Магнітокерована електрошлакова плавка багатокомпонентних титанових сплавів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона

УДК 669.187.56

Магнітокерована електрошлакова плавка багатокомпонентних титанових сплавів

Спеціальність 05.16.07 “Металургія високочистих металів та спеціальних сплавів”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеню кандидата технічних наук

Протоковілов Ігор Вікторович

Київ 2006

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Компан Ярослав Юрійович, Інститут електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України, завідувач лабораторії.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, с.н.с. Шейко Іван Васильович, Інститут електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України, провідний науковий співробітник;

кандидат технічних наук, с.н.с. Кулак Леонід Денисович Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, старший науковий співробітник.

Провідна установа: Фізико-технологічний інститут металів і сплавів НАН України.

Захист відбудеться “ 17 ” вересня 2006 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, м. Київ, вул. Боженка, 11.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України за адресою: 03680, м. Київ, вул. Боженка, 11.

Автореферат розісланий “ 7 ” серпня 2006 р.

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

титановий сплав електрошлакова плавка

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Завдяки унікальним фізико-механічним властивостям та великим покладам у земній корі титан займає чільне місце серед конструкційних матеріалів сучасного машинобудування. При цьому, незважаючи на постійне зростання використання титану в хімічній і харчової промисловостях, медицині, цивільному будівництві, при виробництві спортивного інвентарю, морських газо - і нафтовидобувних платформ та ін., основним споживачем титану залишається аерокосмічна промисловість. В цій галузі використовуються переважно багатокомпонентні +-титанові сплави, які працюють в умовах складних навантажень і вимоги до якості металу тут найбільш жорсткі.

Однією з тенденцій розвитку сучасних авіаційних титанових сплавів є підвищення рівня їх легування, створюються титанові сплави, що сполучають твердорозчинне і інтерметалідне зміцнення. В цих умовах на перший план виходять питання, пов'язані з необхідністю забезпечення заданої хімічної і структурної однорідності металу, його дрібнозернистості і відсутності в ньому критичних дефектів. Існуючі промислові технології плавки титанових сплавів не завжди відповідають цим вимогам. Тому, дуже актуальною є розробка нових процесів плавлення, які б мали механізми керування властивостями титанових сплавів ще на стадії виплавки зливка.

Проведені в останні роки роботи по ЕШП титану показали, що як по техніко-економічним показникам, так і по якості металу цей процес може конкурувати з існуючими технологіями плавки титану. Але, особливості кристалізації металу при класичній схемі ЕШП, які сприяють утворенню неоднорідних, крупнозернистих структур, в значній мірі обмежують використання цього методу для отримання титанових, особливо багатокомпонентних, сплавів.

В той же час, досвід магнітного керування гідродинамікою металургійного розплаву при електрошлакових процесах зварювання і переплаву вказує на високу перспективність застосування цього механізму поліпшення властивостей металу при електрошлаковій плавці титанових сплавів. Магнітне керування дає принципову можливість впливати на тепломасопереніс в металургійній ванні і, відповідно, - на однорідність металу, що виплавляється, подрібнювати його структуру, інтенсифікувати термодинамічні процеси хімічної взаємодії шлаку і металу в металургійній ванні.

У зв'язку з цим необхідно було розробити наукові і технологічні засади процесів магнітокерованої електрошлакової плавки (МЕП) титанових сплавів. Актуальність даних досліджень також зумовлюється необхідністю подальшого розвитку в Україні, яка володіє великими покладами титанових руд, власного виробництва титанових, у тому числі багатокомпонентних сплавів.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Робота виконувалась в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України у рамках таких тем: договір Міністерства освіти і науки України №2М/101-2001 “Розробка засад технології магнітокерованої електрошлакової плавки (МЕП) високоміцних титанових сплавів”; цільова наукова програма НАН України № 38/33 “Дослідження фізико-хімічних засад структуроутворення жароміцних титанових сплавів при магнітокерованій електрошлаковій плавці”; програма НАН України “Ресурс” № 87РЕЗ “Розробити металургійні та магнітогідродинамічні методи продовження строку експлуатації роторів авіаційних двигунів з жароміцних титанових сплавів”.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є визначення закономірностей формування МГД-течій в шлаковій і металевій ваннах під впливом зовнішніх магнітних полів і розробка технологічних процесів магнітокерованої електрошлакової плавки гомогенних, дрібнозернистих зливків багатокомпонентних титанових сплавів. Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні завдання:

1. Дослідити гідродинамічну структуру металургійного розплаву в процесі електрошлакової плавки і вплив на неї зовнішніх магнітних полів.

2. Розробити методи і пристрої для МГД-керування течіями металургійного розплаву при електрошлаковому процесі.

3. Розробити технологічні схеми МЕП титанових сплавів.

4. Встановити вплив технологічних параметрів МЕП на структуру та механічні властивості титанових сплавів, і визначити технологічні параметри процесу МЕП.

5. Дослідити та розробити флюсові композиції для процесу МЕП титанових сплавів.

6. Дослідити структуру, хімічний склад і фізико-механічні властивості титанових сплавів, одержаних за технологією МЕП.

Об'єкт дослідження: процес магнітокерованої електрошлакової плавки багатокомпонентних титанових сплавів.

Предмет дослідження: основні закономірності процесу МЕП і властивості отриманих за цим методом багатокомпонентних титанових сплавів.

