Производство способом электронно-лучевого переплава бездефектных слитков титана с регламентированным содержанием кислорода
Проведены экспериментальные исследования по растворению диоксида титана при выплавке слитков способом электронно-лучевого переплава с промежуточной емкостью. Подобран режим плавки для установки ТИКО-15, при котором происходит полное растворение диоксида титана, введенного в шихту. Данная технология...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Современная электрометаллургия |
|---|---|
| Datum: | 2012 |
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2012
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96526 |
| 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: | Производство способом электронно-лучевого переплава бездефектных слитков титана с регламентированным содержанием кислорода / В.И. Костенко, М.П. Кругленко, А.Н. Калинюк, П.А. Пап // Современная электрометаллургия. — 2012. — № 1 (106). — С. 26-29. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859789276779118592 |
|---|---|
| author | Костенко, В.И. Кругленко, М.П. Калинюк, А.Н. Пап, П.А. |
| author_facet | Костенко, В.И. Кругленко, М.П. Калинюк, А.Н. Пап, П.А. |
| citation_txt | Производство способом электронно-лучевого переплава бездефектных слитков титана с регламентированным содержанием кислорода / В.И. Костенко, М.П. Кругленко, А.Н. Калинюк, П.А. Пап // Современная электрометаллургия. — 2012. — № 1 (106). — С. 26-29. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Современная электрометаллургия |
| description | Проведены экспериментальные исследования по растворению диоксида титана при выплавке слитков способом электронно-лучевого переплава с промежуточной емкостью. Подобран режим плавки для установки ТИКО-15, при котором происходит полное растворение диоксида титана, введенного в шихту. Данная технология обеспечивает получение бездефектных слитков с заранее заданными интервалом концентраций кислорода и значением кислородного эквивалента.
Experimental investigations were carried out on dissolution of titanium dioxide in melting of ingots by electron beam cold hearth remelting. The condition of melting was selected for installation TIKO-15, at which the complete dissolution of titanium dioxide, added to flux, occurs. This technology provides the producing of defect-free ingots with a preset interval of oxygen concentrations and value of oxygen equivalent.
|
| first_indexed | 2025-12-02T11:26:56Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 669.187.826
ПРОИЗВОДСТВО СПОСОБОМ
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОГО ПЕРЕПЛАВА
БЕЗДЕФЕКТНЫХ СЛИТКОВ ТИТАНА
С РЕГЛАМЕНТИРОВАННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ
КИСЛОРОДА
В. И. Костенко, М. П. Кругленко,
А. Н. Калинюк, П. А. Пап
Проведены экспериментальные исследования по растворению диоксида титана при выплавке слитков способом элект-
ронно-лучевого переплава с промежуточной емкостью. Подобран режим плавки для установки ТИКО-15, при котором
происходит полное растворение диоксида титана, введенного в шихту. Данная технология обеспечивает получение
бездефектных слитков с заранее заданными интервалом концентраций кислорода и значением кислородного эквивалента.
Experimental investigations were carried out on dissolution of titanium dioxide in melting of ingots by electron beam cold
hearth remelting. The condition of melting was selected for installation TIKO-15, at which the complete dissolution of
titanium dioxide, added to flux, occurs. This technology provides the producing of defect-free ingots with a preset interval
of oxygen concentrations and value of oxygen equivalent.
Ключ е вы е с л о в а : электронно-лучевой переплав; без-
дефектные слитки; кислородный эквивалент; гомогенизиро-
ванный расплав; технология легирования кислородом; макро-
ликвация
Одной из основных задач при производстве слитков
нелегированного титана является исключение воз-
можности образования в них газонасыщеных зон,
которые из-за значительно большей твердости яв-
ляются концентраторами напряжения и источника-
ми зарождения усталостных трещин [1]. При элек-
тронно-лучевом переплаве (ЭЛП) только титановой
губки данная задача решается путем применения
промежуточной емкости [2].
