Математическое моделирование процесса растворения кислородсодержащих тугоплавких включений в расплаве титана

Построена математическая модель процесса растворения кислородсодержащих включений титана в расплаве титановых сплавов, позволяющая рассчитать зависимость скорости растворения частицы от температуры расплава. Установлена динамика распределения кислорода в частицах α-титана в процессе растворения. Опр...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :Современная электрометаллургия
Дата:2011
Автори: Ахонин, С.В., Кругленко, М.П., Костенко, В.И.
Формат: Стаття
Мова:Російська
Опубліковано: Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2011
Теми:
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96182
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Математическое моделирование процесса растворения кислородсодержащих тугоплавких включений в расплаве титана / С.В. Ахонин, М.П. Кругленко, В.И. Костенко // Современная электрометаллургия. — 2011. — № 1 (102). — С. 17-21. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859604069434261504
author Ахонин, С.В.
Кругленко, М.П.
Костенко, В.И.
author_facet Ахонин, С.В.
Кругленко, М.П.
Костенко, В.И.
citation_txt Математическое моделирование процесса растворения кислородсодержащих тугоплавких включений в расплаве титана / С.В. Ахонин, М.П. Кругленко, В.И. Костенко // Современная электрометаллургия. — 2011. — № 1 (102). — С. 17-21. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Современная электрометаллургия
description Построена математическая модель процесса растворения кислородсодержащих включений титана в расплаве титановых сплавов, позволяющая рассчитать зависимость скорости растворения частицы от температуры расплава. Установлена динамика распределения кислорода в частицах α-титана в процессе растворения. Определена длительность полного растворения кислородсодержащих включений титана с различными химическим составом и начальными размерами. Mathematical model of process of dissolution of titanium oxygen-containing inclusions in melt of titanium alloys has been designed allowing calculation of dependence of particle dissolution rate on melt temperature. Dynamics of oxygen distribution in particles of α-titanium in the process of dissolution was established. Duration of full dissolution of oxygen-containing inclusions of titanium with different chemical composition and initial sizes was defined.
first_indexed 2025-11-28T02:01:56Z
format Article
fulltext УДК 669.187.826 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАСТВОРЕНИЯ КИСЛОРОДСОДЕРЖАЩИХ ТУГОПЛАВКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ В РАСПЛАВЕ ТИТАНА С. В. Ахонин, М. П. Кругленко, В. И. Костенко Построена математическая модель процесса растворения кислородсодержащих включений титана в расплаве тита- новых сплавов, позволяющая рассчитать зависимость скорости растворения частицы от температуры расплава. Установлена динамика распределения кислорода в частицах α-титана в процессе растворения. Определена длитель- ность полного растворения кислородсодержащих включений титана с различными химическим составом и началь- ными размерами. Mathematical model of process of dissolution of titanium oxygen-containing inclusions in melt of titanium alloys has been designed allowing calculation of dependence of particle dissolution rate on melt temperature. Dynamics of oxygen distribution in particles of α-titanium in the process of dissolution was established. Duration of full dissolution of oxygen-containing inclusions of titanium with different chemical composition and initial sizes was defined. Ключ е вы е с л о в а : титан; кислород; тугоплавкие включения; диффузия Введение. Одним из типов критических дефектов титановых полуфабрикатов являются тугоплавкие включения, представляющие собой частицы α-ти- тана с повышенным содержанием стабилизирую- щих эту фазу примесей внедрения (азота, кислоро- да и углерода), а также химических соединений этих элементов с титаном (нитридов, оксидов и карби- дов). В мировой литературе такие включения получили название включений