Технологія зливків-слябів титанового сплаву ВТ6 прийнята у виробництво на НВЦ “Титан” ІЕЗ ім. Є.О.Патона (Україна). Вироблено 40 тонн слябів.

ВИСНОВКИ

1. Аналіз існуючих методів виробництва зливків показав, що вирішальний вплив на структуру металу мають теплофізичні умови формування зливка. Широкі можливості в регулюванні нагрівання вільної поверхні зливка в кристалізаторі забезпечує електронно-променева плавка з проміжною ємністю.

2. Побудовано математичну модель переносу тепла у зливку, що формується, при електронно-променевому переплаві з проміжною ємністю. Встановлено залежність умов кристалізації титанового зливка від потужності і конфігурації електронно-променевого нагрівання, швидкості плавки і величини порцій рідкого металу. Розраховано режими електронно-променевого нагрівання зливка титанового сплаву Ti-6Al-4V, що дозволяють підвищити швидкість охолодження розплаву до 7 К/с, швидкість кристалізації металу до 1 мм/с.

3. Визначено технологічні умови формування в зливках і слябах титанового сплаву Ti-6Al-4V рівноосної структури по всьому їхньому перетину. Зливки характеризуються гомогенністю хімічного складу і високими механічними характеристиками. Середнє значення ударної в'язкості металу циліндричних зливків зростає на 20% у порівнянні з традиційною технологією.

4. Розроблений двостадійний процес виводу усадочної раковини в зливку після закінчення плавки. Визначено технологічні параметри виводу усадки для зливка Ti-6Al-4V діаметром 200 мм.

5. Розроблено технологію виробництва зливків г-алюміниду титана як круглого, так і прямокутного перетинів методом ЕППЄ. Хімічний склад зливків цілком відповідає вимогам технічних умов.

6. Запропоновано новий метод електронно-променевого диспергування розплаву з проміжної ємності й устаткування для його реалізації. Метод характеризується кристалізацією розплаву в мікрооб'ємах при формуванні зливка, забезпечує стабільність процесу диспергування.

7. Створено математичну модель теплових процесів, що відбуваються при формуванні зливка на водоохолоджуваній підкладці з потоку розплаву, диспергованого з проміжної ємності. Установлено, що при формуванні зливка жароміцного нікелевого сплаву досягається швидкість охолодження розплаву до 105 К/с. Визначено оптимальні технологічні параметри одержання зливка методом ЕПДРЄ. Показано, що застосування примусового охолодження підкладки дозволяє стабілізувати температуру зливка, що формується.

8. Розроблено процес з'єднання зливків титанових сплавів методом електронно-променевого диспергування з проміжної ємності. Характерною рисою отриманих з'єднань є відсутність підплавлення крайок, що з'єднуються.

9. Побудовано математичну модель формування волокнистого композиційного матеріалу з диспергованого розплаву. Встановлено, що товщина ламкого прошарку на границі інтерметалідоутворюючих волокон і матриці складає 10...30 мкм. Визначено технологічні режими формування композиційного матеріалу, що сприяють мінімальній товщині прошарку при задовільному зчепленні матриці з волокном.

10. Методом ЕПДРЄ отримані заготівки дисків турбін реактивного двигуна з жароміцного нікелевого сплаву Udimet 720. Метал заготовок характеризується однорідною, дрібнодисперсною структурою і високими механічними властивостями в інтервалі температур до 1100єС.

11. Розроблено технологію виробництва методом ЕППЄ слябів титанового сплаву TI-6AL-4V перетином 150х500 мм і довжиною до 2 м. Метал слябів відрізняється відсутністю спрямованої текстури, що визначає ізотропність механічних властивостей. При одержанні регламентованої структури напівфабрикатів застосування слябів з рівноосною литою структурою дозволило зменшити ступінь укову з 6 до 1.5-2.

12. Вирішено важливу народногосподарську задачу виробництва на підприємствах України методом ЕППЄ конкурентноздатних високоякісних зливків-слябів з одного з найбільш застосовуваних у світі титанового сплаву Ti-6Al-4V. Рівень механічних характеристик прокату, отриманого зі слябів, цілком відповідає вимогам зарубіжних та вітчизняних державних стандартів.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Жук Г.В., Тригуб Н.П., Пап П.А. Соединение титана со сталью методом электронно-лучевого диспергирования расплава // Пробл. спец. электрометаллургии, 1997, №3, с. 18-21.

2. Жук Г.В., Ахонина Л.В., Тригуб Н.П. Математическое моделирование процессов кристаллизации титанового сплава Ti-6Al-4V при ЭЛПЕ // Пробл. спец. электрометаллургии, 1998, №2, с. 21-25.

