Удаление тугоплавких включений из титана при электронно-лучевой плавке по механизму осаждения

Рассмотрены процессы удаления тугоплавких включений из титана при электронно-лучевой плавке (ЭЛП) с промежуточной емкостью. Установлены закономерности процесса гравитационного осаждения на поверхность гарнисажа насыщенных примесями внедрения частиц α-титана, а также включений в виде нитридов, оксидо...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2010
Hauptverfasser:	Ахонин, С.В., Кругленько, М.П., Костенко, В.И.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2010
Schriftenreihe:	Современная электрометаллургия
Schlagworte:	Электронно-лучевые процессы
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96163
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:	Удаление тугоплавких включений из титана при электронно-лучевой плавке по механизму осаждения / С.В. Ахонин, М.П. Кругленько, В.И. Костенко // Современная электрометаллургия. — 2010. — № 4 (101). — С. 7-10. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-96163
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-961632025-02-23T18:53:53Z Удаление тугоплавких включений из титана при электронно-лучевой плавке по механизму осаждения Removal of refractory inclusions from titanium in electron beam melting by the precipitation mechanism Ахонин, С.В. Кругленько, М.П. Костенко, В.И. Электронно-лучевые процессы Рассмотрены процессы удаления тугоплавких включений из титана при электронно-лучевой плавке (ЭЛП) с промежуточной емкостью. Установлены закономерности процесса гравитационного осаждения на поверхность гарнисажа насыщенных примесями внедрения частиц α-титана, а также включений в виде нитридов, оксидов титана и карбидов тугоплавких металлов, позволяющие определить требуемые габариты промежуточной емкости для обеспечения гарантированного удаления тугоплавких включений из титана путем их осаждения при ЭЛП. Processes of removal of refractory inclusions of titanium in electron beam cold hearth melting are considered. The regularities are established for process of gravitation precipitation on the surface of skull of α-titanium particles, saturated with interstitial impurities, and inclusions in the form of nitrides and titanium oxides and carbides of refractory metals, allowing determination of required dimensions of a cold hearth to provide a guaranteed removal of refractory inclusions of titanium by their precipitation in EBM. 2010 Article Удаление тугоплавких включений из титана при электронно-лучевой плавке по механизму осаждения / С.В. Ахонин, М.П. Кругленько, В.И. Костенко // Современная электрометаллургия. — 2010. — № 4 (101). — С. 7-10. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 0233-7681 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96163 669.187.826 ru Современная электрометаллургия 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	Электронно-лучевые процессы Электронно-лучевые процессы
spellingShingle	Электронно-лучевые процессы Электронно-лучевые процессы Ахонин, С.В. Кругленько, М.П. Костенко, В.И. Удаление тугоплавких включений из титана при электронно-лучевой плавке по механизму осаждения Современная электрометаллургия
description	Рассмотрены процессы удаления тугоплавких включений из титана при электронно-лучевой плавке (ЭЛП) с промежуточной емкостью. Установлены закономерности процесса гравитационного осаждения на поверхность гарнисажа насыщенных примесями внедрения частиц α-титана, а также включений в виде нитридов, оксидов титана и карбидов тугоплавких металлов, позволяющие определить требуемые габариты промежуточной емкости для обеспечения гарантированного удаления тугоплавких включений из титана путем их осаждения при ЭЛП.
format	Article
author	Ахонин, С.В. Кругленько, М.П. Костенко, В.И.
author_facet	Ахонин, С.В. Кругленько, М.П. Костенко, В.И.
author_sort	Ахонин, С.В.