Однако в настоящее время многим потребителям
требуется титан с заранее заданным интервалом
концентраций примесей, поскольку ограничение
минимума и максимума их содержания обеспечива-
ет получение необходимых служебных свойств (σв,
σт, δ, ψ) в определенном интервале для полуфабри-
катов и готовых изделий, что обусловливает необ-
ходимость легирования исходной шихты дополни-
тельным количеством кислорода в виде диоксида
титана. Так, по стандартам корпорации «ВСМПО-
АВИСМА» для некоторых марок нелегированного
титана Grl-1, Grl-2, Grl-4 л, Grl-5 тр распределение
кислорода в слитках не должно иметь отклонение
более чем на 0,01… 0,02 мас. % от заданного. По
международным стандартам ASTM В348-05, кро-
ме определенного содержания кислорода, необхо-
димо также обеспечить заданное значение кисло-
родного эквивалента OE, рассчитанного по формуле
OE = % О + 2,5 % N + 0,7 % C + 0,6 % Fe в пределах
0,17… 0,21 %. Без применения технологии легиро-
вания кислородом данные задачи практически не-
решаемы.
При введении в шихту дополнительно диоксида
титана следует исследовать процессы растворения
вводимого порошка диоксида титана и гомогени-
зации расплава в промежуточной емкости при ЭЛП.
Поскольку диапазоны в концентрациях кислорода
и его эквивалента очень узкие, то приходится учи-
тывать и макроликвацию элементов, входящих в
расчет кислородного эквивалента.
На предприятии «Стратегия БМ» разработана
технология легирования титановых слитков кисло-
родом на установке электронно-лучевого переплава
с промежуточной емкостью ТИКО-15 (рис. 1), ко-
торая заключается в следующем. В качестве пере-
плавляемого сырья (расходуемая шихтовая заго-
товка) используют брикеты губчатого титана, лом.
После загрузки шихтовой заготовки в установку и
ее вакуумирования до уровня остаточного давле-
ния, необходимого для устойчивой работы элект-
ронно-лучевых пушек 1⋅10—1… 1⋅10—2 Па), заготовку
© В. И. КОСТЕНКО, М. П. КРУГЛЕНКО, А. Н. КАЛИНЮК, П. А. ПАП, 2012
26
сплавляют в промежуточную емкость до ее запол-
нения, а затем периодически сливают жидкий ме-
талл в кристаллизатор. Первыми порциями слива
формируется затравка будущего слитка. Затем, на
достигнутом технологическом режиме, выплавляет-
ся слиток необходимой высоты. Для получения за-
данной концентрации кислорода в слитке в шихту
с учетом уже имеющегося кислорода добавляют не-
обходимое количество диоксида титана, который
наносится на поверхность брикетов слоем не более
0,5 мм.
Температура плавления диоксида титана (1870 °С)
выше, чем температура расплава, которой можно
достичь, перегревая металл (температура плавле-
ния титана 1670 °С). Поэтому диоксид титана не
плавится, а растворяется и для этого необходимо
время тем большее, чем толще его слой.
При растворении диоксида титана в расплаве
появляются обогащенные кислородом зоны [2].
Согласно диаграмме состояния титан—кислород [3]
титан с повышенным содержанием кислорода имеет
более высокую температуру плавления, чем чистый
титан (рис. 2). И если расплав не успеет гомогени-
зироваться перед сливом в кристаллизатор, то обо-
гащенный кислородом металл может затвердеть пе-
ред фронтом кристаллизации, поскольку темпера-
тура его затвердевания выше и сформировать зону
повышенной твердости в слитке. При этом могут
образовываться и микропоры.
Следует также отметить, что при затвердевании
концентрация кислорода в твердой фазе еще больше
увеличивается, поскольку коэффициент распреде-
ления k0 = Cтв/Cж больше единицы: k0 ≈ 1,5 при
массовых долях кислорода менее 3,2 %, а при боль-
ших – k0 ≈ 2,5 [4].
Таким образом, в кристаллизатор должен сли-
ваться только гомогенизированный расплав. Поэ-
тому необходимо, чтобы время растворения τраст
порции диоксида титана и гомогенизации расплава
τгом было меньше, чем время τ нахождения расплав-
ленного металла в промежуточной емкости. Время
τ в свою очередь зависит от геометрии промежуточ-
ной емкости, а также скорости плавки.