3. Жук Г.В., Козловец О.Н., Дереча А.Я., Структура и свойства жаропрочного никелевого сплава, полученного электронно-лучевым диспергированием расплава // Пробл. спец. электрометаллургии, 1999, №3, с. 27-33.

4. Жук Г.В., Калинюк А.Н., Тригуб Н.П., Определение глубины залегания усадочной раковины в слитках ЭЛПЕ титанового сплава Ti-6Al-4V // Пробл. спец. электрометаллургии, 2001, №2, с. 14-17.

5. Тригуб Н.П., Ахонин С.В., Жук Г.В. Получение плоских слитков-слябов в электронно-лучевых установках с промежуточной емкостью // Пробл. спец. электрометаллургии, 2001, №4, с. 22-26.

6. Калинюк А.Н., Жук Г.В., Тригуб Н.П. Моделирование режимов вывода усадочной раковины в цилиндрических слитках ЭЛПЕ // Пробл. спец. электрометаллургии, 2002, №1, с. 23-25.

7. Жук Г.В. Расчет толщины слоя интерметаллидов, образующихся при нанесении титановой и алюминиевой матрицы на стальные волокна методом электронно-лучевого диспергирования расплава // Пробл. спец. электрометаллургии, 2002, №2, с. 21-24.

8. Патон Б.Е., Жук Г.В., Тригуб Н.П. Влияние начальных скоростей охлаждения при кристаллизации на структуру жаропрочных никелевых сплавов // Фундаментальные исследования физикохимии металлических расплавов. - М.: Академкнига, 2002. - с. 265-269.

9. Жук Г.В., Тригуб Н.П. Новый метод диспергирования расплава в электронно-лучевых установках и оборудование для его реализации // Пробл. спец. электрометаллургии, 2002, №4, с. 18-20.

10. Жук Г.В. Взаимодействие стальных волокон с алюминиевой матрицей при получении композиционного материала методом электронно-лучевого диспергирования расплава // Современная электрометаллургия, 2003, №1, с. 19-22.

11. Жук Г.В. Влияние мощности электронно-лучевого нагрева на структуру и свойства титановых слитков // Металлургическая и горнорудная промышленность, 2003, №3, с. 36-38.

12. Жук Г.В., Тригуб Н.П., Замков В.Н. Сварка титановых слитков диспергированным расплавом // Автоматическая сварка, 2003, №6, с. 48-51.

13. Н.П.Тригуб, Г.В.Жук, П.А.Пап, А.Н.Калинюк, С.В.Хомутский, Ю.Т.Ищук Электронно-лучевая установка УЭ-121 // Современная электрометаллургия, 2003, №2, с. 17-20.

14. Н.П. Тригуб, Г.В.Жук, А.Н. Пикулин, А.Н. Калинюк, В.Д. Корнийчук Электронно-лучевая установка УЭ-185 для оплавления поверхностного слоя слитков // Современная электрометаллургия, 2003, №3, с. 12-14.

15. Тригуб Н.П., Ахонин С.В., Дереча А.Я, Пап П.А., Калинюк А.Н., Жук Г.В. Изучение процессов рафинирования и кристаллизации при ЭЛП с промежуточной емкостью цветных, тугоплавких, высокореакционных металлов и сплавов на их основе и разработка оборудования и технологических процессов получения из них заготовок и слитков с гарантированным химическим составом // Пробл. спец. электрометаллургии, 2000, №3, с. 82-85.

16. Paton B., Zhuk G., Trigub N. Heterogeneous Materials Connection by Electron Beam Hot Spraying // Proc. Of the Fifth Int. Conf. “Strahltechnik”, Halle (Saale), Germany, 27-28 November 2001. - Halle: SLV. - 2001. - p. 132-136.

17. Жук Г.В. Влияние скорости охлаждения на структуру и свойства материалов, полученных методом ЭЛДР // Специальная электрометаллургия: вчера, сегодня, завтра: Материалы Международной научно-технической конференции (8-9 октября 2002 г), - Киев: ІВЦ Видавництво “Політехніка”, 2002., с. 244-248.

18. Жук Г.В. Структура и свойства слитков титанового сплава Ti-6Al-4V, полученных с помощью ЭЛПЕ // Вісник приазовського державного технічного університету, 2003, вип. №13, с. 42-45.

19. Жук Г.В., Тригуб М.П., Калинюк А.Н, Влияние скорости охлаждения на структуру цилиндрических слитков ЭЛПЕ титанового сплава Ti-6Al-4V // Процессы литья, 2003, №4, с.79-82.

