопровідності в цьому випадку приймає вигляд

, (1)

,

де s(t) - поточне положення верхнього торця зливка.

На верхньому торці зливка відбувається підведення тепла за рахунок обігріву електронними променями і випромінювання тепла за законом Стефана-Больцмана. Таким чином, гранична умова на верхньому торці зливка може бути представлена у вигляді

, (2),

при цьому питома потужність електронно-променевого нагрівання розподіляється в такий спосіб

при ;

при (3).

Особливістю моделі є врахування експериментально встановленого факту деформації донної частини зливків титанових сплавів за рахунок зусилля витягування й усадки у вигляді зміни нижньої граничної умови. Теплообмін за законом Ньютона-Рихмана

(4)

с табличним значенням коефіцієнта теплопередачі відбувається в обмеженій області радіусом (де зливок контактує з піддоном). В іншій частині дна зливка був застосований ефективний коефіцієнт теплопередачі , що враховує променистий теплообмін.

У рамках моделі (1)-(4) були проведені розрахунки температурного поля зливка, що формується в процесі ЕППЄ. Був досліджений вплив на характер твердіння зливка наступних технологічних параметрів: продуктивності плавки, періодичності заливання і потужності електронно-променевого нагрівання зливка. Встановлено, що найбільший вплив на теплофізичні параметри кристалізації металу має електронно-променеве нагрівання. Шляхом зміни величини енергії, що надається електронними променями поверхні зливка (при незмінних інших технологічних параметрах), отримані три режими плавки (рис.3): з наявністю глибокої ванни рідкого металу на поверхні зливка (для зливка Ш200 мм - 0.05...0.06 м) (режим 1), дрібної (0.01...0.015 м) ванни рідкого металу (режим 2) і твердо-рідкий стан поверхні (режим 3). Визначено, що квазістаціонарний температурний режим зливка досягається при довжині зливка не менш 200 мм, тобто рівної діаметру зливка.

Розраховано відповідні режимам плавки швидкості охолодження рідкого металу при його твердінні (рис.4). Швидкість охолодження була визначена, як відношення перегріву рідкого металу, що заливається з проміжної

ємності, над температурою початку кристалізації (температурою ліквідус) до часу переходу у твердо-рідкий стан об'єму металу, рівного обсягу порції, що заливається. Як показали розрахунки, швидкість охолодження при переході з режиму 1 на режим 3 змінюється майже в 20 разів.

Використовуючи поля температур у циліндричному зливку діаметром 200 мм титанового сплаву Ti-6Al-4V ЕППЄ для режимів 1-3 були розраховані відповідні градієнти температур на границі рідкої ванни і швидкості кристалізації розплаву (табл.1). Згідно проведеним у рамках моделі (1)-(4) розрахункам, час встановлення рівноваги у верхній (головній) частини зливка складає 10...20% від часу між заливаннями чергових порцій. У розрахунках використана методика, при якій швидкість кристалізації визначалася, як середня за час встановлення рівноваги. Аналогічним чином обчислювали градієнт температури поблизу поверхні рідкої ванни. Необхідно відзначити, що отримані результати добре відповідають карті кристалізації, запропонованій американськими колегами з Air Force Recearch Laboratory (рис.5). Режим 1 відповідає стовпчастій структурі зливків, режим 3 - рівноосній, що підтверджується аналізом поперечних темплетів зливків діаметром 200 мм титанового сплаву Ti-6Al-4V.

Таблиця 1

Залежність температурного градієнта G і швидкості кристалізації R від режимів обігріву зливків діаметром 200 мм титанового сплаву Ti-6Al-4V.

Режим №	W1, кВт w1, Вт/см2	W2, кВт w2, Вт/см2	Температурний градієнт G, К/см	Швидкість кристалізації R, см/с
1	18 57.3	15 172.4	118	0.0036
2	11 35.0	15 172.4	86	0.019
3	5 15.9	15 172.4	64	0.11

Примітка. У знаменнику - питома потужність електронно-променевого нагрівання.

Встановлено також залежність глибини рідкої ванни і зони двофазного стану від продуктивності процесу плавки та частоти подачі рідкого металу з проміжної ємності в кристалізатор. Існує критична продуктивність плавкі - близько 0.2 мм/с, при якій починає різко зростати глибина жидкофазної зони.

Так, для зливка титанового сплаву Ti-6Al-4V діаметром 200 мм критична продуктивність плавки складає 100 кг/год (рис.6).