низкой плотности (LDI – Low Density Inclusion) [1]. Твердость этих частиц зна- чительно превышает таковую титановой матрицы. Поэтому они являются концентраторами напряже- ния и источниками зарождения усталостных тре- щин [1], приводящих к разрушению ответственных деталей машин и, как следствие, к авариям. Как правило, включения LDI образуются в про- цессе производства титановой губки и на 95 % сос- тоят из твердых частиц α-титана [1, 2]. Удаление этих включений возможно в процессе получения титановых слитков с применением технологий пе- реплава с промежуточной емкостью путем гравита- ционного осаждения [2—4] или растворения [3—7]. Следует отметить, что согласно диаграммам сос- тояния систем титана с азотом, кислородом и угле- родом, увеличение концентрации этих элементов существенно повышает температуру плавления титана [8]. Так, например, температура плавления α-титана при массовой доле кислорода 3,2 % сос- тавляет 1720 °С, а при 10 % – 1885 °С. При этом температура конгруэнтного плавления диоксида ти- тана, содержащего 40 мас. % кислорода, равняется 1870 °С. При выплавке слитков титана различными спо- собами перегрев расплава выше температуры плав- ления титана (1670 °С) и продолжительность пре- бывания металла в жидком состоянии ограничены, поэтому удаление включений LDI путем их плавки практически не происходит [2]. Физическая модель. Механизмы и закономерности процессов растворения азотсодержащих включений LDI изучены ранее [4—6, 9]. Цель настоящей работы заключается в изучении методами математического моделирования закономерностей растворения кис- лородсодержащих тугоплавких включений в рас- плаве титана. © С. В. АХОНИН, М. П. КРУГЛЕНКО, В. И. КОСТЕНКО, 2011 17 Механизм растворения кислородсодержащих включений LDI аналогичен таковому для включе- ний, насыщенных азотом. При попадании в расплав кислородсодержащего включения LDI кислород диффундирует из включения в расплав, поскольку со- держание кислорода в расплаве титана невелико и, сог- ласно требованиям стандартов, не превышает 0,25 %. Вследствие диффузии концентрация кислорода в поверхностных слоях включения начинает сни- жаться. В этом случае, согласно диаграмме состоя- ния (рис. 1), при температуре расплава выше 1720 °С равновесная температура растворения α-титана по- нижается от 1855 до 1720 °С по мере снижения кон- центрации кислорода от 10,0 до 5,3 мас. %, а при значении температуры расплава ниже 1720 °С и мас- совой доле кислорода менее 3,2 % α-титан превра- щается в β-титан, температура плавления которого ниже, чем у α-титана. Итак, процесс растворения включения может быть представлен следующим образом. После по- ступления включения в расплав титана атомы кис- лорода начнут перемещаться с поверхности вклю- чения в расплав и при прохождении пограничного диффузионного поля уноситься в объем жидкого металла конвективными потоками. На место ушедших с поверхности атомов кисло- рода из объема включения будут диффундировать новые атомы. При этом содержание кислорода в приповерхностных слоях включения снизится. Ког- да концентрация кислорода в поверхностном слое твердой частицы станет меньше, чем у соответствую- щей линии ликвидус при данной температуре, то этот слой растворится, и размеры включения уменьшатся. Математическая модель. Для упрощения расчетов будем считать, что частица кислородсодержащего включения LDI, помещенная в расплав титана, име- ет форму шара радиусом Rin, а ее температура равна температуре расплава Tin. В этом случае уравнение диффузии кислорода во включении в сферической системе координат будет иметь вид ∂CO ∂τ = 1 r2 ∂ ∂r ⎛ ⎝ DOr2 ∂CO ∂τ ⎞ ⎠ , (1) где r – текущий радиус в пределах от 0 до Rin, м; CO = CO(r, τ) – массовая доля кислорода во вклю- чении, %; DO = DO(CO) – коэффициент диффузии кислорода в твердой частице, м2/с; τ – время с момента начала процесса растворения, с. Граничное условие в центре частицы определя- ется условиями симметричности ∂CO ∂r ⎪r = 0 = 0. (2) Поскольку после прохождения пограничного диффузионного слоя в расплаве атомы кислорода уносятся в объем жидкого металла конвективными