Удаление включений карбида титана ТiC при электронно-лучевой плавке титана
Построена математическая модель процесса растворения включений карбида титана в расплаве титановых сплавов, позволяющая рассчитать зависимость скорости растворения частицы от температуры расплава. Установлена динамика распределения углерода в частицах карбида титана в процессе растворения. Определен...
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/123456789/96545 |
| 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 включений карбида титана ТiC при электронно-лучевой плавке титана / С.В. Ахонин, М.П. Кругленко, В.И. Костенко // Современная электрометаллургия. — 2012. — № 2 (107). — С. 21-24. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859758354113495040 |
|---|---|
| author | Ахонин, С.В. Кругленко, М.П. Костенко, В.И. |
| author_facet | Ахонин, С.В. Кругленко, М.П. Костенко, В.И. |
| citation_txt | Удаление включений карбида титана ТiC при электронно-лучевой плавке титана / С.В. Ахонин, М.П. Кругленко, В.И. Костенко // Современная электрометаллургия. — 2012. — № 2 (107). — С. 21-24. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Современная электрометаллургия |
| description | Построена математическая модель процесса растворения включений карбида титана в расплаве титановых сплавов, позволяющая рассчитать зависимость скорости растворения частицы от температуры расплава. Установлена динамика распределения углерода в частицах карбида титана в процессе растворения. Определено время полного растворения включений карбида титана при различных значениях температуры и начальных размеров включения. Показано, что в процессе ЭЛП титана существуют два механизма удаления тугоплавких включений карбида титана из расплава: осаждение этих включений на дно ванны жидкого металла в промежуточной емкости и их растворение.
Mathematical model of process of dissolution of titanium carbide inclusions in melt of titanium alloys was designed allowing calculation of dependence of particle dissolution rate on melt temperature. Dynamics of carbon distribution in particles of titanium carbide in the process of dissolution was established. Time of complete dissolution of titanium carbide inclusions was defined at different values of temperature and initial sizes of inclusion. It is shown that there are two mechanisms of removal of titanium carbide refractory inclusions from melt during the EBM process: precipitation of these inclusions on the bottom of molten metal pool in intermediate crucible and their dissolution.
|
| first_indexed | 2025-12-02T02:06:11Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 669.187.58
УДАЛЕНИЕ ВКЛЮЧЕНИЙ КАРБИДА ТИТАНА TiC
ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ПЛАВКЕ ТИТАНА
С. В. Ахонин, М. П. Кругленко, В. И. Костенко
Построена математическая модель процесса растворения включений карбида титана в расплаве титановых сплавов,
позволяющая рассчитать зависимость скорости растворения частицы от температуры расплава. Установлена дина-
мика распределения углерода в частицах карбида титана в процессе растворения. Определено время полного рас-
творения включений карбида титана при различных значениях температуры и начальных размеров включения.
Показано, что в процессе ЭЛП титана существуют два механизма удаления тугоплавких включений карбида титана
из расплава: осаждение этих включений на дно ванны жидкого металла в промежуточной емкости и их растворение.
Mathematical model of process of dissolution of titanium carbide inclusions in melt of titanium alloys was designed
allowing calculation of dependence of particle dissolution rate on melt temperature. Dynamics of carbon distribution
in particles of titanium carbide in the process of dissolution was established. Time of complete dissolution of titanium
carbide inclusions was defined at different values of temperature and initial sizes of inclusion. It is shown that there are
two mechanisms of removal of titanium carbide refractory inclusions from melt during the EBM process: precipitation
of these inclusions on the bottom of molten metal pool in intermediate crucible and their dissolution.
Ключ е вы е с л о в а : титан; углерод; электронно-луче-
вая плавка; промежуточная емкость
Титан является уникальным конструкционным ма-
териалом, характеризующимся высокими значени-
ями удельной прочности и коррозионной стойкости.
Поэтому сплавы на основе титана широко приме-
няются в авиа- и ракетостроении, а также в энерге-
тическом машиностроении. Важным критерием ка-
чества титановых полуфабрикатов является отсут-
ствие в них тугоплавких включений – концентра-
торов напряжения и источников зарождения уста-
лостных трещин [1], – могущих приводить к раз-
рушению высоконагруженных деталей ответственно-
го назначения с катастрофическими последствиями.