Методи дослідження. Дослідження гідродинамічних процесів, які протікають в шлаковій і металевій ваннах, здійснювали методами фізичного і математичного моделювань. Експериментальні дослідження здійснювали в лабораторних умовах на модернізованому електрошлаковому обладнанні. Для аналізу умов переносу металу використовували методику осцилографування напруги і струму плавки. Властивості металу визначали методами газового, спектрального, хімічного аналізів, оптичної металографії, електронної мікроскопії, іспитами на твердість, статичну міцність і пластичність, ударну в'язкість.

Наукова новизна отриманих результатів:

- визначені фізичні механізми утворення електровихрових течій у шлаковій і металевій ваннах при електрошлаковій плавці під впливом зовнішніх магнітних полів. Показано, що рух розплаву зумовлений первинними електровихровими течіями, які утворюються внаслідок взаємодії струму плавки з зовнішнім магнітним полем, та вторинними течіями, які утворюються внаслідок диференційного характеру первинних електровихрових течій;

- встановлені закономірності руху електродних краплин і електропровідних часток в шлаковій ванні при електрошлаковій плавці під впливом поздовжньо-радіального магнітного поля. Електропровідні частки (краплини) рухаються по спіралі униз і в напрямку до стінок ванни, при цьому, частки малих розмірів виносяться до її стінок. Подовження траєкторій руху часток дозволяє збільшити термін їх перебування у ванні на 40...50% і тим самим підвищити ефективність процесів їх хімічної взаємодії зі шлаком;

- встановлено, що введення в зону плавки зовнішнього поперечного магнітного поля індукцію В=0,16...0,20 Тл змінює гідродинамічну структуру і умови тепломасообміну в шлаковій і металевій ваннах, що призводить до зменшення на 10...20% сили струму плавки, збільшення на 35...45% частоти переносу електродних краплин і, відповідного зменшення їх середньої маси, а також зменшення на 25...60% глибини металевої ванни;

- визначені закономірності формування кристалічної структури зливків титанових сплавів в залежності від індукції зовнішнього поперечного магнітного поля. Встановлено, що магнітне поле породжує вібрацію розплаву, яка, при індукції В0,10 Тл призводить до переорієнтації кристалітів зливка з радіальної на вісьову і при індукції В=0,18...0,20 Тл - до подрібнення кристалічної структури зливка, що пов'язане зі зменшенням глибини металевої ванни і вирівнюванням фронту кристалізації зливка та з руйнівною дією вібрації розплаву на кристаліти, що ростуть.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблено технологічний процес МЕП, який дозволяє отримувати зливки багатокомпонентних титанових сплавів з високою хімічною і фізичною однорідністю, відсутністю кристалізаційних дефектів, дрібнозернистою структурою. Це дозволило отримати зливки титанових сплавів з підвищеними на 30...60% характеристиками пластичності і ударної в'язкості.

Розроблено технологічний процес пресування витратних електродів для МЕП титанових сплавів і створена відповідна оснастка для виготовлення електродів діаметрами 35, 45, 75, 105 мм.

Модернізовано серійне електрошлакове обладнання і на його базі створено дослідно-промислову установку для МЕП зливків титанових сплавів діаметром до 255 мм і довжиною до 900 мм.

Отримано зливки жароміцних титанових сплавів з інтерметалідним зміцненням, метал яких має _в=1380 МПа і =3,5 %, при кімнатній температурі, і тривалу жароміцність ¹⁰⁰ = 320 МПа при температурі 750⁰С

Особистий внесок здобувача полягає у наступному: досліджено фізико-механічні властивості титанових сплавів з інтерметалідним зміцненням, виготовлених за технологією МЕП [1]; висвітлені засоби керування гідродинамікою металургійного розплаву і розроблені процеси магнітокерованої електрошлакової плавки [2, 8, 11-13]; зроблено аналіз гідродинамічних процесів у ванні флюсоплавильної електропечі і проведено дослідно-промислову перевірку методу циклічної плавки флюсів [3]; досліджено гідродинаміку шлакової ванни при різнополярній і біфілярній схемах електричного живлення [4]; зроблено порівняльний аналіз властивостей титанового сплаву Ti-10V-2Fe-3Al, отриманого технологіями МЕП і ВДП [5]; досліджено вплив поперечного магнітного поля на режими електрошлакового процесу і параметри металевої ванни [6]; розроблені режими термомеханічної обробки зливків титанових сплавів ВТ22 і Ti-10V-2Fe-3Al технології МЕП [7]; досліджено вплив зовнішнього поздовжнього магнітного поля на гідродинамічний тиск на поверхню металевої ванни [9]; зроблено аналіз техніко-економічних показників процесу МЕП [10]; розроблено метод МЕП у поздовжньо-радіальному магнітному полі [14]; розроблені режими пресування витратних електродів для МЕП титанових сплавів і досліджено їх електроопір [15, 16]; досліджено технологічні властивості металургійного флюсу [17].

Апробація результатів роботи. Основні положення і результати роботи доповідались і обговорювались на: Міжнародному симпозіумі Товариства ТМS “Титанові сплави для високотемпературного застосування” (Сан-Антоніо, США, 2006 р.), Міжнародному симпозіумі Товариства ТМS “Економічний титан” (Шарлотта, США, 2004 р.), 10-й Всесвітній конференції по титану (Гамбург, Німеччина, 2003 р.); 2-й Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих учених та спеціалістів (Київ, 2003 р.); Міжнародному семінарі НАТО “Металеві матеріали з високою структурною ефективністю” (Київ, 2003 р.); Міжнародній науково-технічній конференції “Спеціальна металургія: вчора, сьогодні, завтра” (Київ, 2002 р.); 9-й Всесвітній конференції по титану (Санкт-Петербург, 1999 р.).