Необходимую скорость плавки для данной уста-
новки определяли экспериментально по отсутствию
обогащенных кислородом зон в выплавленных слит-
ках. Так, например, при скорости плавки 11 кг/мин
дефекты в слитке методом УЗК не обнаружены
вследствие незначительного отличия в плотности и
отсутствия дефектов в виде пор, трещин, а также
из-за большого диаметра слитка (630 мм). Но после
проката металла в насыщенных кислородом участ-
ках образовались микротрещины и микропоры из-
за их значительно большей твердости [1].
Исследования дефектных зон прокатанного ме-
талла проводили в лабораториях корпорации
«ВСМПО-АВИСМА». Микротвердость основного
металла составила 1870… 2160 МПа, тогда как мик-
ротвердость в дефектной зоне – 5550… 6450 МПа.
Микроанализ содержания кислорода показал, что
в зоне дефекта металл имеет повышенное содержа-
ние кислорода (2,2…2,6 мас. %), тогда как в основном
металле его массовая доля составляет 0,13 %. Микро-
структура металла такого обогащенного кислородом
дефекта в слитке титана приведена на рис. 3.
Рис. 1. Электронно-лучевая установка ТИКО-15
Рис. 2. Диаграмма состояния системы титан—кислород
Рис. 3. Микроструктура дефекта
27
После уменьшение скорости плавки до 7,5 кг/мин
дефекты не обнаруживались ни в литом металле,
ни после проката. Таким образом, путем ограниче-
ния скорости плавки можно получить титановые
слитки без дефектов и с наперед заданным уровнем
кислорода при условии добавления в исходную
шихту необходимого количества диоксида титана.
Путем варьирования в исходной шихте содержания
азота, углерода и железа можно получить слитки
титана с заданным кислородным эквивалентом.
Следует отметить, что при ЭЛП титана макро-
ликвация кислорода зафиксирована только в узких
переходных зонах в начале и в конце плавки и не
проявляется поперек слитка [5]. Поэтому при добав-
лении TiO2 в шихту следует учитывать, что кислород
в переходной зоне в начале плавки имеет завышен-
ное значение, а в конце плавки – заниженное.
При необходимости получения слитков с регла-
ментированным кислородным эквивалентом нужно
учитывать также макроликвацию других элемен-
тов, входящих в формулу для расчета. И если воп-
рос о макроликвации железа при ЭЛП изучали в
работе [6], то об азоте ранее нигде не упоминалось.
Это связано в первую очередь с тем, что азот счи-
тается очень вредной примесью и его допустимые
концентрации очень низки, как правило, они сос-
тавляют менее 0,015 мас. %. Однако в формулу для
расчета кислородного эквивалента азот входит с на-
ибольшим коэффициентом – 2,5, поскольку явля-
ется наиболее сильным упрочнителем и его влияние
оказывается существенным.
Если рассмотреть диаграмму состояния титан—
азот (рис. 4), то при малых концентрациях коэф-
фициент распределения азота больше единицы, как
и у кислорода, и составляет k0 ≈ 1,9. Поэтому мак-
роликвация у азота должна проявляться при ЭЛП,
подобно макроликвации кислорода, т. е. концент-
рация азота в переходной зоне в начале плавки дол-
жна быть завышена, а в конце – занижена [5].
Для экспериментальной проверки этого после вып-
лавки слитка из однородной шихты по азоту про-
вели более детальный газовый анализ в лабора-
тории Института электросварки им. Е. О. Патона.
Отобрано четыре пробы с центральной части слитка
и по пять проб с донной и головной частей слитка.
Средние концентрации азота в слитке следующие,
мас. %: 0,0098 – в центральной; 0,0124 – донной;
0,0081 – головной частях слитка.
Средние массовые доли кислорода в слитках
следующие, %: 0,100 – в центральной; 0,112 –
донной; 0,093 головной частях.
Таким образом, макроликвация по азоту соста-
вила всего 0,004 мас. %. Однако с учетом множителя
2,5 при расчете кислородного коэффициента полу-
чаем 0,01 мас. %, что является существенным на
фоне допустимых 0,04 мас. %.