потоками, то граничное условие на поверхности включения будет иметь такой вид: — DO ∂CO ∂r ⎪r = R in = βO(C⎪r = R in — LCO L ), (3) где βO – коэффициент массопередачи кислорода в расплаве титана, м/с; L – равновесный коэффи- циент распределения кислорода между твердой и жидкой фазами; CO L – массовая доля кислорода в объеме расплава, %. В первом приближении равно- весный коэффициент распределения кислорода между фазами L можно принять равным 1,5 и счи- тать постоянным [10]. Начальное распределение концентрации кисло- рода по объему включения примем постоянным: CO(r,0) = Cin. (4) Для численного решения математической моде- ли растворения кислородсодержащих включений в титане воспользуемся конечно-разностным методом Кранка-Николсона [11]. Аппроксимацию уравне- ния (1) проведем по неявному шеститочечному шаб- лону, который обеспечивает безусловную устойчи- вость и сходимость численного решения. Процесс растворения включения в программе реа- лизован с учетом анализа значений концентраций после каждого шага по времени и уменьшения рабочего массива на то количество точек, в которых массовая доля кислорода меньше концентрации, соответствую- щей линии ликвидус при расчетной температуре. При определении коэффициента диффузии кис- лорода в титане необходимо учитывать, что его зна- чение существенно зависит от формы кристалличес- кой решетки титана. Поскольку диффузия является Рис. 1. Диаграмма состояния системы титан—кислород 18 активационным процессом, то температурные зави- симости коэффициентов диффузии можно выразить в экспоненциальном виде. Усреднение результатов экспериментальных работ по определению коэффи- циента диффузии кислорода в титане [10—12] поз- волило получить следующие температурные зави- симости: DO α = 3,45 exp ⎧⎨ ⎩ — 211901 RT ⎫ ⎬ ⎭ , (5) DO β = 0,89 exp ⎧⎨ ⎩ — 173861 RT ⎫ ⎬ ⎭ . (6) Согласно результатам экспериментальных ис- следований, приведенным в работах [13, 14], тем- пературная зависимость коэффициента диффузии кислорода в диоксиде титана имеет следующий вид: DO γ = 1,1 exp ⎧⎨ ⎩ — 305870 RT ⎫ ⎬ ⎭ . (7) В программе, реализующей численное решение математической модели (1)—(4), коэффициент диф- фузии определяли в каждой точке по содержанию кислорода в этой же точке на предыдущем шаге по времени, т. е. при заданной температуре расчета и вычисленной концентрации кислорода по диаграм- ме состояния определяли фазовый состав титана и затем по формулам (5), (6) или (7) соответственно вычисляли значение коэффициента диффузии. При этом считали, что в двухфазных зонах, например α+β, коэффициент диффузии изменяется линейно с уменьшением концентрации соответственно от DO α до DO β . Выполненные в работе [9] расчеты позволили получить для численного значения коэффициента массопереноса кислорода в расплаве титана оценку βO = 0,01 см/с. Закономерности растворения кислородсодержа- щих включений. Исследование динамики распре- деления кислорода в объеме включения с помощью математической модели (1)—(4) показало, что ха- рактер растворения насыщенной кислородом части- цы α-титана существенно зависит от температуры расплава. При температуре 2000 К по всему объему вклю- чения, за исключением узкого слоя на границе раз- дела фаз, концентрация кислорода постоянна, а в приповерхностном слое толщиной 15…20 мкм за- фиксировано резкое уменьшение массовой доли кислорода от ее исходного значения до концент- рации, соответствующей линии АС1 (линии ликви- дус) при данной температуре (рис. 2, а). С течением времени наружные слои включения (с низким содержанием кислорода) растворяются, а градиент концентрации по мере растворения час- тицы перемещается к центру включения вместе с поверхностью раздела фаз. При температуре 1950 К содержание кислорода уменьшается по всему объему включения, причем размеры последнего на начальном этапе растворе- ния меняются слабо (рис. 2, б). Анализ зависимости радиуса кислородсодержа- щего включения от времени пребывания в расплаве (рис. 3) показал, что при температуре 2000 К час- тица α-титана растворяется практически с постоян- ной скоростью (скорость перемещения межфазной