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 17 наукових робіт, в тому числі 13 статей в науково-технічних журналах і матеріалах конференцій, отримано 4 патенти України.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, 5 розділів, загальних висновків, списку використаних літературних джерел та додатку. Дисертація має загальний об'єм 178 сторінок машинописного тексту, включаючи 58 рисунків, 16 таблиць, список літератури із 114 найменувань на 11 сторінках і додаток на 18 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету та завдання дослідження, розкрито наукову новизну і практичне значення отриманих результатів, зазначений особистий внесок автора.

У першому розділі розглянуто області застосування титанових сплавів, проаналізовано основні методи виробництва зливків титанових сплавів. Проведено аналіз переваг і недоліків процесу електрошлакової плавки титану. Показано перспективність використання зовнішніх магнітних полів при електрошлаковому процесі з метою покращення хімічної і фізичної однорідності металу зливків титанових сплавів, подрібнення їх структури. На базі проведеного аналізу обґрунтовані мета і основні завдання роботи.

У другому розділі досліджено гідродинамічні процеси в шлаковій і металевій ваннах при електрошлаковій плавці під дією магнітного поля струму плавки та зовнішніх магнітних полів. Розкрито фізичні механізми впливу магнітних полів на гідродинаміку металургійного розплаву.

Показано, що головним чинником, який визначає рух розплавів шлакової і металевої ванн при електрошлаковій плавці є магнітогідродинамічна конвекція. Її викликають об'ємні електромагнітні сили, що утворюються при взаємодії електричного струму в ванні з його магнітним полем:

де - електромагнітна сила, - щільність електричного струму в ванні, - індукція магнітного поля.

При цьому, причиною виникнення руху розплавів є відхилення в них ліній електричного струму від прямолінійного паралельного напрямку, в результаті чого електромагнітні сили набувають вихровий характер () і, відповідно, викликають рух розплавів ().

Моделювання МГД-процесів при ЕШП здійснювали на холодних рідких моделях з урахуванням геометричних критеріїв подібності та параметра електровихрової течії S. Параметр S характеризує співвідношення електромагнітної сили до сили в'язкості и визначає інтенсивність руху рідини, який збуджується електромагнітною силою:

,

де - магнітна проникність середовища, - сила електричного струму, - густина рідини, - в'язкість рідини.

За допомогою ртутної моделі (рис.1) був відтворений рух розплавів шлакової і металевої ванн. Встановлено, що в шлаковій ванні має місце два симетричних потоки, спрямованих вздовж вісі ванни, від електроду до дна ванни, які далі повертаються вздовж стінок кристалізатора (рис. 2). Ця пласка картина течій підтверджує, що загальний рух шлаку при ЕШП являє собою вихровий тор з рухом по вісі симетрії тору униз, від електроду, і вгору - вздовж стінок кристалізатора. В металевій ванні також має місце тороідальне обертання металу. Струмінь металу розповсюджується униз, по вісі ванни, а висхідні потоки - вздовж фронту кристалізації.

Отримані кількісні дані про швидкість руху розплавів показують, що залежність максимальної швидкості течій від сили струму має лінійний характер. При цьому, швидкості течій розплаву у шлаковій і металевій ваннах також залежать від співвідношення струмів кристалізатора (ланцюг електрод - шлакова ванна - стінка кристалізатора) і зливка (ланцюг електрод - шлакова ванна - металева ванна). Причому, при збільшенні частки струму кристалізатора швидкість течій шлаку зростає, а металу - зменшується. Максимальні швидкості течій при співвідношенні струмів кристалізатора і зливка 30:70 складають для шлаку 4,0...5,0 см/с, а для металу 1,5...2,0 см/с. Тобто швидкість течій шлаку в 2,5...3,0 рази більше, ніж металу.

Подовжнє магнітне поле створене соленоїдом, який охоплює кристалізатор, при його взаємодії з радіальною складовою струму плавки, породжує азимутальну електромагнітну силу, яка обертає шлаковий розплав навколо вісі симетрії (рис.3). Причому, максимальна швидкість обертання розплаву має місце в верхніх шарах ванни, а по мірі віддалення у глиб ванни, швидкість обертання зменшується. Тобто, має місце так зване диференційне обертання. Відповідно зменшенню швидкості обертання по висоті ванни зменшується і відцентрова сила, під дією якої розплав шлаку відкидається від вісі ванни з більшою силою у верхніх шарах ванни і з меншою - в нижніх. В результаті розплав починає рухатися в меридіональній площині. Такі вторинні меридіональні течії прямо протилежні течіям, які утворюються при взаємодії струму плавки з власним магнітним полем і мають місце при традиційній схемі ЕШП

Шляхом фізичного моделювання було встановлено, що поздовжнє поле призводить до перерозподілу гідродинамічного тиску, який чинять потоки шлаку на поверхню металевої ванни, що підтверджує утворення вторинних меридіональних течій. Відповідно перерозподілу тиску відбувається деформація поверхні поділу шлак - рідкий метал.

Введення в зону плавки поперечного змінного магнітного поля порушує вісьову симетрію. Це призводить до утворення дуже складної просторової картини течій розплаву і перекосу вільної поверхні шлакової ванни. Інша ситуація створюється, якщо струм плавки змінний, а зовнішнє магнітне поле - постійне. В цьому випадку, взаємодія вісьової складової струму плавки з поперечним постійним магнітним полем створює в розплаві об'ємну електромагнітну силу, напрямок дії якої змінюється на протилежний з частотою струму плавки (50 Гц). В результаті створюється зворотно-поступальний рух (вібрація) розплаву, а електровихрові течії при цьому гальмуються.