При цьому зниження потужності центрального нагрівання не призводить до зменшення глибини зони, а лише до зміни її фазового складу. Але необхідно відмітити, що подібна швидкість (продуктивність) плавки є достатньо високою і практично не використовується, тому для реального процесу ЕППЄ тепловкладення за рахунок рідкого металу, що подається до кристалізатора завжди можливо компенсувати зміною електронно-променевого нагріву зливка. Тепловий стан зливка, що формується, так само як і глибина рідкої ванни і ширина двофазної зони у незначному ступені залежать від частоти подачі рідкого металу з проміжної ємності в кристалізатор (наприклад, глибина ванни змінюється максимум на 0.01 м) в дослідженому диапазоні зміни цієї величини (6...24 мм), який може бути досягнутий в промислових умовах.

Завдяки зміні глибини металевої ванни і, відповідно, теплофізичних параметрів в кристалізаторі, змінюється характер кристалізації зливка. При наявності глибокої ванни металу розплав кристалізується від стінок кристаллизатора. При цьому утвориться стовпчаста структура зливка. При твердому-рідкому стані поверхні зливка весь обсяг порції металу, що заливається, переохолоджується до температури масового утворення зародків, і відбувається об'ємна кристалізація зливка.

Створена математична модель процесів переносу тепла в циліндричному зливку також дозволяє моделювати такий аспект кристалізації зливків, як виникнення усадочної раковини (рихлини). Глибина залягання усадочної раковини визначалася як положення теплового центру на осі зливка перед затвердінням останньої ділянки розплаву при відключенні електронно-променевого обігріву. Була розрахована глибина залягання усадочної раковини в зливку сплаву Ti-6Al-4V Ш200 мм - 16...55 мм від поверхні. Також були визначені режими виводу теплового центру на поверхню зливка після закінчення плавки. Виведення теплового центру здійснюється шляхом двохстадійного зниження потужності центрального і периферійного нагрівання. Визначено чисельні значення зазначених потужностей для різних режимів плавки (табл.2).

Був створений ряд математичних моделей, які відображають різноманітні аспекти застосування методу ЕПДРЄ. Так, для визначення температурних режимів кристалізації металу при ЕПДРЄ створена математична модель формування зливка з диспергованого розплаву. Розплав наноситься на підкладку суцільним струменем чи потоком крапель з постійною конфігурацією і витратою матеріалу. Нанесення відбувається пошарово, причому супроводжується підігрівом зони нанесення джерелом енергії поверхневої дії - електронним променем. Вакуум визначає режим теплообміну з зовнішнім середовищем, що обмежується променистим теплообміном за законом Кирхгофа.

Таблиця 2

Режими виводу усадки в зливку ш 200 мм Ti-6Al-4V.

Потужність ЕП нагрівання зливка на стадії виплавки, кВт	Потужність ЕП нагрівання зливка на стадії виведення усадки, кВт	Час виведення усадки ф, с
W1	W2	W1	W2
15	15	6	8	305
11	15	7	8	250
9	15	8	8	225

Задача вирішувалася для одномірного випадку в системі координат ОХ. При цьому рівняння Фур'є приймає вигляд

(5)

,

де -товщина підкладки. Гранична умова на верхній границі шару, що формується має вигляд

(6),

Врахування виділення прихованої теплоти кристалізації дозволяє вирішити задачу методом наскрізного рахунка без явного виділення границі фазового переходу. При переході від підкладки до зливка змінюються тільки теплофізичні характеристики матеріалу: для підкладки () ; для зливка () Принципово новим у моделі формування зливка з диспергованого розплаву є те, що підкладка є водоохолоджуваною (мідна частина піддона кристалізатора). Ця особливість пов'язана з підвищенням продуктивності процесу при диспергуванні розплаву з проміжної ємності. При цьому гранична умова на нижній границі підкладки приймає вигляд

(7)

Методами математичного моделювання розраховані температурні поля в зливку, що формується з диспергованого розплаву. Визначено вплив потужності електронно-променевого нагрівання поверхні зливка в процесі кристалізації на розподіл температури в зливку. Встановлено, що при використанні водоохолоджуваної підкладки температурне поле більш стійке у часі, що дозволяє в широких межах (від 1200 К до 1550 К) змінювати температуру на поверхні зливка, що формується.