Одним из видов таких тугоплавких включений
являются частицы карбида титана, которые отно-
сятся к классу LDI (Low Density Inclusion) [2].
Перспективным способом их удаления являются
технологические процессы плавки с применением
промежуточной емкости [3]. В последние годы в
промышленности при производстве слитков титана
все больше применяется технология электронно-лу-
чевой плавки титана с промежуточной емкостью
(ЭЛПЕ) [4]. Удаление тугоплавких включений в
процессе происходит в промежуточной емкости пу-
тем как растворения [5, 6], так и гравитационного
осаждения [7].
Хотя температура плавления карбида титана
(около 3100 °С) существенно превышает темпера-
туру плавления титана (1667 °С) [8], при попадании
таких включений в расплав титана начинается про-
цесс их растворения. При этом углерод диффунди-
рует из включения в расплав, поскольку содержа-
ние углерода в расплаве невелико и, согласно тре-
бованиям стандартов, не превышает 0,15 %. Вследс-
твие диффузии концентрация углерода в поверх-
ностных слоях включения снижается. В этом слу-
чае, согласно диаграмме состояния [9], температура
ликвидус плавления карбида титана будет пони-
жаться от 3100 до 1660 °С по мере снижения концен-
трации углерода от 17 до 1 мас. % (рис. 1).
Таким образом, процесс растворения включения
может быть представлен следующим образом. Пос-
ле помещения включения в расплав титана атомы
углерода начинают переходить с поверхности вклю-
чения в расплав и после прохождения пограничного
диффузионного поля уносятся в объем жидкого ме-
талла конвективными потоками. На место ушедших
с поверхности углерода из объема включения диф-
фундируют новые атомы. При этом содержание уг-
лерода в приповерхностных слоях включения будет
снижаться. Когда массовая доля углерода в повер-
хностном слое твердой частицы станет меньше кон-
центрации, соответствующей линии ликвидус при
© С. В. АХОНИН, М. П. КРУГЛЕНКО, В. И. КОСТЕНКО, 2012
21
данной температуре, то этот слой растворится, и
размеры включения уменьшатся.
Исследовали закономерности процесса раство-
рения карбида титана методами математического
моделирования. Для упрощения расчетов полагали,
что частица карбида титана, помещенная в расплав
титана, имеет форму шара радиусом Rin, а ее тем-
пература равна температуре расплава Tin. В этом
случае уравнение диффузии углерода во включении
в сферической системе координат будет иметь вид
∂C
∂τ
=
1
r2
∂
∂r
(DCr2
∂C
∂τ
),
(1)
где r – текущий радиус (в пределах от 0 до Rin, м);
C = C(r, τ) – концентрация углерода во вклю-
чении, %; DС = DС(C) – коэффициент диффузии
углерода в карбиде титана, м2/с; τ – время от
начала процесса растворения, с.
Граничное условие в центре частицы определя-
ется условиями симметричности
∂C
∂r
|r=0 = 0.
(2)
Поскольку после прохождения пограничного
диффузионного слоя в расплаве атомы углерода
уносятся в объем жидкого металла конвективными
потоками, то граничное условие на поверхности
включения будет иметь вид
— DC
∂C
∂r
|r=R
in
= βC (C|r=R
in
— LCL),
(3)
где βC – коэффициент массопередачи кислорода в
расплаве титана, м/с; L – равновесный коэффи-
циент распределения углерода между твердой и
жидкой фазами; CL – концентрация углерода в
объеме расплава, %.
Начальное распределение концентрации кисло-
рода по объему включения примем постоянным
C(r, 0) = Cin. (4)
Для численного решения математической моде-
ли растворения карбида титана воспользуемся конеч-
но-разностным методом Кранка—Николсона [10].
Процесс растворения включения в программе
реализован путем анализа значений концентраций
после каждого шага по времени и уменьшения ра-
бочего массива на то количество точек, в которых
концентрация углерода меньше концентрации, со-
ответствующей линии ликвидус при заданной тем-
пературе Tin.