Модельні дослідження показали, що амплітуда коливань рідини пропорційна силі електричного струму в ній і індукції магнітного поля, а частота відповідає частоті струму. Амплітуда коливань максимальна на периферії ванни і мінімальна по її вісі

Поздовжньо-радіальне магнітне поле створювали системою кілець, в яких електричний струм в суміжних кільцях проходить в протилежних напрямках. Використовували системи з двох, трьох та чотирьох кілець. Модельні дослідження показали, що в цьому випадку основним видом руху в ванні є азимутальне обертання яке незмінне по своєму напрямку по висоті ванни і лінійно зростає від нуля на вісі ванни, до максимуму, біля її стінки. Найбільш потужне магнітне поле, а, відповідно, і обертання розплаву, утворюється у випадку використання системи з двох струмових кілець. Чисельні розрахунки показали, що застосування повздовжньо-радіального магнітного поля, дозволяє збільшити термін перебування електропровідних часток в шлаковій ванні на 40-50%, у порівнянні з випадком без зовнішнього поля. При цьому, при певних умовах частки малого розміру під дією відцентрової сили, викликаної азимутальним обертанням розплаву, можуть виноситися до стінок ванни.

Третій розділ присвячений розробці технології МЕП титанових сплавів. Описано техніку плавки і наведено характеристики технологічного обладнання для її реалізації. Запропоновано різні способи МЕП. Окремі підрозділи присвячені розробці технології виготовлення витратних електродів і розробці металургійного флюсу для МЕП титанових сплавів.

В основу методу МЕП покладено два основних механізми керування гідродинамікою розплаву: створення в металургійній ванні електровихрових течій або зворотньо-поступального руху (вібрації) розплаву. При цьому можливе використання обох механізмів МГД-впливу.

Процес МЕП здійснюється в електрошлаковій печі камерного типу (рис.6). Плавильний простір попередньо вакуумується а потім заповнюється інертним газом. Процес плавлення здійснюється під впливом зовнішнього магнітного поля, створеного електромагнітною системою, розташованою біля зовнішніх стінок кристалізатора. В залежності від хімічного складу і призначення зливків, що виплавляються, використовуються електромагнітні системи для створення подовжнього, подовжньо-радіального або поперечного магнітних полів які діють в стаціонарному або дискретному режимах.

Процес МЕП передбачає плавлення витратного електроду, сформованого з титану губчастого і легуючих елементів. Аналіз різних схем виробництва витратних електродів показав, що на сьогодні найбільш технологічним і продуктивним методом виготовлення витратних електродів для МЕП є пресування крізь конусну, прохідну прес-форму.

Дослідження впливу режимів пресування на густину, електроопір, міцність матеріалу електроду показали, що питоме зусилля пресування електродів повинно складати 3,2...3,6 Т/см², а маса порції шихти при пресуванні не повинна перевищувати 20…40% від маси металевої ванни при переплаві електродів. Виготовлені таким чином електроди відповідають головним вимогам їх використання при МЕП.

Для ЕШП титану використовують переважно безкисневий флюс, виготовлений з хімічно чистого CaF₂. Його характерною рисою є відносно висока електропровідність, що погіршує енергетичні характеристики електрошлакового процесу.

Експериментальні дослідження електропровідності розплавів галогенідних флюсів показали, що додавання до фтористого кальцію хлоридів лужноземельних металів зменшує питому електропровідність флюсового розплаву. Тобто, змішані фторидно-хлоридні композиції мають більш низьку електропровідність в розплавленому стані, ніж лише фторидні. Також встановлено, що додавання до флюсу системи CaF₂-10...15%МеCl₂ (де Ме -Ca, Sr або Ba) 1…2% фторотитанату магнію MgTiF₆, або фтороалюмінату натрію Na₃AlF₆, зменшує на 7...18 % питому електропровідність флюсового розплаву.

На основі проведених досліджень був розроблений флюс для МЕП титанових сплавів. Цей флюс складається з хлориду лужноземельного металу (3,0...44,0%), фторотитанату магнію (0,5...3,0%) і фториду кальцію (решта).

Розроблений флюс системи 85 CaF₂ - 14 SrCl₂ - 1 MgTiF₆, у порівнянні з чистим CaF₂, характеризується підвищеним, на 23 % електроопором в розплавленому стані, що дозволяє підвищити теплову потужність електрошлакового процесу і продуктивність плавки.

У четвертому розділі досліджено металургійні і технологічні особливості процесу МЕП титанових сплавів у поперечному магнітному полі.

Досліджували режими МЕП у поперечному магнітному полі. Плавили витратні електроди діаметром 45, 78 і 156 мм з технічного титану ВТ1 в кристалізаторах діаметром 80, 140 і 220 мм. Індукцію поперечного магнітного поля змінювали в діапазоні 0,04...0,25 Тл. Для аналізу особливостей плавлення електродів проводили осцилографування напруги і струму плавки.

Результати експериментів показали, що при інших рівних умовах використання поперечного магнітного поля призводить до зменшення струму плавки в середньому на 10...20%. Крім того, електромагнітна вібрація металургійного розплаву, викликана дією поперечного поля призводить до збільшення на 35...45% частоти переносу (відриву) електродних краплин і, відповідно, зменшення їх середньої ваги.

Дослідження параметрів металевої ванни показали, що введення в зону плавки зовнішнього поперечного магнітного поля призводить до зменшення на 25...60 % глибини металевої ванни і вирівнювання фронту кристалізації.

