Применение сварочных технологий для подавления ликвации в крупных слитках
Вопрос ликвации постоянно находится в поле внимания металлургов. Особенно важным представляется его решение при получении крупных слитков. Дендритная ликвация может настолько ухудшить качество слитка, что он может оказаться непригодным для изготовления крупных деталей ответственного назначения. Пока...
Gespeichert in:
| Datum: | 2016 |
|---|---|
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2016
|
| Schriftenreihe: | Автоматическая сварка |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/146752 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Применение сварочных технологий для подавления ликвации в крупных слитках / В.А. Шаповалов я // Автоматическая сварка. — 2016. — № 5-6 (753). — С. 162-165. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-146752 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1467522025-02-09T11:55:34Z Применение сварочных технологий для подавления ликвации в крупных слитках Application of welding technologies for suppression of liquation in large ingots Шаповалов, В.А. 3D аддитивные технологии Вопрос ликвации постоянно находится в поле внимания металлургов. Особенно важным представляется его решение при получении крупных слитков. Дендритная ликвация может настолько ухудшить качество слитка, что он может оказаться непригодным для изготовления крупных деталей ответственного назначения. Показано, что основная причина ликвации — малая скорость кристаллизации. Ее увеличение невозможно при выплавке крупных слитков с помощью традиционных технологий. Поэтому одним из путей подавления дендритной ликвации предлагается поэтапное наплавление (формирование) слитка с помощью сварочных технологий. В статье приведены экспериментальные данные, подтверждающие возможность управления структурой слитка независимо от его размеров. Сделан прогноз относительно областей применения предлагаемого подхода для изготовления изделий ответственного назначения. The problem of liquation continuously attracts an attention of metallurgists and it is especially acute in producing of large ingots. Dendritic liquation can deteriorate the ingot so that it can occurr to be unsuitable for manufacture of large critical-purpose parts. It is shown that the main cause of liquation is a low rate of solidification. Its increase is impossible in melting of large ingots by using the traditional technologies. Therefore, one of the ways of suppression of the dendritic liquation is a stage-by-stage surfacing (formation) of ingots by using the welding technologies. The article gives the experimental data confirming the feasibility of the ingot structure control independently of its sizes. The fields of application of the suggested approach for manufacture of critical products are predicted. 2016 Article Применение сварочных технологий для подавления ликвации в крупных слитках / В.А. Шаповалов я // Автоматическая сварка. — 2016. — № 5-6 (753). — С. 162-165. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 0005-111X DOI: https://doi.org/10.15407/as2016.06.26 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/146752 669.786.365.2.002.6 ru Автоматическая сварка application/pdf Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
3D аддитивные технологии 3D аддитивные технологии |
| spellingShingle |
3D аддитивные технологии 3D аддитивные технологии Шаповалов, В.А. Применение сварочных технологий для подавления ликвации в крупных слитках Автоматическая сварка |
| description |
Вопрос ликвации постоянно находится в поле внимания металлургов. Особенно важным представляется его решение при получении крупных слитков. Дендритная ликвация может настолько ухудшить качество слитка, что он может оказаться непригодным для изготовления крупных деталей ответственного назначения. Показано, что основная причина ликвации — малая скорость кристаллизации. Ее увеличение невозможно при выплавке крупных слитков с помощью традиционных технологий. Поэтому одним из путей подавления дендритной ликвации предлагается поэтапное наплавление (формирование) слитка с помощью сварочных технологий. В статье приведены экспериментальные данные, подтверждающие возможность управления структурой слитка независимо от его размеров. Сделан прогноз относительно областей применения предлагаемого подхода для изготовления изделий ответственного назначения. |
| format |
Article |
| author |
Шаповалов, В.А. |
| author_facet |
Шаповалов, В.А. |
| author_sort |
Шаповалов, В.А. |
| title |
Применение сварочных технологий для подавления ликвации в крупных слитках |
| title_short |
Применение сварочных технологий для подавления ликвации в крупных слитках |
| title_full |
Применение сварочных технологий для подавления ликвации в крупных слитках |
| title_fullStr |
Применение сварочных технологий для подавления ликвации в крупных слитках |
| title_full_unstemmed |
Применение сварочных технологий для подавления ликвации в крупных слитках |