При определении коэффициента диффузии уг-
лерода необходимо учитывать, что его значение су-
щественно зависит от степени стехиометричности
карбида титана. Согласно данным работы [11], для
карбида титана TiC1-y, где значения y находятся в
диапазоне от 0 до 0,5, коэффициент диффузии уг-
лерода в титане можно рассчитать по следующему
уравнению:
DC = 0,48 exp ⎧
⎨
⎩9,2y ⎫
⎬
⎭
exp⎧
⎨
⎩
—
39500
T
⎫
⎬
⎭
.
Результаты расчетов распределения углерода с
помощью математической модели (1)—(4) показа-
ли, что по всему объему включения, за исключением
узкого слоя на границе раздела фаз, концентрация
углерода постоянна. Однако в узком приповерхнос-
тном слое толщиной в несколько десятков микрон
отмечено резкое уменьшение содержания углерода
от его исходной концентрации практически до нуля.
С течением времени наружные слои включения
(с низким содержанием углерода) растворяются, а
градиент концентрации по мере растворения части-
цы перемещается к центру включения вместе с по-
верхностью раздела фаз.
Анализ зависимости радиуса включения карбида
титана от времени пребывания в расплаве (рис. 2)
показывает, что линейная скорость растворения
Рис. 2. Зависимость диаметра включения d карбида титана от
времени τ пребывания в расплаве при значениях температуры
1677 (1) и 1727 °С (2)
Рис. 1. Диаграмма состояния системы титан—углерод
22
карбида титана практически постоянна: скорость
перемещения межфазной поверхности составляет
19,5 мкм/с при температуре 1677 °С и 27 мкм/с
при температуре 1727 °С.
Построенная математической модель (1)—(4)
позволяет определить время полного растворения
включений карбида титана в зависимости от их раз-
меров и температуры расплава (рис. 3).
Анализ полученных результатов показал, что за-
висимость времени существования включения в рас-
плаве от его линейных размеров имеет практически
линейный характер, а влияние температуры расп-
лава на время растворения включений карбида ти-
тана не очень существенно, хотя оно и сокращается
с ростом температуры (рис. 3). Так, например, для
частицы карбида титана диаметром 1 мм увеличение
перегрева расплава на 50 °С (от 1677 до 1727 °С)
уменьшает длительность растворения включения на
12 % (от 25 до 22 с).
Кроме растворения при ЭЛП титана, происхо-
дит удаление тугоплавких включений путем грави-
тационного осаждения на дно ванны жидкого ме-
талла в промежуточной емкости. В процессе плавки
жидкий металл течет горизонтально, тогда как
включения с более высокой плотностью, чем у жид-
кого титана, под действием силы тяжести опуска-
ются вниз и осаждаются на поверхность гарнисажа.
Как показано в работе [7], время осаждения ту-
гоплавкого включения τs на дно ванны жидкого ме-
талла может быть оценено с помощью следующего
уравнения:
τs =
18ηh
Δρgd2,
(5)
где h – глубина ванны расплава в промежуточной
емкости, м; Δρ = ρin-ρTi – разность между плотнос-
тями 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; d – характерный раз-
мер включения, м.
Следует отметить, что при ЭЛП титана глубина
ванны расплава в промежуточной емкости, как пра-
вило, не превышает 0,03 м. Для жидких металлов,
в том числе титана, коэффициент вязкости η может
быть оценен значением 5⋅10—3 Пa⋅с [12], а плотность
жидкого титана составляет ρTi = 4110 кг/м3. Плот-
ность карбида титана в твердом состоянии при ком-
натной температуре равна 4940 кг/м3. Для опреде-
ления плотности частиц карбида титана при значе-
ниях температуры примерно 1700 °С будем считать
его коэффициент линейного расширения равным
коэффициенту линейного расширения титана, ко-
торый, согласно данным справочника [8], может
быть аппроксимирован величиной α = 1,04⋅10—5К—1.
С учетом этого при достижении температуры жид-
кого титана линейные размеры частиц карбида ти-
тана возрастут на 1,7 %, а его плотность составит
4696 кг/м3. Таким образом, разница в плотности
частиц карбида титана и расплава равняется Δρ =
= 586 кг/м3 и с использованием уравнения (5) мож-
но рассчитать время осаждения частиц карбида ти-
тана на поверхность гарнисажа.