Визначено характерні швидкості охолодження жароміцного нікелевого сплаву при кристалізації в процесі ЕПДР із проміжної ємності (рис.7). У широкому інтервалі температур підкладки (аж до температури 1500К) швидкості охолодження складають 104 - 105 К/с. Встановлено, що оптимальна питома потужність електронно-променевого нагрівання зливка, що відповідає температурі на поверхні зливка, близької до лінії солідус 1550 К, знаходиться в межах 300-400 кВт/м2.

Для дослідження теплових умов утворення тонкого прошарку на межі інтерметалідоутворюючих пар металів створена математична модель формування композиційного матеріалу методом ЕПДРЄ (рис.8). Моделюється процес, при якому простір між волокнами, натягнутими на різній відстані від підкладки заповнюється диспергованим розплавом.

Спочатку розраховували поле температур у матриці, що формується, (для цього була використана математична модель теплових процесів швидкого твердіння при литті диспергированного розплаву (5)-(7)), а потім - в околиці волокон. Моделювалася ситуація, при якій сталеве порожнє волокно з внутрішнім радіусом r1, зовнішнім радіусом r2 і початковою температурою Tв поміщене на відстань Sв від підкладки в матрицю з початковою температурою Tм, що була розрахована на попередньому етапі. Tм вибиралася з поля температур T(x,) у системі підкладка-матриця, як температура поверхні матриці в момент досягнення координати Sв. Область матриці була обмежена ззовні радіусом r3, що вибирався з розуміння, що на цій відстані від осі волокна його вплив на розподіл температури в матриці не істотно, і вона змінюється відповідно до залежності T(Sв,), розрахованої на попередньому етапі. Таким чином, дія математичної моделі зводилося до рішення одномірного рівняння теплопровідності без явного виділення границі переходу

(8)

(де T-температура, c-питома теплоємність, -щільність матеріалу, l - теплопровідність) з початковими умовами (=0)

T(r1<r<r2)=Tв; T(r2<r<r3)=Tм (9)

і граничними умовами:

на внутрішній границі волокна (r=r1)

(10)

на зовнішній границі матриці (r=r3)

T=T(Sв,). (11)

Були розраховані температурні поля для сталевих волокон в алюмінієвій і титановій матрицях. Визначено оптимальні технологічні режими, що не призводять до виникнення рідкої ванни в матриці і, у той же час, підтримують максимальну температуру на границі волокно-матриця для їхнього задовільного зчеплення - для сталевих волокон у Al матриці швидкість нанесення 1 мм/с, потужність ЕП нагрівання 5105 Вт/м2, температура контакту з підкладкою 820К; для сталевих волокон у Ti матриці швидкість нанесення 0.2 мм/с, потужність ЕП нагрівання 1106 Вт/м2, температура контакту з підкладкою 1350К.

В рамках моделі (8)-(11) розраховані товщини інтерметалідного прошарку в наближенні дифузійної взаємодії металів - 15...30 мкм. Розрахункові дані підтверджуються результатами рентгеноспектрального аналізу, згідно яким товщина прошарку знаходиться у вказаному диапазоні.

Четвертий розділ присвячено впливу технологічних параметрів ЕППЄ на теплофізичні умови формування зливків титанових сплавів. Досліджено вплив технологічних параметрів плавки на хімічний склад, структуру і властивості зливків круглого і прямокутного перетинів.

Дані математичних розрахунків у рамках моделі (1)-(4) підтверджуються результатами експериментальних плавок зливків титанового сплаву Ti-6Al-4V. Плавки проводилися відповідно до розрахованих режимів. Режиму 1 відповідає стовпчаста макроструктура, режиму 3 - рівноосна. Таким чином, показано, що при ЕППЄ шляхом зміни режиму обігріву металу в кристалізаторі можливо кардинальним чином змінювати структуру зливка (рис.9).

Характер кристалізації зливків впливає на механічні властивості металу в литому стані. Особливо помітний вплив кристалічної структури зливків на ударну в'язкість. Значення ударної в'язкості металу зливків, виплавлених без рідкої ванни (середній показник KCV сплаву Ti-6Al-4V знаходиться на рівні 40 Дж/см2), характеризуються в 3 рази меншим розкидом результатів, при цьому середнє значення зростає на 20%. Це порозумівається руйнуванням зразків зливка, виплавленого при наявності глибокої ванни, по границях кристалитів. Аналогічна залежність спостерігається для інших показників механічних властивостей: меж міцності і пластичності, відносного подовження і поперечного звуження (табл.3).