| title_sort |
применение сварочных технологий для подавления ликвации в крупных слитках |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| publishDate |
2016 |
| topic_facet |
3D аддитивные технологии |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/146752 |
| citation_txt |
Применение сварочных технологий для подавления ликвации в крупных слитках / В.А. Шаповалов я // Автоматическая сварка. — 2016. — № 5-6 (753). — С. 162-165. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| series |
Автоматическая сварка |
| work_keys_str_mv |
AT šapovalovva primeneniesvaročnyhtehnologijdlâpodavleniâlikvaciivkrupnyhslitkah AT šapovalovva applicationofweldingtechnologiesforsuppressionofliquationinlargeingots |
| first_indexed |
2025-11-25T22:44:51Z |
| last_indexed |
2025-11-25T22:44:51Z |
| _version_ |
1849804133243027456 |
| fulltext |
3 аддитивные технологии
1 6 2 - АВТОМАТИ ЕСКАЯ СВАРКА . -
УДК 669.786.365.2.002.6
применение сварочных технологий
Для поДавления лиКваЦии в КрУпных слитКах
В. А. ШАПОВАЛОВ
иЭс им. е. о. патона нан Украины. 03680, г. Киев-150, ул. Казимира малевича, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua
вопрос ликвации постоянно находится в поле внимания металлургов. особенно важным представляется его решение
при получении крупных слитков. Дендритная ликвация может настолько ухудшить качество слитка, что он может ока-
заться непригодным для изготовления крупных деталей ответственного назначения. показано, что основная причина
ликвации — малая скорость кристаллизации. ее увеличение невозможно при выплавке крупных слитков с помощью
традиционных технологий. поэтому одним из путей подавления дендритной ликвации предлагается поэтапное наплав-
ление (формирование) слитка с помощью сварочных технологий. в статье приведены экспериментальные данные, под-
тверждающие возможность управления структурой слитка независимо от его размеров. сделан прогноз относительно
областей применения предлагаемого подхода для изготовления изделий ответственного назначения. Библиогр. 10, рис. 5.
К л ю ч е в ы е с л о в а : дендритная ликвация, коэффициент распределения, скорость кристаллизации, ЭШП, ВДП,
ЭЛП, ПДП, макро- и микроструктура
ликвация — это неоднородность химического со-
става, возникающая при его кристаллизации. суще-
ствует дендритная и зональная ликвация. следствия
дендритной ликвации для сплавов: уменьшение
коррозионной стойкости; понижение пластичности;
образование строчечной структуры при обработке
давлением; понижение температуры солидуса, опас-
ность оплавления границ зерна при термообработ-
ке; нестабильность структуры и свойств металла во
времени.
зональная ликвация бывает: прямая, обратная,
карбидная, внеосевая (шнуровая) и гравитацион-
ная. причина ликвации — различная раствори-
мость легирующего компонента или примеси в
твердой и жидкой фазах (рис. 1).
отношение концентрации примесей в твер-
дой фазе к концентрации примесей в жидкой фазе
есть коэффициент распределения
,s
l
C
K C=
где Cs — концентрация компонента в твердой
фазе; Cl — концентрация компонента в жидкой
фазе.
в металлургических процессах K < 1 и зави-
сит от температуры и скорости кристаллизации
(для большинства легирующих элементов и при-
месей). при быстрой (мгновенной) закалке K = 1.
при очень медленной кристаллизации K = K0, где
K0 — в равновесии. чем меньше K, тем сильнее
ликвация.
обычно его величина приводится в справочни-
ках для равновесного состояния.
в реальных условиях необходимо говорить
об эффективном коэффициенте распределения
(рис. 2), который определяется по формуле [1]
0
/
0 0
,
(1 ) f D
K
K
K K e− δ=
+ −
где f — скорость кристаллизации, см/с; δ — тол-
щина диффузионного слоя, прилегающего к фрон-
ту кристаллизации и обогащенного примесью, см;
D — коэффициент диффузии примеси, см2/с.
традиционные технические приемы для
борьбы с ликвацией следующие: регулирова-
ние температуры заливаемого металла; регу-
лирование теплового поля на поверхности ван-
© в. а. Шаповалов, 2016
рис. 1. схема распределения примесей на границе твердой и
жидкой фаз: а — в равновесных условиях; б — в неравновес-
ных условиях (δ — толщина диффузионного слоя)
3 аддитивные технологии
1 6 3 - АВТОМАТИ ЕСКАЯ СВАРКА -
ны; введение холодильников; электромагнитное
перемешивание; виброобработка; реверсивное
вращение металла; обработка ультразвуком; элек-
трогидроимпульсная обработка; обработка рас-
плава погружаемым колеблющимся стержнем.
К сожалению, эффективность традиционных
технических приемов снижается с увеличением
веса слитка. поэтому разработка новых методов
получения крупных слитков является актуальной.
основная причина ликвации — малая скорость за-
твердевания. она нелинейно уменьшается с уве-
личением массы слитка.
путь борьбы с ликвацией — повышение ско-
рости затвердевания (кристаллизации) до такой
величины, которая обеспечит эффективный коэф-
фициент распределения примесей и легирующих
элементов примерно равный единице.