title	Удаление тугоплавких включений из титана при электронно-лучевой плавке по механизму осаждения
title_short	Удаление тугоплавких включений из титана при электронно-лучевой плавке по механизму осаждения
title_full	Удаление тугоплавких включений из титана при электронно-лучевой плавке по механизму осаждения
title_fullStr	Удаление тугоплавких включений из титана при электронно-лучевой плавке по механизму осаждения
title_full_unstemmed	Удаление тугоплавких включений из титана при электронно-лучевой плавке по механизму осаждения
title_sort	удаление тугоплавких включений из титана при электронно-лучевой плавке по механизму осаждения
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2010
topic_facet	Электронно-лучевые процессы
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96163
citation_txt	Удаление тугоплавких включений из титана при электронно-лучевой плавке по механизму осаждения / С.В. Ахонин, М.П. Кругленько, В.И. Костенко // Современная электрометаллургия. — 2010. — № 4 (101). — С. 7-10. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
series	Современная электрометаллургия
work_keys_str_mv	AT ahoninsv udalenietugoplavkihvklûčenijiztitanapriélektronnolučevojplavkepomehanizmuosaždeniâ AT kruglenʹkomp udalenietugoplavkihvklûčenijiztitanapriélektronnolučevojplavkepomehanizmuosaždeniâ AT kostenkovi udalenietugoplavkihvklûčenijiztitanapriélektronnolučevojplavkepomehanizmuosaždeniâ AT ahoninsv removalofrefractoryinclusionsfromtitaniuminelectronbeammeltingbytheprecipitationmechanism AT kruglenʹkomp removalofrefractoryinclusionsfromtitaniuminelectronbeammeltingbytheprecipitationmechanism AT kostenkovi removalofrefractoryinclusionsfromtitaniuminelectronbeammeltingbytheprecipitationmechanism
first_indexed	2025-11-24T14:27:43Z
last_indexed	2025-11-24T14:27:43Z
_version_	1849682258982600704
fulltext	УДК 669.187.826 УДАЛЕНИЕ ТУГОПЛАВКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ ИЗ ТИТАНА ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ПЛАВКЕ ПО МЕХАНИЗМУ ОСАЖДЕНИЯ С. В. Ахонин, М. П. Кругленко, В. И. Костенко Рассмотрены процессы удаления тугоплавких включений из титана при электронно-лучевой плавке (ЭЛП) с про- межуточной емкостью. Установлены закономерности процесса гравитационного осаждения на поверхность гарни- сажа насыщенных примесями внедрения частиц α-титана, а также включений в виде нитридов, оксидов титана и карбидов тугоплавких металлов, позволяющие определить требуемые габариты промежуточной емкости для обес- печения гарантированного удаления тугоплавких включений из титана путем их осаждения при ЭЛП. Processes of removal of refractory inclusions of titanium in electron beam cold hearth melting are considered. The regularities are established for process of gravitation precipitation on the surface of skull of α-titanium particles, saturated with interstitial impurities, and inclusions in the form of nitrides and titanium oxides and carbides of refractory metals, allowing determination of required dimensions of a cold hearth to provide a guaranteed removal of refractory inclusions of titanium by their precipitation in EBM. Ключ е вы е с л о в а : электронно-лучевая плавка; проме- жуточная емкость; титан; тугоплавкие включения; грави- тационное осаждение Важной проблемой, стоящей перед всеми промыш- ленными производителями титановых слитков и по- луфабрикатов, является задача удаления из метал- ла включений с повышенным содержанием стаби- лизирующих α-фазу примесями внедрения: азота, кислорода и углерода, которые состоят из твердых частиц α-титана, насыщенных этими примесями, а также из химических соединений этих элементов с титаном – нитридов, оксидов и карбидов, а также их комплексных соединений (типа оксикарбонит- ридов). В мировой литературе такие включения по- лучили название включений низкой плотности – LDI (Low Density Inclusion) [1]. Твердость этих частиц более чем в три раза вы- ше, чем у титановой матрицы. Кроме того, они склонны к хрупкому разрушению. Поэтому указан- ные частицы являются концентраторами напряже- ния и источниками зарождения усталостных тре- щин [2], приводящих к разрушению высоконагру- женных деталей ответственного назначения и, как