20. А.Н. Пикулин, Г.В.Жук, Н.П. Тригуб, С.В. Ахонин Электронно-лучевое оплавление слитков титана // Современная электрометаллургия, 2003, №4

21. Жук Г.В., Тригуб Н.П., Замков В.Н. Получение слитков -алюминида титана методом ЭЛПЕ // Современная электрометаллургия, 2003, №4, с.20-22

22. Патон Б.Е., Тригуб Н.П., Жук Г.В. Влияние начальных скоростей охлаждения при кристаллизации на структуру жаропрочных никелевых сплавов // Пробл. спец. электрометаллургии, 2002, №1, с. 16-19.

23. Патент України №46059 C21C5/56, C22B9/04, B22D9/00, H01J37/305 Електронно-променева установка. Тригуб М.П., Пап П.А., Жук Г.В., Цыбань И.В., Васюра В.М. (Україна) - №98041908, Зареєстровано 15.04.98, Опубл. Бюл.№5 15.05.02.

24. Патент України №55475 C22B9/22, B23К15/06 Спосіб отримання великогабаритних плоских зливків методом електронно-променевої плавки. Тригуб М.П., Жук Г.В., Калинюк О.М., Пікулін О.М. (Україна) - №2000031294, Зареєстровано 06.03.00, Опубл. Бюл.№4 15.04.03.

25. Патент України №56335, С22В9/22, С23С4/12, С23С6/00 Спосіб електронно-променевого лиття диспергуванням. Жук Г.В., Тригуб М.П., Пап П.А. (Україна) - №2001020855, Зареєстровано 07.02.01, Опубл. Бюл. №5 15.05.03.

26. Патент України №20591А В22D23/00 Спосіб одержання біметалу в електронно-променевих установках. Патон Б.Е., Тригуб М.П., Жук Г.В., Пап П.А., Ахонин С.В., Дереча О.Я. (Україна) - №95031200, Зареєстровано 16.03.95, Опубл. Бюл. №1 27.02.98.

27. Патент України №20887А В22D23/00, Спосіб електронно-променевого лиття. Жук Г.В., Пап П.А., Тригуб М.П. (Україна) - №96020500, Зареєстровано 12.02.96, Опубл. Бюл. №1 27.02.98.

28. Патент України №20910А В22D23/00, Спосіб електронно-променевого лиття. Жук Г.В., Пап П.А., Тригуб М.П. (Україна) - №96020502, Зареєстровано 12.02.96, Опубл. Бюл. №1 27.02.98.

29. Патент України №27583 B22F7/00 B22F7/02 B22D23/00 Спосіб одержання шаруватого композитного матеріалу для захисту від динамічних навантажень Патон Б.Є., Тригуб М.П., Жук Г.В., Пап П.А., Дереча О.Я. (Україна) - №96041457, Зареєстровано 12.04.96, Опубл. Бюл.№4 15.09.00.

30. Патент України №42761 C21C5/56, C22B9/04, B22D9/00, H01J37/305, Електронно-променева установка Тригуб М.П., Дереча О.Я., Жук Г.В., Цибань І.В., Васюра В.М., Березовський М.Е., Іванов М.М. (Україна) - №96093577, Зареєстровано 16.09.96, Опубл. Бюл.№10 15.11.01.

31. Патент України №42792 В22D23/00, Спосіб електронно-променевого лиття диспергуванням Патон Б.Є., Тригуб М.П., Пап П.А., Жук Г.В. (Україна) - №97052157, Зареєстровано 12.05.97, Опубл. Бюл.№10 15.11.01.

32. Патент України №44741 С22В9/22, Спосіб одержання зливків в електронно-променевій установці Тригуб М.П., Дереча О.Я., Цибань І.В., Жук Г.В. (Україна) - №97052158, Зареєстровано 12.05.97, Опубл. Бюл.№3 15.03.02.

33. Патент України №46061 С22В9/04,9/22, Спосіб електронно-променевого оплавлення поверхні циліндричних зливків Тригуб М.П., Дереча О.Я., Калинюк О.М., Жук Г.В. (Україна) - №98042005, Зареєстровано 13.08.98, Опубл. Бюл.№5 15.05.02.

34. Патент України №56194 C22B9/22 B22D11/045,11/06,11/12 C21C5/56, Спосіб одержання тонкого листа в установках електронно-променевого переплаву Патон Б.Є., Тригуб М.П., Дереча О.Я., Жук Г.В., Пікулін О.М. (Україна) - №99052728, Зареєстровано 18.05.99, Опубл. Бюл.№5 15.05.03.