Таблиця 3

Механічні властивості зливка TI-6AL-4V Ш200 мм, отриманого за допомогою ЕППЄ.

Місце відбору зразків	Режим 1	Режим 3
	уВ, МПа	у0.2, МПа	д, %	ш, %	уВ, МПа	у0.2, МПа	д, %	ш, %
Край зливку	921.7	875.6	5.3	24.9	886.7	874.2	7.3	30.1
Середина	885.8	858.8	7.3	34.7	900.7	872.8	8.0	30.1

Дослідження хімічного складу зливків, отриманих відповідно до розрахованих режимів, показали відсутність макросегрегації легуючих елементів у перетині зливка (табл.4). При цьому зливки, виплавлені без рідкої ванни, характеризуються більш рівномірним мікророзподілом елементів.

Експериментальні плавки зливків TI-6AL-4V проводили з застосуванням рекомендованого двостадійного процесу виводу усадки. Ультразвуковий контроль показав відсутність у зливках яких-небудь дефектів усадочного характеру.

Таблиця 4

Розподіл елементів у поперечному перерізі зливка TI-6AL-4V Ш200 мм (для різних режимів плавки)

№	Вміст елементів, мас.%
	Al	V	Fe
	центр	Ѕ R	R	центр	Ѕ R	R	центр	Ѕ R	R
1	6.2	6.4	6.3	3.7	3.6	3.7	0.13	0.14	0.16
3	6.2	6.3	6.3	3.6	3.6	3.7	0.12	0.15	0.13

Велике значення для кристалізації металу зливка має не тільки загальна потужність нагрівання верхнього торця зливка, але і розподіл потужності по поверхні. Були проведені експерименти по вивченню впливу конфігурації нагрівання на характер кристалізації прямокутних зливків-слябів. Застосовували два режими сканування променями: рівномірне сканування по всій поверхні торця зливка і сканування по периметру кристалізатора. При рівномірному розподілі ЕП нагрівання потужністю 65 кВт у прямокутному кристалізаторі 150х500 мм у центрі верхнього торця зливка утворюється глибока рідка ванна, що призводить до утворення стовпчастої структури зливка. Застосування периферійного нагрівання потужністю 45...65 кВт призводить до виникнення у зливку рівноосної структури. При збереженні загальної потужності спостерігається перегрів металу в периферійній зоні зливка і, як наслідок, виникнення локальних стовпчастих кристалітів. Зниження загальної потужності призводить до рівноосної структури по всьому перетині зливка (рис.10). Таким чином, застосування периферійного обігріву сляба дозволяє не тільки одержати у ньому рівноосну структуру, але і знизити потужність, що витрачається на обігрів зливка в кристалізаторі на 25%.

Одним з недоліків напівфабрикатів з титанових сплавів є анізотропія механічних властивостей. Так, згідно літературним даним, розходження в межах міцності в зразках титанового листа зі зливків ВДП, вирізаних уздовж і поперек прокату, складає близько 20%. Безсумнівно, великий вплив на анізотропію властивостей титанових сплавів після прокатки має структура вихідних зливків. При наявності в слябі стовпчастої структури, і наступній прокатці в напрямку росту кристалітів, структурна анізотропія посилюється. Якщо ж у вихідному зливку-слябі по всьому його перетині присутня рівноосна структура, у прокаті може з'явитися тільки анізотропія, зв'язана з умовами прокату. В Інституті металофізики НАН України методом стереографічного рентгенівського аналізу були досліджені текстури зливків-слябів перетином 150х500 мм титанового сплаву TI-6AL-4V, виплавлених при різних технологічних режимах. Стереографічний аналіз показав значні зміни в текстурі сляба при переході від центрального до периферійного режиму обігріву сляба при його виплавці. Так, сляби, виплавлені з застосуванням центрального обігріву, характеризуються яскраво вираженою нитковидною текстурою кристалізації, у якій напрямок {200}в орієнтовано (з деяким незначним розосередженням) паралельно довгій осі зливка. Для слябів, виплавлених із застосуванням периферійного обігріву торця в кристалізаторі, якої-небудь спрямованості текстури не спостерігається.

