CC BY
36
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2003 р. Вип. № 13
УДК 669.187.526:51.001.57
Жук Г.В.*
СТРУКТУРА И СВОЙСТВА СЛИТКОВ ТИТАНОВОГО СПЛАВА Ть6А1-4У, ПОЛУЧЕННЫХ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ПЛАВКОЙ С ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ЕМКОСТЬЮ
Методами математического моделирования определены режимы обогрева верхнего торца слитка в кристаллизаторе, соответствующие различному агрегатному состоянию его поверхности. На электронно-лучевой установке проведены опытные плавки согласно рассчитанным технологическим параметрам. Исследованы структура и механические свойства полученных слитков титанового сплава И-6А1-4У.
Одной из основных тенденций развития современной металлургии является получение на стадии формирования слитка или отливки структуры и свойств металла, которые максимально благоприятствуют их дальнейшей термомеханической обработке. Особенно высокие требования предъявляются к слиткам легированных сплавов (жаропрочных, жаростойких, коррозион-ностойких и т.п.). Задачами, которые необходимо решать при выплавке таких слитков, являются измельчение структуры, преодоление структурной и химической макро- и микронеоднородности. Решение поставленных задач заключается в увеличении количества центров кристаллизации при затвердевании расплава металла путем увеличения начальных скоростей охлаждения [1,2]. С другой стороны, требуется обеспечить высокую чистоту металла слитков от газов, вредных примесей и включений. Необходимый уровень чистоты обеспечивают технологии, которые используют в качестве защитной среды вакуум. Широкие возможности по очистке металла и регулированию нагрева свободной поверхности слитка металла в кристаллизаторе обеспечивает электронно-лучевая плавка с промежуточной емкостью (ЭЛПЕ) благодаря применению независимого источника нагрева - электронного луча [3]. При этом наличие промежуточной емкости позволяет рафинировать расплав металла и обеспечивать его подачу в кристаллизатор необходимыми порциями с заданной частотой.
Цель работы состоит в изучении влияния мощности и конфигурации обогрева металла на свободной поверхности выплавляемого слитка при ЭЛПЕ на структуру, образующуюся в слитке и механические свойства титанового сплава 6А1-4У (масс. %). Технология выплавки слитков заключалась в плавке расходуемой заготовки, состоящей из титановой губки и ванадий-алюминиевой лигатуры, к которым был добавлен алюминий для компенсации потерь на испарение [4]. Переплав производили с применением промежуточной емкости, в которой происходило усреднение химического состава сплава. Из промежуточной емкости металл периодически сливался в кристаллизатор круглого сечения, где формировался слиток.
Опытные плавки проводились на электронно-лучевой установке УЭ-208 [3]. В процессе плавок применяли медный водоохлаждаемый кристаллизатор с внутренним диаметром 200 мм, оснащенный вертикально перемещаемым поддоном. Первыми порциями слива формировали затравку будущего слитка до высоты, равной внутреннему диаметру кристаллизатора, на которой, согласно расчетам, плавка переходит в квазистационарный режим. Затем, на достигнутом технологическом режиме, выплавляли слиток необходимой высоты. В ходе всех экспериментальных плавок поддерживали постоянной скорость плавки 100 кг/ч. Обогрев слитка в кристаллизаторе производился путем сканирования по его поверхности луча одной из электронных пушек. Сканирование производилось таким образом, что сообщаемая поверхности слитка энергия может быть условно разделена на две части: \¥2, подаваемая на периферию верхнего торца слитка (0...30 мм от края кристаллизатора) и \¥ь подаваемая в центральную часть поверхности слитка (остальная поверхность). Эксперименты были проведены при различных значениях и которые поддерживались постоянными во время каждой плавки. После плавки слиток находился в камере в условиях вакуума до полного его охлаждения.
ИЭС им. Е.О.Патона, канд.техн.наук, ст.науч.сотр.
! Рис.2 - Зависимость скорости охлаждения рас-
Рис. 1 - Схема моделируемого процесса плава от мощносхи обогрева центральной зоны
Для определения технологических режимов плавки была создана математическая модель процессов переноса тепла в формирующемся цилиндрическом слитке [5]. В модели рассматривается процесс формирования слитка в кристаллизаторе (рис.1). При этом жидкий металл сливается в кристаллизатор порциями, а слиток периодически вытягивается с помощью поддона. Нагрев поверхности слитка разделяется на центральную (0<г<Я ]) и периферийную зоны (К1<г<Я). В математической модели контролируемыми технологическими параметрами являются: мощности центрального и периферийного нагрева и \¥2, периодичность заливки т, высота одновременно сливаемой в кристаллизатор порции И, радиус границы между центральной и периферийной зонами обогрева Яь смещение периферийного луча на кристаллизатор с1. На основе экспериментальных исследований коэффициент теплопередачи на боковой стенке принят 1000 Вт/К м2, на поверхности поддона - 100 Вт/К м2. Значительное снижение коэффициента теплопередачи на поверхности поддона объясняется термической деформацией донной части слитка и, как следствие, возникающим зазором.