В целом эффективность процессов рафинирова-
ния титана в промежуточной емкости характеризу-
ется временем τs, необходимым для осаждения ту-
гоплавкого включения на дно ванны расплава в про-
межуточной емкости и временем полного растворе-
ния включения τd. Если τd < τs, то включение рас-
творится до того, как оно достигнет дна расплава в
промежуточной емкости. В случае τd > τs включение
осядет на поверхность гарнисажа и будет находить-
ся на нем вплоть до полного растворения. При этом
следует учесть, что в процессе осаждения тугоплав-
кие включения будут переноситься потоком расп-
лава в промежуточной емкости в направлении к
кристаллизатору. Если такие включения вместе с
потоком расплава попадут в ванну жидкого расп-
лава в кристаллизатор, то они осядут на ее дно и
вместе с кристаллизующимся титаном перейдут в
слиток без разрушения.
Для определения расстояния, на которое пере-
носится включение в промежуточной емкости в про-
цессе осаждения, оценим скорость течения жидкого
титана в ходе ЭЛП. Линейная скорость течения
жидкого титана в промежуточной емкости vf опре-
деляется геометрическими размерами промежуточ-
ной емкости и связана с массовой скоростью m плав-
ки следующим соотношением:
vf =
m
3600hSρTi
,
где S – ширина потока расплава титана в проме-
жуточной емкости.
Для современных промышленных электронно-
лучевых установок мегаваттного класса характер-
ные массовые скорости плавки находятся в диапа-
зоне 1000… 1500 кг/ч. Поэтому максимальная ско-
рость течения расплава титана в промежуточной ем-
Рис. 3. Зависимость времени растворения включений карбида
титана от их размеров при значениях температуры 1677 (1) и
1727 °С (2)
23
кости при ширине потока расплава S = 0,4 м и глу-
бине ванны расплава h = 0,03 м составит 8,4⋅10—3 м/с.
Таким образом, в случае τd > τs после попадания
тугоплавкого включения диаметром d в промежу-
точную емкость до момента осаждения на поверх-
ность гарнисажа оно будет перенесено потоком жид-
кого титана на расстояние L, которое может быть
рассчитано следующим образом:
L = vfτs =
mη
200SρTiΔρgd2.
(6)
Следует отметить, что расстояние, на которое
переносится включение потоком жидкого металла,
не зависит от такого трудно определяемого пара-
метра плавки, как глубина ванны, что существенно
повышает точность расчетов.
Если же длительность растворения включения
меньше времени его осаждения τd < τs, то до момента
осаждения на поверхность гарнисажа оно будет пе-
ренесено потоком жидкого титана на расстояние Ld:
Ld = vfτd =
mτd
3600ShρTi
.
(7)
С помощью уравнений (6), (7) для тугоплавких
включений карбида титана определили расстояние
от места попадания включения в расплав до места
его удаления из расплава (осаждения на поверх-
ность гарнисажа или растворения). Анализ полу-
ченных результатов показал, что эти зависимости
имеют экстремальный характер, что объясняется
сменой ведущего механизма удаления включений
(рис. 4). Если включения малого размера раство-
ряются до осаждения на поверхность гарнисажа, то
включения большего размера осаждаются на повер-
хность гарнисажа и остаются на нем вплоть до пол-
ного растворения. При массовой скорости плавки
титана 1500 кг/ч и диаметре частицы 0,27 мм мак-
симальный путь переноса включений карбида тита-
на составляет 55 мм.
Выводы
1. Предложен механизм и построена математичес-
кая модель процесса растворения включения кар-
бида титана в жидком титане, позволяющая рассчи-
тать скорость растворения частицы в расплаве.
2. Определено временя полного растворения
включений карбида титана в зависимости от темпе-
ратуры и начальных размеров включений.
3. Показано, что в процессе ЭЛП титана сущес-
твуют два механизма удаления тугоплавких вклю-
чений карбида титана из расплава: осаждение этих
включений на дно ванны жидкого металла в про-
межуточной емкости и их растворение.
4. Установлено, что зависимость пути переноса
включений карбида титана до удаления от его диа-
метра имеет экстремальный характер, что объясняет-
ся сменой ведущего механизма удаления включений.
1. 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.