В качестве примера рассмотрим результаты серии
опытно-промышленных плавок на электронно-луче-
вой установке ТИКО-15 слитков титана диаметром
610 мм с целевым содержанием кислорода 0,11…0,14
и кислородного эквивалента 0,17…0,21 мас. %. В ка-
честве исходной шихты использовали брикетиро-
ванный губчатый титан с содержанием кислорода
0,05… 0,08 мас. % и дополнительным легированием
порошком TiO2 в количестве, необходимом для по-
лучения заданного содержания кислорода в слитке.
При этом шихтовку проводили с учетом наличия в
губчатом титане примесей углерода, железа, азота
путем подбора комбинаций их содержания с целью
Рис. 4. Диаграмма состояния системы титан—азот
Рис. 5. Концентрация кислорода в слитках, легированных на уро-
вень 0,11…0,14 % (а), и кислородного эквивалента в них (б): 1 –
литник; 2 – середина; 3 –донник
28
получения заданного кислородного эквивалента.
Распределение кислорода и кислородного эквива-
лента по длине всех выплавленных слитков пред-
ставлено на рис. 5. Как видно из графиков, разброс
значений содержания кислорода и кислородного эк-
вивалента не выходит за рамки заданного, что сви-
детельствует о хорошей технологической стабиль-
ности и предсказуемости процесса плавки.
Таким образом, разработана технология получе-
ния бездефектных слитков титана с регламентиро-
ванным содержанием кислорода способом элект-
ронно-лучевой плавки с промежуточной емкостью.
Экспериментально определена скорость плавки для
данной установки, при которой полностью раство-
ряются частицы диоксида титана и гомогенизиру-
ется расплав в промежуточной емкости, а в выплав-
ленных слитках отсутствуют обогащенные кисло-
родом дефекты. Выплавлена промышленная партия
слитков с заданными массовой долей кислорода, а
также кислородным эквивалентом.
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. Электронно-лучевая плавка титана / Б. Е. Патон, Н. П. Три-
губ, С. В. Ахонин, Г. В. Жук. – Киев: Наук. думка,
2006. – 248 с.
3. Хансен М., Андерко К. Структуры двойных сплавов. –
М.: Металлургиздат, 1962. – Том 2. – 1488 с.
4. Mitchell A., Kawakami A. Segregation and Solidification in
Titanium Alloys // Ti-2007 Science and Technology
(Kyoto, 3—7 june, 2007). – Kyoto: The Japan Institute of
Metals, 2007. – P. 173—176.
5. Макросегрегация кислорода при кристаллизации слитков
титана / А. И. Амелин, В. И. Костенко, М. П. Круглен-
ко, П. А. Пап. // Современ. электрометаллургия. –
2009. – № 4. – С. 29—32.
6. Макросегрегация железа и кислорода при затвердевании
слитков титана / А. И. Амелин, В. И. Костенко, М. П. Круг-
ленко, П. А. Пап // Титан. – 2010. – № 1. – С. 15—20.
ООО «СТРАТЕГИЯ БМ», Киев
Поступила 21.12.2011
Welding and Allied Processes.
A series of books and monographs on welding, cutting, surfacing, brazing, coating deposition and
other processes of metal treatment.
Edited by Prof. B.E. Paton, E.O. Paton Electric Welding Institute of the National Academy of
Sciences of Ukraine, Kyiv, Ukraine.
Electron Beam Melting of Titanium, Zirconium and Their Alloys
B.E. Paton, M.P. Trygub and S.V. Akhonin
The book considers peculiarities of metallurgical production of titanium
and zirconium ingots by the electron beam melting method. Mechanisms
and patterns of behaviour of impurities, non-metallic inclusions and alloy-
ing elements during the process of electron beam melting of titanium and
zirconium are detailed. Optimal technological parameters for melting of
high-reactivity metals are suggested, providing high quality, technical and
economic indices of this metallurgical process. Quality characteristics of
the resulting ingots, including their chemical composition, micro- and mac-
rostructure, as well as some mechanical properties of metal in the cast and
wrought states, are given. Flow diagrams of melting and glazing of surfaces
of the ingot are presented, and specific features of designs of electron beam
units are described.
The book is meant for scientists, engineers and technicians, as well as
for students of metallurgical departments of institutes of higher education.