Таким чином, застосування періферійного обігрівання дозволяє, за рахунок вирівнювання фронту кристалізації і підвищення швидкості охолодження розплаву перед початком кристалізації, одержувати зливки не тількі з однорідною структурою, але й з ізотропною текстурою.

Необхідно відзначити, що для деяких сплавів особливо важливою характеристикою є рівномірність розподілу хімічних елементів у зливку. Такими сплавами, безсумнівно, є сплави на основі г-алюміниду титана, в основу яких покладено стехіометричний склад TiAl (по 50% ат.). Відхилення від стехіометрії убік титана викликає зниження жароміцності, убік алюмінію - ламкість металу. Як відомо з літературних джерел, дотепер не вдавалося одержувати зливки г-алюміниду титана методом електронно-променевої плавки через виборчий випар легуючих елементів. Для виключення виникнення макронеоднорідності хімічного складу необхідний рівномірний розподіл температури по поверхні рідкої ванни в кристалізаторі. З іншого боку, для формування гладкої поверхні зливка необхідно місцеве підвищення питомої потужності електронно-променевого нагрівання в периферійній частині зливка. З метою оптимізації параметрів плавки г-алюміниду титана були проведені розрахунки в рамках математичної моделі процесів переносу тепла в зливку при ЕППЄ (1)-(4). Визначено потужність ЕП нагрівання зливка у кристалізаторі - 12 кВт, швидкість плавки - 57 кг/год, при яких поверхня рідкої ванни в центральній частині верхнього торця зливка має однакову температуру, а в периферійній частині досягається мінімальний перегрів (50 К). При цьому створюються однорідні по радіусі умови випару алюмінію. Розраховані температурні поля, що змінюються в часі, у зливку, що формується, дозволили визначити швидкості охолодження розплаву при кристалізації. Установлено, що швидкість охолодження збільшується при видаленні від центра зливка з 1.3 К/с до 3 К/с на периферії зливка.

Відповідно до розрахованого режиму були виплавлені зливки алюміниду титана (Ti-32Al-2.9Cr-4.7Nb, мас. %) Ш 165 мм. З використанням досвіду, накопиченого при виплавці циліндричних зливків г-алюміниду титана, були проведені експериментальні плавки зливків-слябів перетином 150х500 мм, довжиною до 1 м і масою до 300 кг сплаву системи Ti-32Al-1.4Cr (мас. %). Зливки як круглого, так і прямокутного перетинів характеризуються відсутністю пор, мікротріщин, рівномірністю розподілу хімічних елементів (середнє відхилення значень змісту хімічних елементів склало: для алюмінію - 0.4%, для хрому і ніобію - 0.2%). Мікроструктура зливків однорідна по їхньому поперечному перерізі, вміст газів не перевищує: O - 0.05, N - 0.02 % мас.

Таким чином, були визначені теплофізичні умови і відповідні їм технологічні параметри плавки, що сприяють поліпшенню структури і властивостей зливків титанових сплавів принципово різних типів у процесі ЕППЄ. Для деяких більш складних композицій (наприклад, жароміцних сплавів, що дисперсійно твердіють) необхідне подальше підвищення швидкості охолодження розплаву при кристалізації, а значить використання нових технологічних прийомів. У ІЕЗ ім. Є.О.Патона під керівництвом А.Л.Тихоновського проводилися експерименти по одержанню зливків жароміцних сплавів ЕП549, ЕП741, ЕП975 і ЕІ698 методом порційної кристалізації (ЕПППЄ) і з піддувом гелію в кристалізатор, що дозволило підвищити швидкість охолодження розплаву до 10 К/с. Як показано в розд.3, розроблений метод ЕПДРЄ дозволяє досягти швидкості охолодження розплаву 105 К/с, і з цього погляду його застосування для одержання жароміцних сплавів представляє значний науковий і практичний інтерес.

В п'ятому розділі досліджено залежність структури жароміцного нікелевого сплаву від швидкостей охолодження розплаву при кристалізації, а також узагальнені результати досліджень по укрупненню титанових зливків шляхом з'єднання їх диспергованим розплавом, одержанню композиційних матеріалів з алюмінієвою і титановою матрицями методом ЕПДРЄ.