35. Патент України №50710 B22D13/00,11/12, Спосіб підготовки витрачуваної заготівки для лиття диспергуванням Жук Г.В., Пап П.А., Тригуб М.П. (Україна) - №96030946, Зареєстровано 11.03.96, Опубл. Бюл.№11 15.11.02.

36. Патент України №56282 C22B9/22,B22D19/02, Спосіб отримання плоских гетерогенних зливків методом електронно-променевої переплавки Тригуб М.П., ЖукГ.В., Канавченко Д.В., Ахонін С.В. (Україна) - №2000063339, Зареєстровано 08.06.00, Опубл. Бюл.№5 15.05.03.

37. Патент України №56281 C22B9/22,B22D7/08, Пристрій для отримання плоских зливків Тригуб М.П., Жук Г.В., Пікулін О.М., Пап П.А. (Україна) - №2000063338, Зареєстровано 08.06.00, Опубл. Бюл.№5 15.05.03.

38. Патент України №56284 C22B9/22,B22D7/04, Спосіб лиття порожнистих зливків Тригуб М.П. Калинюк О.М., Жук Г.В., Пап П.А. (Україна) - №2000063518, Зареєстровано 16.06.00, Опубл. Бюл.№5 15.05.03.

39. Патент України №56334 C22B9/22,B22D7/02, Спосіб отримання плоских багатошарових зливків в електронно-променевій установці Тригуб М.П., Жук Г.В., Хомутський С.В. (Україна) - №2001020854, Зареєстровано 07.02.01, Опубл. Бюл.№5 15.05.03.

АННОТАЦИЯ

Жук Г.В. Основные закономерности влияния теплофизических условий кристаллизации металла при электронно-лучевой плавке на структуру и свойства слитков. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.16.07 - Металлургия высокочистых металлов и специальных сплавов. - Институт электросварки им. Е.О.Патона НАН Украины, Киев, 2003 г.

Диссертация посвящена определению теплофизических закономерностей формирования структуры слитка при электронно-лучевой плавке с промежуточной емкостью (ЭЛПЕ) в условиях высоких скоростей охлаждения при кристаллизации расплава и разработке на этой основе оптимизированных режимов выплавки слитков.

Установлены закономерности формирования кристаллического строения слитков титановых и никелевых сплавов при ЭЛПЕ с учетом скоростей охлаждения и кристаллизации расплава в кристаллизаторе, градиента температуры на фронте затвердевания.

Методами математического моделирования определены зависимости теплофизических условий затвердевания металла слитков титановых сплавов в кристаллизаторе от технологических параметров ЭЛПЕ: производительности процесса, частоты технологического цикла, мощности и распределения электронно-лучевого нагрева. Установлено, что снижение мощности электронно-лучевого нагрева и смещение его максимума на периферию слитка позволяет повысить скорость охлаждения расплава более чем в 10 раз, скорости кристаллизации - в 30 раз. Определены технологические режимы ЭЛПЕ титановых сплавов с удельной мощностью нагрева металла в кристаллизаторе (1.5…2)·105 Вт/м2, обеспечивающие твердо-жидкое состояние поверхности слитка в кристаллизаторе и максимальные скорости охлаждения расплава.

Экспериментально установлено, что рассчитанные технологические условия позволяют получать в слитках титанового сплава Ti-6Al-4V как круглого, так и прямоугольного сечений равноосную структуру по всему сечению слитка при гомогенном распределении легирующих элементов, структурных и фазовых составляющих. Установлено также, что гомогенная структура в слитках-слябах титанового слава обеспечивает высокий уровень и изотропность механических свойств.

Определены пути дальнейшего повышения скорости охлаждения металла в процессе ЭЛПЕ - кристаллизация расплава в микрообъемах. Предложен новый метод диспергирования расплава из промежуточной емкости с помощью вращающегося с частотой до 2500 об/мин барабана-диспергатора (ЭЛДРЕ). Разработана математическая модель формирования слитка из диспергированного расплава с использованием принудительного охлаждения слитка. Установлено, что в процессе ЭЛДРЕ достигаются скорости охлаждения расплава при кристаллизации до 105 К/с. Высокие скорости охлаждения, характерные для ЭЛДРЕ позволяют получать слитки жаропрочных сплавов с ультрамелкой структурой, волокнистые композиционные материалы с минимальной толщиной прослойки на границе волокно-матрица, соединять слитки титановых сплавов без плавления кромок.