Форма ванни, зображена на рис. 8 г, є найбільш бажаною з точки зору умов кристалізації металу. Фронт кристалізації має пологу форму, глибина ванни складає

h_в=0,21...0,25D_зл.

Це сприяє переорієнтації росту кристалітів з радіального напрямку на вісьовий, перешкоджає появі ліквації і нещільностей по вісі зливку, зменшує об'єм усадочної пористості.

Досліджували вплив поперечного магнітного поля на макроструктуру титанових зливків. Магнітне поле вводили в дискретному режимі при співвідношенні тривалості імпульсу і паузи 1:10. Макроструктура зливка, виплавленого без зовнішнього магнітного поля, складається з великих стовпчастих кристалітів, зорієнтованих під кутом 52⁰ до вісі зливка. Середній розмір по довжині зерен складає а=29 мм і в=4,6 мм у поперечнику. Вплив поперечного магнітного поля, спочатку, призводить до потоншення стовпчастої структури зливків. При індукції В=0,08 Тл середній розмір зерен складає а=18 мм і в=4,2 мм. При цьому кут між кристалітами і віссю зливка зменшується до 30⁰. Подальше збільшення індукції призводить до дезорієнтації кристалічної структури зливка. Найбільш сприятлива структура була отримана при індукції В=0,18 Тл (рис. 9, д). Вона складається з рівновісьових, або незначно витягнутих зерен середнім розміром а=4,2 мм, в= 2,4 мм. Макроструктура металу щільна і однорідна по перерізу зливка, без пор, включень і інших дефектів формування. Збільшення індукції до В=0,24 Тл призвело до погіршення умов формування зливка (рис. 9, е). Значне збудження металургійної ванни і розбризкування металу зумовлюють утворення корони, появу дефектів у вигляді шлакових включень і тріщин на периферії зливка. При цьому, значно погіршується якість формування бокової поверхні зливка.

Структурна однорідність, розмір зерен і стан їх границь є найважливішими факторами, що визначають якість і службові властивості титанових сплавів, особливо високолегованих. Тому гомогенізацію і подрібнення кристалічної структури зливка слід вважати головним позитивним наслідком впливу поперечного магнітного поля.

На основі проведених теоретичних і експериментальних робіт були визначені режими МЕП зливків титанових сплавів діаметром 45…240 мм. На рис. 10 наведено область сталих режимів електрошлакового процесу при плавці в поперечному магнітному полі.

У п'ятому розділі наведені результати досліджень структури, хімічного складу та фізико-механічних властивостей титанових сплавів технології МЕП. Досліджували метал зливків діаметром 80...220 мм титанових сплавів ВТ1, ВТ6, ВТ22, Ti-10-2-3.

Дослідження виявили щільну і однорідну кристалізаційну структуру зливків МЕП, яка складається переважно з рівновісьових, або незначно витягнутих в напрямку тепловідводу зерен. Внутрішніх макро- і мікродефектів виявлено не було. Поверхня зливків гладка, без перехватів і напливів.

Дослідження газового складу металу показали, що за вмістом [O], [H], [N] титанові сплави технології МЕП задовольняють вимогам стандартів. При цьому, порівняльні дослідження хімічного складу зливків сплаву Ti-10V-2Fe-3Al, які були виплавлені за технологіями МЕП і ВДП з сировини однієї партії, показали, що за вмістом домішок зливки технологій МЕП і ВДП знаходяться на одному рівні (табл.1).

Таблиця 1

Хімічний склад зливків сплаву Ti-10V-2Fe-3Al технологій MEП і ВДП

Технологія	Легуючі елементи, % (мас.)	Домішки, % (мас.)
	V	Fe	Al	С	O	H	N
МЕП	10,200	1,830	3,200	0,0125	0,0750	0,00245	0,0070
ВДП	10,015	1,805	3,175	0,0130	0,0855	0,00200	0,0055

Дослідження хімічного складу зливка діаметром 220 мм і висотою 580 мм з титанового сплаву ВТ22 показали, що легуючі елементи в його об'ємі розподілені рівномірно. Вміст усіх елементів знаходиться в межах вимог стандартів. Максимальне відхилення вмісту легуючих елементів по перерізу зливка не перевищує 0,25 % (коефіцієнт ліквації 1,05). Наявність алюмінію в зливку відповідає розрахунковому складу при шихтуванні електроду, що свідчить про відсутність випаровування цього елементу в процесі МЕП.

Порівняння механічних властивостей металу МЕП і ВДП показує, що при приблизно однаковому рівні міцності, характеристики пластичності і ударної в'язкості у металу МЕП вищі (табл. 2). При цьому, метал МЕП характеризується мінімальним розкидом механічних властивостей, що свідчить про його високу однорідність. Аналогічні результати були отримані і при дослідженнях механічних властивостей титанових сплавів ВТ1, ВТ6, ВТ22 технології МЕП.

Таблиця 2

Механічні властивості сплаву Ti-10V-2Fe-3Al технологій MEП і ВДП в термічно зміцненому стані

Технологія	В, МПа	0,2, МПа	, %	, %	аН, Дж/см2
МЕП	1199...1208 1202,6	1100...1113 1107,5	11,7...14,0 13,1	33 - 41 37,5	46...53 50
ВДП	1212...1232 1223,4	1122...1139 1127,9	8,5...9,4 9,14	17,8...27,2 23,4	25...36 31

В чисельнику наведені максимальні і мінімальні значення,в знаменнику середні значення по результатам 9 іспитів.