поверхности составляет около 28 мкм/с), тогда как при температуре 1950 К скорость растворения такой частицы существенно нелинейная: на начальном этапе размеры включения остаются практически не- изменными, а затем начинают уменьшаться с уве- личивающейся скоростью вплоть до полного раст- ворения. Построенная математическая модель (1)—(4) позволяет определить закономерности удаления кислородсодержащих включений из титана и его сплавов при различных переплавных процессах специальной электрометаллургии путем построения зависимости времени полного растворения включе- ния от температуры расплава для твердых частиц c разными химическим составом и размерами. Влияние температуры жидкого титана на дли- тельность растворения кислородсодержащих вклю- чений очень существенна. С повышением темпера- туры период существования включения в расплаве резко сокращается (рис. 4). Так, например, для час- тицы α-титана диаметром 2 мм увеличение перегре- Рис. 2. Распределение концентрации кислорода в частице α-ти- тана в зависимости от времени при температуре 2000 (а) и 1950 К (б), с: 1 – 6; 2 – 12; 3 – 18; 4 – 24; 5 – 30; 6 – АС1 = = 1,69 %; 7 – 12; 8 – 42; 9 – 72; 10 – 102; 11 – 132; 12 – АС1 = 0,256 %; rв – радиус включения 19 ва расплава на 100 К (от 1950 до 2050 К) уменьшает продолжительность растворения включения более чем в четыре раза – от 150 до 36 с. При температуре около 1990 К на кривых тем- пературной зависимости времени растворения кис- лородсодержащих частиц обнаружен излом, т. е. при температуре менее 1990 К скорость уменьшения времени существования включения в расплаве ти- тана при росте температуры приблизительно в два раза выше, чем при температуре более 1990 К. Такая динамика изменения размеров включения обуслов- лена различным характером распределения кисло- рода по объему включения в процессе растворения, которое было установлено выше методами матема- тического моделирования (рис. 2). Зависимость времени существования включения в расплаве от его линейных размеров имеет почти линейный характер (рис. 4). При перегреве рас- плава титана более чем на 150 К увеличение или уменьшение диаметра включения в два раза соответ- ственно увеличивает или уменьшает длительность рас- творения в два раза, а при перегреве расплава менее чем на 150 К – в три раза. С ростом начальной концентрации кислорода в частице скорость ее растворения уменьшается, а время полного растворения увеличивается (рис. 5). Это обусловлено тем, что коэффициент диффузии кислорода в диоксиде титана значительно меньше такового в α-титане. Например, при температуре 1950 К коэффициент диффузии кислорода в титане равен 8,52⋅10—6 см/с, а в диоксиде титана – 8,86⋅10—9 см/с. Поэтому насыщенные кислородом включения α-титана рас- творяются в расплаве титана в 2,5 и более раз быст- рее, чем включения диоксида титана. Концентрация кислорода в расплаве титана на продолжительность растворения включения влияет незначительно (рис. 6), за исключением небольшо- го перегрева расплава выше температуры плавле- ния титана. В последнем случае равновесная кон- центрация кислорода на поверхности твердой час- тицы может приближаться или даже превосходить таковую кислорода на линии АС1 диаграммы сос- тояния системы титан—кислород (линия ликвидус). При этом время растворения включения значитель- но возрастает, и процесс растворения включения может даже остановиться. Выводы 1. Предложен механизм и построена математическая модель процесса растворения кислородсодержащего включения титана (альфированная частица или ди- оксид титана) в жидком титане, позволяющая рас- считать скорость растворения частицы в расплаве. Рис. 3. Зависимость радиуса включения α-титана от времени τ пребывания в расплаве при температуре, К: 1 – 1950; 2 – 2000 Рис. 4. Зависимость времени растворения τр частицы α-титана от температуры при различных размерах включения, мм: 1 – 2; 2 – 1; 3 – 0,5 Рис. 5. Зависимость времени растворения кислородсодержащих включений от температуры при различной исходной массовой доле кислорода во включении, %: 1 – 10; 2 – 25; 3 – 40 Рис. 6. Зависимость времени растворения частицы α-титана от температуры при различных массовых долях кислорода в рас- плаве, %: 1 – 0,17; 2 – 0,12; 3 – 0,06 20 2. Установлен различный характер динамики распределения кислорода в частицах α-титана в процессе растворения при перегреве расплава выше температуры плавления титана (больше или меньше 150 К). 