следствие, – к катастрофическим авариям. Кроме азотсодержащих включений низкой плот- ности, серьезную проблему в слитках титана пред- ставляют и включения, образованные химическими соединениями с большой плотностью и высокой тем- пературой плавления – так называемые включения высокой плотности HDI (High Density Inclusions) [3]. Источниками их образования, как правило, яв- ляются осколки режущего инструмента на основе карбидов тугоплавких металлов (WC, MoC и др.), которые попадают в металл вместе с шихтовыми компонентами, чаще всего со стружкой. Наличие дефектов типа HDI в изделиях значительно снижа- ет значения усталостных характеристик металла. Удалить тугоплавкие включения LDI и HDI спо- собом вакуумно-дугового переплава (ВДП) весьма затруднительно, они обнаруживаются в титане даже после тройного ВДП слитков [4]. Низкая эффек- тивность технологии ВДП по отношению к процес- сам рафинирования титана от включений LDI и HDI обусловлена тем, что плотность большинства таких включений выше, чем у жидкого титана. Пос- ле попадания в ванну жидкого расплава они быстро опускаются на дно и на фронте кристаллизации вмо- раживаются в металл слитка. Полное устранение включений LDI и HDI яв- ляется одной из важнейших задач усовершенство- вания технологии выплавки слитков из титана и его сплавов, используемых для изготовления деталей ответственного назначения. Для удаления включений LDI и HDI из жидкого титана используют технологии переплава с проме- жуточной емкостью [5]. Источником нагрева рас- плава в промежуточной емкости может служить или электронный луч, или плазменная дуга. Наиболее распространена в промышленности технология электронно-лучевой плавки титана с промежуточ- ной емкостью (рис. 1). © С. В. АХОНИН, М. П. КРУГЛЕНКО, В. И. КОСТЕНКО, 2010 7 Промежуточная емкость (холодный под) пред- ставляет собой медную водоохлаждаемую поверх- ность, ограниченную стенками, в одной из которых выполнен проем для слива жидкого металла (слив- ной носок). В нее электронными лучами сплавля- ется шихта, подаваемая из камеры загрузки. Промежуточная емкость служит для усреднения химического состава, рафинирования расплава от примесей и включений. В процессе плавки на дне промежуточной емкости образуется гарнисаж в ви- де слоя закристаллизовавшегося металла, который предохраняет стенки и дно от взаимодействия с рас- плавленным металлом. Одним из основных механизмов удаления туго- плавких включений из титана является их гравита- ционное осаждение: в процессе плавки жидкий ме- талл в промежуточной емкости течет горизонталь- но, тогда как включения с более высокой плот- ностью, чем у жидкого титана, под действием силы тяжести опускаются вниз (рис. 2), осаждаются на поверхность гарнисажа и вмораживаются в него. Для определения закономерностей удаления ту- гоплавких включений LDI и HDI из титана при электронно-лучевой плавке по механизму осажде- ния примем во внимание, что согласно закону Стокса, в области небольших чисел Рейнольдса (Re < 100) скорость движения частицы в жидкости прямо про- порциональна значению движущей силы. Для ту- гоплавкой частицы в виде шара в жидком металле ско- рость осаждения v под действием силы тяжести может быть рассчитана согласно уравнению Стокса [6]: v = 2 9 Δρgr2 η , (1) где Δρ = ρin — ρTi – разность между плотностями соответственно включения и жидкого титана, кг/м3; g – ускорение свободного падения, м/с; r – радиус включения, м; η – коэффициент вяз- кости жидкого титана, Пa⋅с. С учетом выражения (1) время осаждения ту- гоплавкого включения τs на дно ванны жидкого ме- талла может быть оценено с помощью следующего уравнения: τ s = h v = 18ηh Δρgd2, (2) где h – глубина ванны расплава в промежуточной емкости, м; d – характерный размер включения, м. Следует отметить, что при электронно-лучевой плавке глубина ванны расплава в промежуточной ем- кости, как правило, не превышает 0,03 м. Для жидких металлов, в том числе и для титана, коэффициент вязкости η может составлять 5 10—3 Пa⋅с [6], а плот- ность жидкого титана равняться 4110 кг/м3. В качестве примера рассчитаем время осаждения включения в виде карбида вольфрама, плотность которого составляет 14000 кг/м3 (рис. 3). Анализ полученных результатов