Методом МЕП були виготовлені і досліджені експериментальні титанові сплави з інтерметалідами. Сплав ВТ22 додатково зміцнювали за рахунок утворення в його структурі дисперсних з'єднань титану з [C], [B], [Si]. Результати механічних іспитів показали, що у порівнянні з традиційними сплавами ці сплави відрізняються більш високими характеристиками міцності і модуля нормальної пружності Е_Д, при збереженні необхідного рівня пластичності (табл.3).



Таблиця 3

Механічні властивості титанових сплавів с дисперсним інтерметалідним зміцненням (після гартування і старіння)

Сплав	В, MПa	, %	, %	аН, Дж/cм2	Eд, ГПa
ВT22 + 0,2%C	1288...1366	14,8...16,6	37...40	20...22	130
ВT22 + 0,2%B	1330...1340	8,0...11,5	27...36	22...24	132
ВT22 +(0,1%Si - 0,1%C - 0,1%B)	1300...1370	8,6...14,0	22...30	18...22	132

У жароміцному титановому сплаві системи Ti -4,5%Al -25%Nb -5,0%Mo -0,1%B -0,1%C -0,1%Si -4,0%Fe було використано дисперсне інтерметалідне зміцнення, а також додаткове каркасне зміцнення за рахунок евтектоїду TiFe. Це дозволило підняти рівень тривалої жароміцності дослідного сплаву до 320 МПа (протягом 100 годин) при температурі 750⁰С. При кімнатній температурі цей сплав мав межу міцності 1380 МПа і відносне подовження 3,5 %.

Виходячи з отриманих даних було встановлено, що шляхом інтерметалідного зміцнення твердорозчинних титанових сплавів можна підвищити їх міцність і жароміцність і зберегти при цьому необхідну пластичність. При цьому, розроблена технологія МЕП дозволяє реалізувати переваги титанових сплавів з інтерметалідами перш за все за рахунок рівномірного розподілення легуючих елементів, а відповідно і інтерметалідної фази, в об'ємі зливка, подрібнення його структури і багаторазового збільшення довжини міжкристалітних границь.

ВИСНОВКИ

1. Одним з визначальних чинників недостатньо високої якості металу зливків багатокомпонентних титанових сплавів, зміцнених інтерметалідами, є їх структурна і хімічна неоднорідність та крупнокристалічна будова. Запропоновано нові фізичні механізми і технологічні рішення підвищення рівня однорідності і дрібнозернистості титанових сплавів, в основу яких покладено керування процесами плавлення, переносу і кристалізації металу при електрошлаковій плавці за допомогою зовнішніх магнітних полів.

2. Шляхом математичного і фізичного моделювань гідродинамічної структури металургійного розплаву при електрошлаковому процесі встановлено:

- введення в зону плавки поздовжнього магнітного поля створює азимутальне обертання шлакового розплаву, швидкість якого максимальна в верхніх шарах ванни і мінімальна в нижніх. Таке диференційне обертання гальмує рух розплаву в меридіональних площинах і створює вторинні течії, напрямок яких протилежний традиційному;

- введення в зону плавки поздовжньо-радіального магнітного поля створює азимутальне обертання розплаву, яке незмінне по своєму напрямку по висоті ванни. Застосування поздовжньо-радіального магнітного поля дозволяє збільшити термін перебування електродних краплин і електропровідних часток в шлаковій ванні на 40...50%, у порівнянні з плавкою без зовнішнього поля;

- введення в зону плавки поперечного магнітного поля створює зворотньо-поступальний рух (вібрацію) металургійного розплаву і витратного електроду. Частота таких коливань співпадає з частотою електричного струму плавки, а їх амплітуда пропорційна щільності струму в ванні і індукції поперечного магнітного поля;

3. Розроблені наукові і технологічні засади процесів магнітокерованої електрошлакової плавки титанових сплавів. В їх основу покладено керування інтенсивністю і траєкторіями руху металургійного розплаву в ванні шляхом створення в ній електровихрових течій або вібрації розплаву, які формуються внаслідок взаємодії електричного струму в шлаковій і металевій ваннах з зовнішніми магнітними полями.

4. Встановлено, що при плавці в поперечному магнітному полі зливків діаметром 80...220 мм, введення в зону плавки поля індукцією В=0,16...0,20 Тл призводить до зменшення на 10…20% сили струму плавки, зменшення на 25...60% глибини металевої ванни, збільшення на 35...46% частоти переносу електродних краплин і відповідного зменшення їх маси. При індукції В=0,10 Тл має місце потоншення і переорієнтація кристалітів зливка з радіальної на вісьову, при В=0,18...0,20 Тл кристаліти зливка подрібнюються, при В0,24 Тл, погіршуються стабільність електрошлакового процесу та умови формування зливка.

5. Розроблено змішаний фторидно-хлоридний флюс для МЕП титанових сплавів, який складається з фториду кальцію, хлориду лужноземельного металу та фторотитанату магнію. У порівнянні з чистим фторидом кальцію розроблений флюс характеризується підвищеним на 7...23% електроопором в розплавленому стані, що дозволяє підвищити теплову потужність електрошлакового процесу і продуктивність плавки.

6. Технологія МЕП забезпечує отримання зливків титанових сплавів, хімічний склад яких задовольняє вимогам діючих стандартів. Метал зливків характеризується високою хімічною однорідністю (коефіцієнт ліквації не перевищує 1,05), дрібнозернистою структурою (розмір зерна 2...7 мм), відсутністю дефектів типу шлакових включень, мікропор, тріщин. При однаковому рівні міцності характеристики пластичності і ударної в'язкості сплаву Ti-10-2-3, технології МЕП, відповідно, на 30% і 60 % вищі, ніж у аналогічних зразків ВДП.