3. Определена продолжительность полного рас- творения кислородсодержащих включений в зави- симости от химического состава и начальных раз- меров включений. 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. Bakish R. The State of the art in electron beam melting and refining // J. of Metals. – 1991. – Vol. 43. – P. 42—44. 3. Патон Б. Е., Тригуб Н. П., Ахонин С. В. Электронно- лучевая плавка тугоплавких и высокореакционных метал- лов. – Киев: Наук. думка, 2008. – 306 с. 4. Bellot J. P., Mitchell A. Hard-alfa particle behaviour in a titanium alloy liquid pool // Light Metalls. – 1994. – № 2. – P. 1187—1193. 5. Jarrett R. N., Reichman S. H, Broadwell R. G. Defect re- moval mechanisms in hearth melted Ti6Al—4V // Proc. of Sixth World conf. on Titanium, Les Edititions de Physique, Cedex, France. – 1988. – P. 593—598. 6. Jarrett R. N. Removal of defects from titanium alloys with E.B.C.H.R. // Proc. of the conf. on electron beam melting and refining – state of the art 1986 (Englewood, New Jer- sey). – New Jersey, 1986. – P. 332—346. 7. Tripp D. W., Mitchell A., Hayden M. The effect of power on the thermal regime in an EB hearth // Ibid. – 1986. – P. 30—44. 8. Хансен М., Андерко К. Структуры двойных сплавов. – М.: Металлургиздат, 1962. – Т. 2. – 1488 с. 9. Ахонин С. В. Математическое моделирование процесса растворения нитрида титана в расплаве титана при элект- ронно-лучевой плавке // Пробл. спец. электрометал- лургии. – 2001. – № 1. – С. 20—24. 10. Макросегрегация кислорода при кристаллизации слитков титана / А. И. Амелин, В. И. Костенко, М. П. Круглен- ко, П. А. Пап // Современ. электрометаллургия. – 2009. – № 4. – С. 20—24. 11. Марчук Г. И. Методы вычислительной математики. – М.: Наука, 1980. – 535 с. 10. Коган Я. Д., Колачев Б. А., Левинский Ю. В. Константы взаимодействия металлов с газами. Справочник. – М.: Металлургия, 1987. – 268 с. 11. Белова С. Б., Колачев Б. А., Волков В. И. О диффузии элементов внедрения в титане // Цветная металлургия. – 2000. – № 4. – С. 33—37. 12. Дешам М., Фельдман Р., Лэр П. Окисление титана при высокой температуре. Физическая и математическая моде- ли // Титан: Металловедение и технология: Тр. 3-й межд. конф. по титану (Москва, 18—21 мая 1976 г. – М., 1976. – Т. 2. – С. 159—168. 13. Kofstad P. High temperature oxidation of metals. – New- York: John Wiley and Sons, 1966. – P. 169—178. 14. Симон Д., Бульбен Ж. М., Бардоль Ж. Изучение процес- са образования тонких окисных пленок и хемосорбции кислорода в титане методами эллипсометрии, ядерного ак- тивационного анализа и микрогравиметрии // Титан: Металловедение и технология: Тр. 3-й межд. конф. по тита- ну (Москва, 18—21 мая 1976 г.). – М., 1976. – Т. 2. – С. 169—176. Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, Киев ООО «Стратегия БМ», Киев Поступила 21.01.2011 «ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ ЭЛС- 2011» II Санкт-Петербургская научно-техническая конференция 23–26 мая 2011г . Санкт-Петербург Основные направления конференции: Технологии ЭЛС Работоспособность сварных конструкций Оборудование для ЭЛС Моделирование физических процессов ЭЛС и работы электронно-оптических систем установок Экономические аспекты применения ЭЛС Санкт-Петербургское общество научно-технических знаний Центр дополнительных образовательных программ 191023 С.-Петербург, Невский пр. 54 Тел. (812) 570-59-23, 571-18-71, т./ф. 570-55-58, 394-14-61 Е-mail: techonovalb@yandex.ru ontz@peterlink.ru, www.ontz.kop.ru 21
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-96182
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 0233-7681
language Russian
last_indexed 2025-11-28T02:01:56Z
publishDate 2011
publisher Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
record_format dspace
spelling Ахонин, С.В.