Згідно розрахованим у рамках математичної моделі формування зливка з диспергованого розплаву режимам методом ЕПДРЄ були отримані зливки жароміцного сплаву Udimet 720. Від вихідних зливків ВДП і ЕППЄ зливки ЕПДРЄ відрізняються дрібнозернистою структурою. Мікроструктура зливків ЕПДРЄ має дендритний і дендритно-зеренний характер. Виміряна відстань між вітками дендритів (1 - 3 мкм) підтверджує розраховані швидкості охолодження розплаву. Розмір евтектичних включень г-гґ коливається від 15 до 70 мкм. Карбіди несприятливої морфології (типу ієрогліфів), характерних для металу ВДП, заміняються більш дрібними карбідами, що мають форму округлих часток. Завдяки дрібнодисперсній структурі метал ЕПДРЄ відрізняється низьким коефіцієнтом ліквації легуючих елементів (табл.5).

Таблиця 5

Розподіл легуючих елементів у структурі

сплаву Udimet 720 ЕПДРЄ.

Ділянка структури	Вміст елементів, % мас.
	Cr	Ni	Al	Ti	Mo	Co	W
матриця кристаліту	17.1	53.4	2.4	4.2	3.0	18.5	1.00
міжкристалітний простір	16.8	53.4	2.3	5.0	3.3	18.2	0.75
Коеф. ліквації	-1.02	1.0	-1.04	1.26	1.10	-1.02	-1.33

Встановлено залежності параметрів мікроструктури жароміцного нікелевого сплаву від швидкості охолодження розплаву при кристалізації. Збільшення швидкості охолодження призводить до подрібнення структурних і фазових складових. Для сплаву, отриманого за допомогою технології ЕПДРЄ характерні наступні параметри: середній розмір часток зміцнюючої фази - 0.1...0.3 мкм, середній розмір карбідних включень - 5...8 мкм.

За розробленою технологією методом ЕПДРЄ отримані близькі за формою до виробу заготівки діаметром 250 мм деталей турбін з жароміцного нікелевого сплаву Udimet 720. Матеріал зливків характеризується однорідною дрібнозернистою структурою, гомогеністью хімічного складу, сприятливою конфігурацією і розмірами (у межах декількох мкм) зміцнюючої гґ-фази і неметалічних включень. Зазначені особливості структури визначають високі механічні властивості металу зливків у широкому діапазоні температур (табл.6).

Таблиця 6

Механічні властивості сплаву Udimet 720 ЕПДРЄ.

t, °С	уВ, МПа	у0.2, МПа	ш,%	HRc
20	1260	763	31	25.5…29.0
750	977	679	30
1100	215	196.9	79

Високі швидкості охолодження дозволяють також проводити диспергованим розплавом з'єднання металевих поверхонь без оплавлення крайок, які з'єднуються, що виключає утворення в з'єднанні грубої кристалічної структури. Титанові пластини, з'єднані шляхом заповнення розділки крайок диспергованим розплавом, відрізняються однорідною дрібнозернистою структурою при 100%-ний щільності металу шва. Характерною рисою з'єднання є відсутність видимої зони сплавки і наявність різкої границі між металом шва й основним металом, причому ця границя чітко повторює форму розділки.

Дослідження мікроструктури з'єднання підтвердили, що границя між ЗТВ і основним металом - це перехід від структури рекристалізованого металу до структури деформованого металу. У той же час у ЗТВ поблизу шва мікроструктура металу типова для ділянки перегріву на технічному титані. Однак ширина цієї ділянки не перевищує 2..3-х діаметрів зерна. Слід також зазначити відсутність зони сплавки характерної для з'єднань, виконаних зварюванням плавленням. З'єднання основного металу з металом шва в даному випадку являє собою чітку лінію, що відокремлює одну від другої дві ділянки з'єднання з принципово різними мікроструктурами. Це свідчить про те, що при заповненні розділки крайок потоком диспергованого розплаву основний метал не оплавляється. Дослідження показали необхідність попереднього нагрівання крайок перед заповненням розділки (до температури 1200°С) - інакше на границі шва утвориться розсіяна пористість. Слід зазначити високу міцність з'єднань: межа міцності склала 470 і 723 МПа відповідно для титанових сплавів ВТ1- 0 і ПТ-3В.

Переваги з'єднання диспергованим розплавом дозволили застосувати метод для укрупнення зливків: з'єднували зразки плоских зливків-слябів сплаву ВТ1- 0 товщиною 70 мм. Укрупнені зливки піддавали прокатці до товщини 10 мм. Після прокатки мікроструктура деформованого металу шва і зони термічного впливу не має відмінностей від мікроструктури металу сляба. Рівномірністю по довжині пластини (зразки для механічних випробувань відбирались як з зони з'єднання, так і з основного металу) відрізняються і механічні властивості металу (табл.7).