7. Методом МЕП отримано зливки жароміцного титанового сплаву з інтерметалідним зміцненням (Ti-4,5%Al-25%Nb-5,0%Mo-0,1%B-0,1%C-0,1%Si-4,0%Fe), метал яких має _в=1380 МПа і =3,5 %, при кімнатній температурі, і тривалу жароміцність ¹⁰⁰ = 320 МПа при температурі 750⁰С.

8. Створено дослідно-промислову установку для МЕП титанових сплавів потужністю 724 кВт, яка дозволяє виплавляти зливки діаметром до 255 мм і довжиною до 900 мм. Продуктивність установки становить 150 кг/годину.

СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Компан Я.Ю., Протоковилов И.В., Моисеев В.Н. Высокопрочные и жаропрочные титановые сплавы с интерметаллидами технологии МЭП // Современная электрометаллургия. - 2004. - №2. - С. 3-7.

2. Компан Я.Ю., Протоковилов И.В. Получение высоколегированного титана методом МЭП // Теория и практика металлургии. - 2001. - №5(25). - С. 70-77.

3. Дудко Д.А., Компан Я.Ю., Протоковилов И.В. Циклическая плавка сварочных флюсов // Автоматическая сварка. - 1994. - №9-10. - С. 25-28.

4. Компан Я.Ю., Протоковилов И.В. О роли электровихревых течений при двухэлектродной электрошлаковой сварке // Автоматическая сварка. - 1994. - №5-6. - С. 32-34.

5. Компан Я.Ю., Протоковилов И.В. Некоторые технологические аспекты магнитоуправляемой электрошлаковой плавки (МЭП) титановых сплавов // Материалы Международной научно-технической конференции “Специальная металлургия: вчера, сегодня, завтра”, 8-9 октября 2002г. Киев. С.256-262.

6. Протоковилов И.В, Компан Я.Ю. Вибрация расплава при магнитоуправляемой электрошлаковой плавке (МЭП) в поперечном магнитном поле // II Всеукраинская научно-техн. конф. молодых ученых и специалистов “Сварка и смежные технологии”. Сборник тезисов. - Киев, 2003. - С.58.

7. Протоковилов И.В., Абралов М.М. Термомеханическая обработка слитков высокопрочных титановых сплавов технологии МЭП // Вестник ТашГТУ - Ташкент, 2005 - № 2 - С. 71 - 78.

8. Kompan Ya.Yu., Zhadkevich M.L., Protokovilov I.V., Mojseev V.N. High-strength and heat-resistant alloys with intermetallics of MEM technology // Proceedings of the 10th World Conference on Titanium, Hamburg, Germany 13-18 July 2003. Volume 1. P.229-236.

9. Kompan Y.Y., Protokovilov I.V. Magnetically-Controlled Electroslag Melting (MEM) of Multicomponent Titanium Alloys // Proceedings of the NATO Research Workshop on Metallic Materials with High Structural Efficiency, Kyiv, Ukraine, 7-13 September, 2003. - P.413-418.

10. Kompan Y., Protokovilov I. MEM Titanium Production: Possibilities for Cost Reduction // Proceedings of the Cost-Affordable Titanium Symposium Dedicated to Professor Harvey Flower, 2004 TMS Annual Meeting, Charlotte, North Carolina, USA, March 14-18, 2004. - P.53-58.

11. Kompan Ya.Yu., Zhadkevich M.L., Protokovilov I.V., Mojseev V.N. High Strength Alloys By Magneticaly Controlled Electroslag Melting // Materials Technology & Advanced Performance Materials. 2003. Volume 18. Number 4. P.214-217.

12. Kompan Y.Y., Protokovilov I.V. Peculiarities of Process of Magnetically - Controlled Electroslag Melting (MEM) of Titanium Alloys // Proceedings of the 9th World Conference on Titanium, St. Petersburg, 1999.

13. Kompan Y.Y., Protokovilov I.V. Mojseev V.N. Magnetically-Controlled Electroslag Melting (MEM) of Aviation Alloys // Proceedings of the 9th World Conference on Titanium, St. Petersburg, 1999.

14. Патент України 55560, С22В9/18. Спосіб магнітокерованої електрошлакової плавки титанових сплавів. Компан Я.Ю., Протоковілов І.В. (Україна). Зареєстровано 21.03.2001. Опубл. Бюл. №4 від 15.04.2003.

15. Патент України 55500, С22В9/18, 34/00. Спосіб магнітокерованого електрошлакового плавлення тугоплавких металів. Компан Я.Ю., Протоковілов І.В. (Україна). Зареєстровано 08.09.2000. Опубл. Бюл. №4 від 15.04.2003.

16. Патент України 55501, С22В9/18, 34/12, С22С1/03. Композитний електрод для магнітокерованого електрошлакового плавлення титанових сплавів (варіанти). Компан Я.Ю., Протоковілов І.В., Петров А.М. (Україна). Зареєстровано 14.07.2000. Опубл. Бюл. №4 від 15.04.2003.

17. Патент України 55502, В23К35/36. Флюс для магнітокерованої електрошлакової плавки титанових сплавів. Компан Я.Ю., Протоковілов І.В., Петров А.М. (Україна). Зареєстровано 14.07.2000. Опубл. Бюл. №4 від 15.04.2003.