традиционные способы получения крупных
слитков, включая и способы специальной метал-
лургии, не могут решить эту проблему. в слу-
чае превышения критического диаметра слитка
направленная кристаллизация, характерная для
слитков вДп, ЭШп, Элп и пДп малого диаме-
тра, нарушается и процессы теряют свое преиму-
щество [2–4]. отвод тепла со средины слитка вниз
и через боковую поверхность ограничен, а свер-
ху перегретая металлическая ванна покрывает все
поперечное сечение слитка (рис. 3, а).
Для решения проблемы — повышения ско-
рости затвердевания, необходимо организовать
отток тепла. Эта возможность появляется, если
металлическая ванна будет иметь небольшие раз-
меры, а остальная верхняя торцевая поверхность
слитка будет твердой, с отдачей тепла в атмосферу
печи (рис. 3, б) (поток q1). тогда, перемещая ме-
таллическую ванну по наплавляемой поверхности
с высокой скоростью, можно будет управлять ско-
ростью кристаллизации и процессами ликвации.
решением проблемы ликвации может быть
применение сварочных технологий. небольшая
по размерам сварочная ванна и высокая скорость
сварки или наплавки, достигающая нескольких
метров в минуту, позволяет с уверенность прогно-
зировать получение желаемого результата. наи-
более часто сварочные процессы применяются в
3D-технологиях для получения изделий заданной
достаточно сложной формы. описываются про-
цессы получения роторов мощных турбин [5],
приводятся примеры проспектов по изготовлению
корпусов ядерных реакторов [6]. опубликованные
работы, в основном, посвящены формообразова-
нию, но совсем незначительное число работ, в ко-
торых уделяется внимание управлению структу-
рой (ликвацией).
наши научные интересы лежат в плоскости
управления структурой, в первую очередь, и фор-
мообразованием, во вторую. так, снижая скорость
перемещения локальной металлической ванны в
область малых значений (единицы мм/мин) и ис-
пользуя монокристаллическую затравку мы полу-
чаем монокристаллы, теоретически не имеющие
предельных размеров [7, 8]. Кристаллы наследу-
ют структуру и кристаллографическую ориента-
цию затравки. повышая скорость перемещения
сварочного источника в 5...10 раз по сравнению
рис. 2. зависимость эффективного коэффициента распределе-
ния от величины приведенной скорости перемещения грани-
цы закристаллизовавшегося металла (fδ/D) [1]
рис. 3. схема подвода и отвода тепла от слитка: а — диаме-
тры ванны и слитка равны, б — локальная металлическая
ванна
3 аддитивные технологии
1 6 4 - АВТОМАТИ ЕСКАЯ СВАРКА . -
со скоростью выплавки слитков в известных пе-
реплавных процессах, мы добиваемся случайно-
го и быстрого массового зарождения кристаллов
в металлической ванне и, в результате, получения
мелкокристаллической структуры [9, 10]. Убе-
дительные результаты широких возможностей
управления структурой в сравнении с традицион-
ным пДп приведены на рис. 4. (размеры слитков
сопоставимы).
при пДп структура слитка имеет две зоны:
зону закаленных кристаллов и зону крупных на-
правленных кристаллов — дендритов. Кроме
того, в осевой зоне наблюдается транскристал-
лизация. в слитке, полученном в результате его
наращивания при перемещении небольшой ме-
таллической ванны, отмечается мелкозернистая
структура. результаты металлографических иссле-
дований показывают, что величина зерна находит-
ся в пределах 8-9 баллов (рис. 5). но самое глав-
ное — это то, что величина зерна, практически, не
зависит от места отбора образцов с слитке: сре-
дина, верх, низ. при реализации такого техноло-
гического подхода исключается влияние масштаб-
ного фактора на структурообразование слитка,
что в свою очередь открывает большие возможно-
сти повышения эксплуатационных свойств изде-
лий, получаемых из таких слитков, и приводит к
экономии металла в связи с принятием масштаб-
ного фактора равным единице, значение которо-
го обычно значительно уменьшается с увеличе-
нием габаритных размеров изделий. Кроме того,
вес слитка может быть максимально приближен к
рис. 4. макроструктура слитка пДп (а) и слитка, полученно-
го путем послойной наплавки локальным сварочным источ-
ником (б), карта мест отбора образцов (в)
рис. 5. микроструктура (×200) образцов металла слитка, полученного наращиванием при перемещении небольшой металли-
ческой ванны
3 аддитивные технологии
1 6 5 - АВТОМАТИ ЕСКАЯ СВАРКА -
весу готового изделия — нет необходимости от-
резать донную и головную части (это треть веса
крупного слитка).