Таблиця 7

Механічні властивості зливка, укрупненого ЕПДРЄ, після прокатки.

Напрямок вирізки зразка	Межа міцності, МПа	Межа текучості, МПа	Відносне подовження, %	Поперечне звуження, %
Уздовж прокату	479…486 483	435…441 438	22…28 24	53...68 59
Поперек прокату	495…512 505	459…483 472	19…23 21	48…57 52

Існує проблема виникнення ламкого прошарку при взаємодії пар металів, що утворюють інтерметаліди, зокрема, при одержанні волокнистих композиційних матеріалів на основі матриці з легких сплавів, зміцненої сталевими волокнами. Високі швидкості охолодження і кристалізації, характерні для процесу ЕПДРЄ дозволяють мінімізувати товщину ламкого прошарку.

Отримано композиційний матеріал на основі сталевих волокон з матрицею, нанесеної шляхом диспергирования розплаву з проміжної ємності. Дослідження композиційного матеріалу показали адекватність математичних розрахунків у рамках математичної моделі (8)-(11). Встановлено, що підвищення температури в зоні контакту волокно-матриця до 860 К призводить до збільшення товщини ламкого прошарку до 50 мкм, а її зниження до 600 К - до відсутності з'єднання між матеріалом матриці і волокном.

Таблиця 8

Залежність структури і властивостей матеріалів від технологічних параметрів ЕППЄ і ЕПДРЄ.

Продукт	Питома потужність нагрівання, кВт/м2	Продуктивність, кг/год	Швидкість охолодження, К/с	Властивості
ЕППЄ
Зливки Ш 200 мм Ti-6Al-4V	11·105	100	0.5	Стовпчаста структура
	3·105		7	Рівноосна структура
Сляби 150х500 мм Ti-6Al-4V	12·105	140	0.5	Стовпчаста структура
	3.5·105		7	Рівноосна структура
ЕПДРЄ
Кільцева заготовка Udimet 720	3·105	90	5·104	Дрібнозерниста структура (100 мкм)
З'єднання Ti зливків	-	16	104	Без оплавлення крайок
Волокни- сті КМ Al - сталь	5·105	150	104	Інтерметалідний прошарок до 30 мкм

При оптимальних технологічних параметрах температурні умови ЕПДРЄ забезпечують дрібнозернисту структуру матриці. Пори і великі включення в макроструктурі композиційного матеріалу відсутні.

Таким чином, комплекс проведених досліджень впливу теплофізичних умов кристалізації - електронно-променевого нагрівання, тепловкладення за рахунок рідкого металу і, як наслідок, швидкості охолодження - на структуру і властивості металів і сплавів (табл.8), дозволив створити технології зливків з поліпшеною структурою і властивостями.

Методом ЕППЄ з застосуванням периферійного електронно-променевого нагрівання була отримана дослідно-промислова партія зливків-слябів титанового сплаву ВТ6 перетином 150х500 мм і масою до 700 кг (рис.11). Зливки відрізняються структурою, що складається з рівноосних кристалітів, однорідністю хімічного складу, відсутністю усадочних дефектів і після механічної обробки чи оплавлення поверхні цілком готові для прокатки на плиту чи лист.

Метал отриманих слябів був прокатаний у в-області з переходом у (б+в)-область. Результати механічних іспитів катаного металу приведені на рис.12 і в табл.9. Механічні властивості плит зі слябів титанового сплаву TI-6AL-4V, виплавлених методом електронно-променевої плавки з проміжною ємністю,

Таблиця 9

Відносне подовження, поперечне звуження й ударна в'язкість металу зливка-сляба ЕППЄ титанового сплаву ВТ6 після прокатування.

Вдовзж прокату	Поперек прокату
д, %	ш, %	KCV, Дж/см2	д, %	ш, %	KCV, Дж/см2
9…15	35…41	37…38	9…11	41…46	36…43
12	38	38	10	44	39

досить високі і значно перевищують вимоги ГОСТу по механічних властивостях для плит і листів. Як показали дослідження міцностних властивостей слябів TI-6AL-4V ЕППЄ, застосування периферійного нагрівання сляба дозволяє практично виключити анізотропію межі міцності і текучості прокату.

...