Задача решалась численно с помощью метода конечных разностей. Расчеты проводились для титанового сплава Ть6А1-4У при выплавке слитка диаметром 200 мм. В качестве неизменяемых технологических параметров были приняты следующие: т=120 с, 11=0.012 м, 1^=0.07 м, с1=5 мм. Путем изменения величины энергии, сообщаемой электронными лучами свободной поверхности слитка, получены температурные поля в слитке для стационарных режимов плавки. Анализ температурных полей позволил установить зависимость скорости охлаждения расплава (рис.2) и протяженности жидкой и твердо-жидкой зон от мощности нагрева поверхности слитка. Были определены два режима плавки: 1 (\¥1=18 кВт и кВт) - с наличием глубо-
Рис.З - Структура слитков 0200 мм, выплавленных при различной мощности обогрева: а-33 кВт, 6-20 кВт
кой (0.05... 0.07 м) ванны жидкого металла на поверхности слитка и 2 (\У1=5 кВт и \Vn~-l5 кВт) -твердо-жидкого состояния поверхности. Установлено, что квазистационарный температурный режим верхней части слитка достигается при формировании длины слитка не менее 200 мм, т.е. равной диаметру слитка.
Согласно рассчитанным режимам были выплавлены слитки диаметром 200 мм и длиной 1.5 м титанового сплава Ть6А1-4У. Во время плавок на поверхности слитка наблюдалась картина, соответствующая режимам. Так, во время плавки по режиму 1 в ванне жидкого металла наблюдалась интенсивная конвекция, а при плавке по режиму 2 периодически появлялся «плотик» из твердой фазы.
Была исследована структура продольных темплетов из центральной части слитка (рис.3). Режиму 1 соответствует ярко выраженная столбчатая структура, характерная для традиционных методов вакуумного переплава титановых сплавов. Из-за наличия развитой жидкой ванны влияние нижней части слитка, как холодильника, снижается. Кристаллиты прорастают от боковой поверхности слитка к его центру под углом около 45°. Вблизи боковой поверхности слитка кристаллиты также ориентированы, но более мелкие и растут под углом 90° к стенке кристаллизатора. Дня слитка, выплавленного по режиму 2 всей поверхности темплета наблюдаются практически равноосные кристаллы без характерной ориентации, средний размер зерна - 5 мм. Это говорит об объемном характере кристаллизации.
Были проведены механические испытания образцов, взятых вдоль диаметра слитков в их поперечном сечении. Средние значения предела прочности о.. предела текучести %2, относительного удлинения 8 и поперечного сужения \|/ для режимов 1 и 2 находятся на одном уровне, но для режима 1 характерен больший разброс результатов (рис.4). При этом для режима 2 расхождение в значениях ов и о0 2 меньше. Верхний предел значений ударной вязкости (образцы с У-образным надрезом) для режимов 1 и 2 совпадает, а нижний - различается примерно в 2 раза (табл.).
Табл. - Ударная вязкость КСУ (Дж см ) слитка Ть6А1-4У, полученного с помощью ЭЛЛЕ
Режим № Место отбора образцов
край середина край
1 23.2...51.0 26.1... 38.5 24.0... 41.3
37.9 31.9 32.3
2 43.2...48.3 40.0... 47.1 37.6... 46.3
45.7 43.0 43.1
Примечание. В числителе - диапазон значений, в знаменателе - среднее значение (по 3 измерениям).
□ <£,Режим№1 -■□ <£2Режим№2 Ф Режим№1 Ш 3 Режим№2
I Режим№1:
I
I-, □ Режим№2 :
I I I
[ческие свойства металла ^дат^
Рис.4 - Механические свойства металла сли^ ков ЭЛЛЕ: а - предел прочности, предал текучести, б - относительное удлинение, в - поперечное сужение.
Широкий разброс результатов испытаний на ударную вязкость для режима 2 объясняется
более грубой структурой слитка. При этом низкие значения соответствуют разрушению образцов вдоль границы зерна.
Выводы
1. Для слитка сплава Ti-6A1-4V диаметром 200 мм при скорости плавки 100 кг/ч развитая жидкая ванна соответствует общей мощности, вводимой в кристаллизатор, - 33 кВт, твердо-жидкая поверхность - 20 кВт, причем в последнем случае основная мощность вводится вблизи стенок кристаллизатора.
2. Изменение условий обогрева металла в кристаллизаторе при ЭЛПЕ позволяет в широких пределах влиять на характер кристаллизации выплавляемого слитка. Столбчатой структуре соответствует режим плавки с развитой жидкой ванной, равноосной - с твердо-жидкой поверхностью слитка в кристаллизаторе. В процессе ЭЛПЕ получена равноосная структура слитка из сплава TÎ-6A1-4V, благоприятная для его последующей механической обработки.
3. Равноосная структура слитка позволяет уменьшить колебания значений прочностных свойств по его сечению. При этом среднее значение ударной вязкости (по сравнению со слитком столбчатой структуры) возрастает на 20 %.
Перечень ссылок
1. ЧалмерсБ. Теория затвердевания. Пер. с англ. /Б. Чалмерс. - М.: Металлургия, 1968. - 288 с.
2. ФлемингеМ. Процессы затвердевания. /М.Флеминге. - М.: Мир, 1977,- 423 с.
3. Патон Б.Е.. Электронно-лучевая плавка IБ.Е.Патон, Н.П.Тригуб, Д.А.Козлитин и др. // Киев: Наук, думка, 1997. - 265 с.
4. Калинюк А.Н. Испарение алюминия из сплавов на основе титана в процессе электроннолучевой плавки с промежуточной ёмкостью / И.Ю. Варич, C.B. Ахонин, Н.П.Тригуб, и др. // Пробл. спец. электрометаллургии - 1997,- № 4,- С. 15-21.
5. Жук Г.В. Математическое моделирование процессов кристаллизации титанового сплава Ti-6A1-4V при ЭЛПЕ / Г.В.Жук, Л.В.Ахонина., Н.П.Тригуб. II Пробл. спец. Электрометаллургии,- 1998,- №2,- С.21-25.
Статья поступила 07.04.2003