Кругленко, М.П.
Костенко, В.И.
2016-03-12T11:59:07Z
2016-03-12T11:59:07Z
2011
Математическое моделирование процесса растворения кислородсодержащих тугоплавких включений в расплаве титана / С.В. Ахонин, М.П. Кругленко, В.И. Костенко // Современная электрометаллургия. — 2011. — № 1 (102). — С. 17-21. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.
0233-7681
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96182
669.187.826
Построена математическая модель процесса растворения кислородсодержащих включений титана в расплаве титановых сплавов, позволяющая рассчитать зависимость скорости растворения частицы от температуры расплава. Установлена динамика распределения кислорода в частицах α-титана в процессе растворения. Определена длительность полного растворения кислородсодержащих включений титана с различными химическим составом и начальными размерами.
Mathematical model of process of dissolution of titanium oxygen-containing inclusions in melt of titanium alloys has been designed allowing calculation of dependence of particle dissolution rate on melt temperature. Dynamics of oxygen distribution in particles of α-titanium in the process of dissolution was established. Duration of full dissolution of oxygen-containing inclusions of titanium with different chemical composition and initial sizes was defined.
ru
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
Современная электрометаллургия
Электронно-лучевые процессы
Математическое моделирование процесса растворения кислородсодержащих тугоплавких включений в расплаве титана
Mathematical modeling of process of dissolution of oxygen-containing refractory inclusions in titanium melt
Article
published earlier
spellingShingle Математическое моделирование процесса растворения кислородсодержащих тугоплавких включений в расплаве титана
Ахонин, С.В.
Кругленко, М.П.
Костенко, В.И.
Электронно-лучевые процессы
title Математическое моделирование процесса растворения кислородсодержащих тугоплавких включений в расплаве титана
title_alt Mathematical modeling of process of dissolution of oxygen-containing refractory inclusions in titanium melt
title_full Математическое моделирование процесса растворения кислородсодержащих тугоплавких включений в расплаве титана
title_fullStr Математическое моделирование процесса растворения кислородсодержащих тугоплавких включений в расплаве титана
title_full_unstemmed Математическое моделирование процесса растворения кислородсодержащих тугоплавких включений в расплаве титана
title_short Математическое моделирование процесса растворения кислородсодержащих тугоплавких включений в расплаве титана
title_sort математическое моделирование процесса растворения кислородсодержащих тугоплавких включений в расплаве титана
topic Электронно-лучевые процессы
topic_facet Электронно-лучевые процессы
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96182
work_keys_str_mv AT ahoninsv matematičeskoemodelirovanieprocessarastvoreniâkislorodsoderžaŝihtugoplavkihvklûčeniivrasplavetitana
AT kruglenkomp matematičeskoemodelirovanieprocessarastvoreniâkislorodsoderžaŝihtugoplavkihvklûčeniivrasplavetitana
AT kostenkovi matematičeskoemodelirovanieprocessarastvoreniâkislorodsoderžaŝihtugoplavkihvklûčeniivrasplavetitana
AT ahoninsv mathematicalmodelingofprocessofdissolutionofoxygencontainingrefractoryinclusionsintitaniummelt
AT kruglenkomp mathematicalmodelingofprocessofdissolutionofoxygencontainingrefractoryinclusionsintitaniummelt
AT kostenkovi mathematicalmodelingofprocessofdissolutionofoxygencontainingrefractoryinclusionsintitaniummelt