Управление структурой и ликвационными про-
цессами крайне важно при производстве изделий
ответственного назначения, например, дисков ави-
ационных двигателей. практически — это может
быть замена сложной и дорогостоящей порошко-
вой технологии.
Выводы
1. показана несостоятельность традиционных
технологий по управлению ликвационными про-
цессами при кристаллизации крупных слитков.
2. обосновано применение сварочных техноло-
гий для управления ликвационными процессами.
3. подтверждена возможность получения одно-
родной структуры по всему сечению слитка, в том
числе, в донной и головной частях.
4. показана перспектива применения разраба-
тываемого способа для выплавки слитков и заго-
товок деталей ответственного назначения.
1. технология полупроводниковых материалов / под ред.
г. Бриджерса, Дж. скаффа, Дж. Шайва и Ф. Бионди; пер.
с англ. под ред. м. и. иглицына. – м.: оборонгиз, 1961.
– 314 с.
2. Флемингс м. процессы затвердевания / м. Флемингс;
пер. с англ. под ред. а. а. Жукова, Б. в. рабиновича. –
м.: мир, 1977. – 424 с.
3. нехензи Ю. а. стальное литье / Ю. а. нехензи. – м.:
гинтл по черной и цветной металлургии, 1948. – 766 с.
4. митчел а. Факторы, влияющие на температуру и кри-
сталлизацию слитков при ЭШп / а. митчел, а. с. Бэ-
лэнштайн // Электрошлаковый переплав. – 1985. – вып.
6. – с. 192–198.
5. Datta R. Shape welding with MnMoNi alloys for heavy
components / R. Datta, K. Million, H. Zimmermann //
Welding and Cutting. – 2003. – 55, № 4. – P. 216–224.
6. Future prospects of shape welding / U. Dilhey, l. Stein, C.
Berger, K. Million, R. Datta, H. Zimmermann // Welding and
Cutting. – 2006. – 5, № 3. – P. 164–172.
7. Шаповалов в. а. Крупные плоские монокристаллы воль-
фрама и молибдена и способы их получения / в. а. Ша-
повалов, Ю. в. латаш, в. в. Жолудь, с. т. Боримская
// чистые металлы: сб. докладов 7-го международного
симпозиума. – харьков, 2001. – с. 39–42.
8. Шаповалов в. а. ориентированные монокристаллы
вольфрама: получение, исследование и применение /
в. а. Шаповалов, Ю. в. латаш, с. т. Боримская, в. в.
Жолудь // металлы. – 2001. – № 1. – с. 60–64.
9. Шаповалов в. а. подавление ликвационных процессов
в крупных слитках / в. а. Шаповалов, г. м. григорен-
ко // современная электрометаллургия. – 2015. – № 1. –
с. 26–30.
10. Шаповалов в. а. Формирование крупного слитка ме-
тодом перемещения локальной металлической ванны /
в. а. Шаповалов, К. а. Цыкуленко, е. в. Шаповалов, т. г.
скуба // Электрометаллургия. – 2015. – № 2. – с. 36–43.
поступила в редакцию 28.04.2016
О И
НАПЛАВКА. МАТЕРИАЛ , ТЕХНОЛОГИИ, МАТЕМАТИ ЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ.
И. . б ев И. . Сенченков Э. . урык. – liwice, awnictwo olitechnik Slaskiej,
2015. – 590 p.
Книга содер ит следу щие разделы
Виды износа и повреждения деталей машин и механизмов.
Классификация и характеристика основных методов наплавки.
Методы расчета напряженно-деформированного и структурного со-
стояния деталей в процессе наплавки и последую ей эксплуатации в
условиях изнашивания и циклических механических или термомеханиче-
ских нагрузок.
Долговечность наплавленных деталей, эксплуатирую ихся при изна-
шивании и циклических механических нагрузках.
Долговечность наплавленных деталей, эксплуатирую ихся в усло-
виях изнашивания и циклических термических и механических нагрузок.
Нелегированные и низколегированные стали, применяемые для изго-
товления деталей машин, и их свариваемость.
Структура и свойства наплавленного металла различных систем ле-
гирования.
Методы регулирования структуры наплавленного металла.
Электродуговая наплавка.
Плазменная наплавка.
Электрошлаковая наплавка
Газовая наплавка.
Индукционная наплавка.
Лазерная наплавка.
Дефекты в наплавленном металле, их происхождение и меры борьбы с ними.
Контроль качества и механическая обработка наплавленных деталей.
Аттестация процедур наплавки.
С книгой можно ознакомиться в библиотеке ИЭС им. Е.О. Патона
|