АНОТАЦІЇ

Протоковілов І. В. Магнітокерована електрошлакова плавка (МЕП) багатокомпонентних титанових сплавів. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.07 - Металургія високочистих металів та спеціальних сплавів. - Інститут електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України, Київ, 2006 р.

Робота присвячена розробці наукових і технологічних засад технології магнітокерованої електрошлакової плавки (МЕП) титанових сплавів.

Досліджені гідродинамічні процеси які відбуваються в шлаковій і металевій ваннах під час електрошлакової плавки під впливом зовнішніх поздовжнього, поздовжньо-радіального і поперечного магнітних полів. Вивчено закономірності руху твердих часток в шлаковій ванні під дією поздовжньо-радіального магнітного поля. Встановлений вплив поперечного магнітного поля на металургійні і технологічні особливості процесу електрошлакової плавки титанових сплавів. Встановлені характеристики магнітного поля, які забезпечують виплавку зливків без кристалізаційних дефектів з однорідною дрібнозернистою структурою.

Досліджені властивості титанових сплавів одержаних методом МЕП. Показана можливість використання розробленої технології для одержання зливків титанових сплавів з інтерметалідним зміцненням, які мають нові унікальні властивості.

Ключові слова: електрошлакова плавка, магнітне поле, електромагнітне керування, гідродинаміка, титанові сплави, зливки, властивості.

Protokovilov I.V. Magnetically-controlled electroslag melting of multicomponent titanium alloys - Manuscript. Thesis for the Candidate of Sciences degree (Engineering) in speciality 05.16.07. - Metallurgy of high-pure metals and special alloys. - The E.O. Paton Electric Welding Institute of the NAS of Ukraine, Kiev, 2006.

The work is devoted to the development of scientific and technological fundamentals of the magnetically-controlled electroslag melting (MEM) of titanium alloys.

Hydrodynamic processes, proceeding in slag and metal pools during electroslag melting under the action of external longitudinal, longitudinal-radial and transverse magnetic fields, have been investigated. Regularities of movement of solid inclusions in a slag pool under the action of longitudinal-radial magnetic fields were studied. Effect of transverse magnetic field on metallurgical and technological peculiarities of the process of electroslag melting of titanium alloys was found. Characteristics of magnetic field, which guarantee the ingot melting with a homogeneous fine-grain structure without crystalline defects, were established.

Properties of titanium alloys, produced by the MEM method, were studied. The feasibility of application of the developed technology for producing titanium alloy ingots with intermetallic strengthening, which possess new unique properties, is shown.

Key words: electroslag melting, magnetic field, electromagnetic control, hydrodynamics, titanium alloys, ingots, properties.

Протоковилов И. В. Магнитоуправляемая электрошлаковая плавка многокомпонентных титановых сплавов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.07. - Металлургия высокочистых металлов и специальных сплавов. - Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины, Киев, 2006 г.

Работа посвящена разработке научных и технологических основ технологии магнитоуправляемой электрошлаковой плавки (МЭП) титановых сплавов. Методом физического моделирования исследованы течения металлургического расплава при электрошлаковой плавке под воздействием внешних магнитных полей разной пространственной ориентации. Показано, что гидродинамику металлургического расплава определяют объемные электромагнитные силы, возникающие при взаимодействии тока плавки с собственным или внешним магнитными полями. В зависимости от характеристик внешнего магнитного поля в металлургической ванне создаются электровихревые течения или возвратно-поступательные колебания (вибрация) расплава.

Путем математического моделирования показано, что под действием внешнего, продольно-радиального магнитного поля траектории движения твердых частиц и электродных капель в потоках жидкого шлака видоизменяются, что позволяет увеличить время их нахождения в шлаковой ванне на 40-50%. Показана возможность удаления твердых частиц на периферию шлаковой ванны, к стенке кристаллизатора.

На основе проведенных исследований разработаны технологические схемы управления гидродинамикой металлургического расплава с использованием продольного, продольно-радиального и поперечного магнитных полей.

Экспериментальным путем исследованы металлургические и технологические особенности процесса МЭП титановых сплавов в поперечном магнитном поле. Установлено, что вибрация расплава, вызванная введением в зону плавки поперечного поля, приводит к снижению силы тока плавки, увеличению частоты отрыва электродных капель (и соответственного снижения их средней массы), уменьшению глубины металлической ванны и выравниванию фронта кристаллизации. Показана возможность управления структурой титановых сплавов при помощи вибрации, созданной поперечным магнитным полем. Установлены характеристики магнитного поля, которые обеспечивают выплавку слитков без кристаллизационных дефектов с однородной мелкозернистой структурой.

Разработан процесс прессования расходуемых электродов и металлургический флюс для МЭП титановых сплавов.

Исследованы свойства титановых сплавов, полученных методом МЭП. Установлено, что новый технологический процесс обеспечивает получение слитков титановых сплавов с высокой химической и физической однородностью, мелкозернистой структурой и отсутствием дефектов типа шлаковых включений, микропор, трещин. Химический состав металла удовлетворяет требования соответствующих стандартов. Показано, что при одинаковом уровне прочности характеристики пластичности и ударной вязкости металла МЭП выше, нежели у аналогичных образцов ВДП. Установлена возможность получения методом МЭП слитков титановых сплавов с интерметаллидным упрочнением. Получены слитки жаропрочных титановых сплавов, металл которых имеет длительную прочность 320 МПа при температуре 750⁰С.

Ключевые слова: электрошлаковая плавка, магнитное поле, электромагнитное управление, гидродинамика, титановые сплавы, слитки, свойства.

Размещено на Allbest.ru

...