Заказы на книгу (216 стр., формат 165 240 мм, твердый переплет)
просьба направлять в редакцию журнала
НОВАЯ КНИГА
29
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-96526 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0233-7681 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-02T11:26:56Z |
| publishDate | 2012 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Костенко, В.И. Кругленко, М.П. Калинюк, А.Н. Пап, П.А. 2016-03-17T22:03:33Z 2016-03-17T22:03:33Z 2012 Производство способом электронно-лучевого переплава бездефектных слитков титана с регламентированным содержанием кислорода / В.И. Костенко, М.П. Кругленко, А.Н. Калинюк, П.А. Пап // Современная электрометаллургия. — 2012. — № 1 (106). — С. 26-29. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 0233-7681 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96526 669.187.826 Проведены экспериментальные исследования по растворению диоксида титана при выплавке слитков способом электронно-лучевого переплава с промежуточной емкостью. Подобран режим плавки для установки ТИКО-15, при котором происходит полное растворение диоксида титана, введенного в шихту. Данная технология обеспечивает получение бездефектных слитков с заранее заданными интервалом концентраций кислорода и значением кислородного эквивалента. Experimental investigations were carried out on dissolution of titanium dioxide in melting of ingots by electron beam cold hearth remelting. The condition of melting was selected for installation TIKO-15, at which the complete dissolution of titanium dioxide, added to flux, occurs. This technology provides the producing of defect-free ingots with a preset interval of oxygen concentrations and value of oxygen equivalent. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Современная электрометаллургия Электронно-лучевые процессы Производство способом электронно-лучевого переплава бездефектных слитков титана с регламентированным содержанием кислорода Production of defectless titanium ingots with a regulated oxygen content using the method of electron beam remelting Article published earlier |
| spellingShingle | Производство способом электронно-лучевого переплава бездефектных слитков титана с регламентированным содержанием кислорода Костенко, В.И. Кругленко, М.П. Калинюк, А.Н. Пап, П.А. Электронно-лучевые процессы |
| title | Производство способом электронно-лучевого переплава бездефектных слитков титана с регламентированным содержанием кислорода |
| title_alt | Production of defectless titanium ingots with a regulated oxygen content using the method of electron beam remelting |
| title_full | Производство способом электронно-лучевого переплава бездефектных слитков титана с регламентированным содержанием кислорода |
| title_fullStr | Производство способом электронно-лучевого переплава бездефектных слитков титана с регламентированным содержанием кислорода |
| title_full_unstemmed | Производство способом электронно-лучевого переплава бездефектных слитков титана с регламентированным содержанием кислорода |
| title_short | Производство способом электронно-лучевого переплава бездефектных слитков титана с регламентированным содержанием кислорода |
| title_sort | производство способом электронно-лучевого переплава бездефектных слитков титана с регламентированным содержанием кислорода |
| topic | Электронно-лучевые процессы |
| topic_facet | Электронно-лучевые процессы |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96526 |
| work_keys_str_mv | AT kostenkovi proizvodstvosposobomélektronnolučevogopereplavabezdefektnyhslitkovtitanasreglamentirovannymsoderžaniemkisloroda AT kruglenkomp proizvodstvosposobomélektronnolučevogopereplavabezdefektnyhslitkovtitanasreglamentirovannymsoderžaniemkisloroda AT kalinûkan proizvodstvosposobomélektronnolučevogopereplavabezdefektnyhslitkovtitanasreglamentirovannymsoderžaniemkisloroda AT pappa proizvodstvosposobomélektronnolučevogopereplavabezdefektnyhslitkovtitanasreglamentirovannymsoderžaniemkisloroda AT kostenkovi productionofdefectlesstitaniumingotswitharegulatedoxygencontentusingthemethodofelectronbeamremelting AT kruglenkomp productionofdefectlesstitaniumingotswitharegulatedoxygencontentusingthemethodofelectronbeamremelting AT kalinûkan productionofdefectlesstitaniumingotswitharegulatedoxygencontentusingthemethodofelectronbeamremelting AT pappa productionofdefectlesstitaniumingotswitharegulatedoxygencontentusingthemethodofelectronbeamremelting |