Проведенные исследования структурообразования слитков в широком диапазоне скоростей охлаждения расплава при электронно-лучевых процессах с применением промежуточной емкости позволили оптимизировать технологические параметры плавки. Разработана и принята в производство технология выплавки методом ЭЛПЕ слитков-слябов титанового сплава TI-6AL-4V с равноосной структурой и изотропными механическими свойствами. Структура является оптимальной для последующей прокатки слябов и получения листа.

Ключевые слова: электронно-лучевая плавка, промежуточная емкость, диспергирование расплава, кристаллизация, скорость охлаждения, структура слитка, математическое моделирование, титановый сплав, жаропрочный никелевый сплав, слиток-сляб.

АНОТАЦІЯ

Жук Г.В. Основні закономірності впливу теплофізичних умов кристалізації металу при електронно-променевій плавці на структуру та властивості зливків. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.16.07 - Металургія високочистих металів та спеціальних сплавів. - Інститут електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України, Київ, 2003 р.

Дисертація присвячена визначенню теплофізичних закономірностей формування структури зливка при електронно-променевій плавці з проміжною ємністю (ЕППЄ) в умовах високих швидкостей охолодження при кристалізації розплаву і розробці на цій основі оптимізованих режимів виплавки зливків.

Встановлено закономірності формування кристалічної будови зливків титанових і нікелевих сплавів при ЕППЄ з урахуванням швидкостей охолодження розплаву в кристалізаторі.

Методами математичного моделювання визначені залежності теплофізичних умов твердіння металу зливків титанових сплавів в кристалізаторі від технологічних параметрів ЕППЄ. Встановлено, що зниження потужності електронно-променевого нагрівання і зміщення його максимуму на периферію зливка дозволяє підвищити швидкість охолодження розплаву більш ніж у 10 разів, а швидкість кристалізації - в 30 разів. Експериментально встановлено, що високі швидкості охолодження розплаву при кристалізації дозволяють одержувати в зливках титанового сплаву Ti-6Al-4V рівноосну структуру по всьому перетині зливка при гомогенному розподілі легуючих елементів, структурних і фазових складових.

Запропоновано новий метод диспергування розплаву з проміжної ємності за допомогою барабана-диспергатора, який обертається з частотою до 2500 об/хв (ЕПДРЄ). Розроблено математичну модель формування зливка з диспергованого розплаву з використанням примусового охолодження зливка. Встановлено, що в процесі ЕПДРЄ досягаються швидкості охолодження розплаву при кристалізації до 105 К/с. Високі швидкості охолодження, характерні для ЕПДРЄ дозволяють одержувати зливки жароміцних сплавів з ультрадрібною структурою, волокнисті композиційні матеріали з мінімальною товщиною прошарку на границі волокно-матриця, з'єднувати зливки титанових сплавів без плавлення крайок.

Розроблено і прийнято у виробництво технологію виплавки методом ЕППЄ зливків-слябів титанового сплаву TI-6AL-4V з рівноосною структурою й ізотропними механічними властивостями. Структура є оптимальною для наступної прокатки слябів і одержання листа.

Ключові слова: електронно-променева плавка, проміжна ємність, диспергування розплаву, кристалізація, швидкість охолодження, структура зливка, математичне моделювання, титановий сплав, жароміцний нікелевий сплав, зливок-сляб.

ABSTRACT

The thesis for the Doctor of Sciences degree on a speciality 05.16.07 - Metallurgy of high-pure metals and special alloys. - The E.O.Paton Welding Institute of NAS of Ukraine, Kyiv, 2003.

The thesis is devoted to heat transfer laws of ingot structure formation at electron beam melting with intermediate capacity (EBCH) in conditions of high speeds of cooling at melt crystallization and development on this basis the optimized modes of ingots melt.

The new method of melt spraying from intermediate capacity with the help of a “dispergator” rotating with frequency up to 2500 min-1 (EBHS) is offered. The mathematical model of an ingot formation from sprayed melt with use of compulsory cooling of an ingot is developed. Is established, that in process EBHS the speeds of cooling are reached up to 105 К/s. The high speeds of cooling, characteristic for EBHS allow to receive ingots of superalloys with ultra-fine structure, fibrous composite materials with the minimal thickness of a layer on border a fibre - matrix, to connect titanium-based alloys ingots without edges melting.

The technology of EBCH slabs of an titanium alloy TI-6AL-4V is developed with equi-axed structure and isotropical mechanical properties is accepted in manufacture. The structure is optimum for subsequent slab rolling and reception of a sheet.

Key words: electron beam melting, intermediate capacity, hot spraying, crystallization, speed of cooling, structure of an ingot, mathematical modeling, titanium alloy, superalloy, slab.

Размещено на Allbest.ru