показал, что ту- гоплавкие включения высокой плотности осажда- ются в гарнисаж очень быстро (включение диамет- ром 0,5 мм проходит через толщину жидкой ванны расплава в промежуточной емкости за 0,25 с). При этом длительность осаждения включения высокой плотности обратно пропорциональна его размеру. Так, продолжительность осаждения включения ди- аметром 100 мкм достигает уже 6 с. Важным технологическим и конструктивным па- раметром технологии ЭЛП являются габариты про- межуточной емкости, длина которой должна быть достаточной для гарантированного осаждения ту- гоплавких включений критического размера. Для оп- Рис. 1. Технологическая схема электронно-лучевой плавки с про- межуточной емкостью: 1, 2 – электронные пушки; 3 – меха- низм загрузки; 4 – исходная шихта; 5 – промежуточная ем- кость; 6 – кристаллизатор Рис. 2. Схема процесса осаждения тугоплавкого включения: 1 – промежуточная емкость; 2 – гарнисаж; 3 – расплав; 4 – ту- гоплавкое включение Рис. 3. Зависимость времени осаждения τ включения карбида вольфрама от его диаметра 8 ределения зоны промежуточной емкости, в которой происходит осаждение тугоплавких включений вы- сокой плотности, определим скорость течения жид- кого титана в процессе электронно-лучевой плавки. Линейная скорость течения жидкого титана vf определяется геометрическими размерами проме- жуточной емкости и связана с массовой скоростью плавки следующим соотношением: v f = m 3600 hSρTi , (3) где m – массовая скорость плавки, кг/ч; S – ширина потока расплава титана в промежуточной емкости, м. Например, для ширины потока расплава S = 0,4 м, глубины ванны расплава в промежуточной емкости h = 0,03 м и массовой скорости плавки m = 500 кг/ч скорость потока жидкого титана составит 3⋅10—3 м/с. В случае попадания тугоплавкого включения ди- аметром d в промежуточную емкость до момента осаждения на поверхность гарнисажа оно будет пе- ренесено потоком жидкого титана на расстояние L, которое может быть рассчитано следующим образом: L = v f τ S = mη 200SρTiΔρgd2, (4) Считая критическим размером тугоплавкого включения 100 мкм, по формуле (4) для карбида вольфрама можно определить, что путь включения от момента попадания в промежуточную емкость до места осаждения на поверхность гарнисажа соста- вит 8 мм. Следует отметить, что расстояние, на которое переносится включение потоком жидкого металла, не зависит от такого трудно определяемого пара- метра плавки, как глубина ванны, что позволяет существенно повысить точность расчетов. Наиболее распространенным типом включений низкой плотности LDI являются частицы α-титана с повышенным содержанием стабилизирующих α-фазу примесей внедрения (азота, кислорода), об- разующихся в процессе производства титановой губки. Они составляют около 95 % всех тугоплавких включений типа LDI [7]. Согласно диаграммам состояния систем титан— азот и титан—кислород, увеличение концентрации примесей внедрения в титане приводит к повыше- нию температуры плавления частиц титана, обога- щенных этими примесями. Так, например, темпе- ратура плавления α−титана при содержании азота более 4,1 % превышает 2020 °С (рис. 4), тогда как температура плавления чистого титана составляет 1668 °С. Плотность титана в твердом состоянии при ком- натной температуре равна 4500 кг/м3. Для опреде- ления плотности частиц α-титана, насыщенных азо- том и кислородом при температуре плавления ти- тана, примем во внимание, что коэффициент линей- ного расширения титана в диапазоне температур 20… 1668 °С, согласно данным справочника [8], мо- жет быть аппроксимирован выражением α = = 1,04⋅10—5 К—1. С учетом этого при достижении тем- пературы жидкого титана линейные размеры вклю- чения возрастут на 1,7 %, а плотность частиц α-ти- тана составит 4278 кг/м3. Таким образом, разница плотности между твер- дыми частицами α-титана и жидким титаном дос- тигнет Δρ = 168 кг/м3. Подставляя в формулу (4) рассчитанные значения, получим следующую зави- симость пути L включения α-титана до момента его осаждения на дно ванны расплава в промежуточной емкости от скорости плавки и диаметра включения: L = 3,7⋅10—12m Sd2 . (5) Расчетная плотность некоторых включений LDI при температуре 1668 °С Тип включения Плотность при 20 °С, кг/м 3 Температура плавления, °С Плотность при 1668 °С, кг/м 3 Δρ = ρin — ρTi при 1668 °С, кг/м 3 Нитрид титана TiN 5210 2950 4952 842 Карбид титана TiС 4940 3067 4696 586 Оксид титана TiO 4930 1780 4686 576 Рутил TiO2 4235 1870 4026 —84 Антаз TiO2 4050 1870 3850 —260 Брукит TiO2 4120 1870 3916 —194 Рис. 4. Диаграмма состояния системы титан—азот 9 Например, для включения α-титана диаметром 100 мкм при скорости плавки 500 кг/ч и ширине потока расплава титана в промежуточной емкости 0,4 м этот путь L составит 0,46 м от места падения (рис. 5). Кроме тугоплавких включений α-титана, вклю- чения низкой плотности LDI могут представлять собой частицы нитридов, оксидов и карбидов. Для определения возможности их удаления из расплава титана рассчитаем плотность этих включений при температуре жидкого титана в предположении, что коэффициент их линейного расширения равен та- ковому титана (таблица). Анализ полученных результатов показал, что в процессе электронно-лучевой плавки все тугоплав- кие соединения титана с примесями внедрения, за исключением диоксидов титана различного крис- таллического строения, будут осаждаться на дно промежуточной емкости и удаляться из расплава. При этом включения карбида титана и оксида ти- тана одинакового размера будут осаждаться на по- верхность гарнисажа на одном и том же расстоянии от места попадания в расплав, так как их плотности практически одинаковы. В то же время включения диоксида титана всплывут на поверхность расплава под действием силы Архимеда. Следовательно, тугоплавкими включениями, пе- реносимыми потоком титана на максимальное рас- стояние от места попадания в промежуточную ем- кость, являются насыщенные примесями внедрения частицы α-титана. Поэтому при конструировании промежуточной емкости, обеспечивающей гаранти- рованное удаление тугоплавких включений путем их осаждения, необходимо учитывать планируемую скорость плавки и рассчитывать габариты проме- жуточной емкости с помощью формулы (5). Таким образом, в процессе электронно-лучевой плавки титана практически все тугоплавкие вклю- чения высокой LDI и низкой HDI плотности, за исключением диоксидов титана, будут осаждаться на дно промежуточной емкости и удаляться из рас- плава. При этом тугоплавкими включениями, пере- носимыми потоком титана на максимальное рассто- яние от места попадания в промежуточную емкость, являются насыщенные примесями внедрения части- цы α-титана. Установленные в работе зависимости позволяют определить габариты промежуточной емкости, обеспечивающие гарантированное удале- ние тугоплавких включений из титана путем их осаждения. 1. Nitride inclusions in titanium ingots / J. L. Henry, S. D. Hill, J. L. Schaller, T. T. Campbell // Metal. Trans. – 1973. – № 4. – P. 1859—1864. 2. Кошелап А. В., Райченко А. И. О возможности измельче- ния структуры литого титана и его сплавов за счет их мо- дифицирования частицами нитрида титана // Процессы литья. – 1999. – № 3. – С. 44—52. 3. Mitchel A. The production of high-quality materials by spe- cial process // J. Vac. Technol. – 1987. – № 4. – P. 2672—2677. 4. Мусатов М. И., Чучурюкин А. Д., Фридман А. М. Раз- витие плавки бездефектных слитков // Наука, производ- ство и применение титана в условиях конверсии: I Меж- дунар. науч.-техн. конф. по титану стран СНГ (Москва, май 1994 г.). – М.: ВИЛС, 1994. – Т.1. – С. 228—233. 5. Электронно-лучевая плавка титана / Б. Е. Патон, Н. П. Три- губ, С. В. Ахонин, Г. В. Жук. – Киев: Наук. думка, 2006. – 248 с. 6. Попель С. И., Сотников А. И., Бороненков В. Н. Теория металлургических процессов. – М.: Металлургия, 1986. – 462 с. 7. Bellot J. P., Mitchell A. Hard-Alfa particle behavior in a ti- tanium alloy liquid pool // Light Metals. – 1994. – № 2. – P. 1187—1193. 8. Смитлз К. Дж. Металлы. Справочник. – М.: Металлур- гия, 1980. – 447 с. Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, Киев ООО «Стратегия БМ», Киев Поступила 30.06.2010 Рис. 5. Зависимость пути l включения низкой плотности до осаж- дения на поверхность гарнисажа от его размера: 1 – α-Ti; 2 – TiO; 3 – TiN; 4 – WC 10

Удаление тугоплавких включений из титана при электронно-лучевой плавке по механизму осаждения

Institution

Ähnliche Einträge