2. Nitride inclusions in titanium ingots / J. L. Henry, S. D. Hill,
J. L. Schaller, T. T. Campbell // Metal. Trans. – 1973. –
№ 4. – P. 1859—1864.
3. Bakish R. The State of the Art in Electron Beam Melting
and Refining // J. of Metals. – 1991. – Vol. 43. –
P. 42—44.
4. Электронно-лучевая плавка титана / Б. Е. Патон, Н. П. Три-
губ, С. В. Ахонин, Г. В. Жук. – Киев: Наук. думка,
2006. – 248 с.
5. Bellot J. P., Mitchell A. Hard-Alfa particle behaviour in a
titanium alloy liquid pool // Light Metals. – 1994. –
№ 2. – P. 1187—1193.
6. Jarrett R. N. Removal of Defects from titanium alloys with
E.B.C.H.R. // Proc. of the Conf. on Electron Beam Mel-
ting and Refining. – New Jersey, 1986. – P. 332—346.
7. Ахонин С. В. Кругленко М. П., Костенко В. И. Удале-
ние тугоплавких включений из титана при электронно-лу-
чевой плавке по механизму осаждения // Современ.
электрометаллургия. – 2010. – № 4. – С. 7—10.
8. Смитлз К. Дж. Металлы. Справочник. – М.: Металлур-
гия, 1980. – 447 с.
9. Диаграммы состояния двойных металлических систем.
Т.1. / Под ред. Н. П. Лякишева. – М.: Машинострое-
ние, 1996. – 992 с.
10. Марчук Г. И. Методы вычислительной математики. –
М.: Наука, 1980. – 535 с.
11. Van Loo F. J. J., Bastin G. F. On the diffusion of carbon
in titanium carbide // Metallurgy and Materials Transacti-
ons A. – 1989. – 20, № 3. – P. 403—411.
12. Попель С. И., Сотников А. И., Бороненков В. Н. Теория
металлургических процессов. – М.: Металлургия,
1986. – 462 с.
Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, Киев
ООО «Стратегия БМ», Киев
Поступила 07.05.2012
Рис. 4. Зависимость пути переноса S включения карбида титана
TiC в промежуточной емкости от его диаметра: 1 – растворение;
2 – осаждение
24
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-96545 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0233-7681 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-02T02:06:11Z |
| publishDate | 2012 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Ахонин, С.В. Кругленко, М.П. Костенко, В.И. 2016-03-18T10:30:36Z 2016-03-18T10:30:36Z 2012 Удаление включений карбида титана ТiC при электронно-лучевой плавке титана / С.В. Ахонин, М.П. Кругленко, В.И. Костенко // Современная электрометаллургия. — 2012. — № 2 (107). — С. 21-24. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 0233-7681 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96545 669.187.58 Построена математическая модель процесса растворения включений карбида титана в расплаве титановых сплавов, позволяющая рассчитать зависимость скорости растворения частицы от температуры расплава. Установлена динамика распределения углерода в частицах карбида титана в процессе растворения. Определено время полного растворения включений карбида титана при различных значениях температуры и начальных размеров включения. Показано, что в процессе ЭЛП титана существуют два механизма удаления тугоплавких включений карбида титана из расплава: осаждение этих включений на дно ванны жидкого металла в промежуточной емкости и их растворение. Mathematical model of process of dissolution of titanium carbide inclusions in melt of titanium alloys was designed allowing calculation of dependence of particle dissolution rate on melt temperature. Dynamics of carbon distribution in particles of titanium carbide in the process of dissolution was established. Time of complete dissolution of titanium carbide inclusions was defined at different values of temperature and initial sizes of inclusion. It is shown that there are two mechanisms of removal of titanium carbide refractory inclusions from melt during the EBM process: precipitation of these inclusions on the bottom of molten metal pool in intermediate crucible and their dissolution. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Современная электрометаллургия Электронно-лучевые процессы Удаление включений карбида титана ТiC при электронно-лучевой плавке титана Removal of inclusions of titanium carbide TiC in electron beam melting of titanium Article published earlier |
| spellingShingle | Удаление включений карбида титана ТiC при электронно-лучевой плавке титана Ахонин, С.В. Кругленко, М.П. Костенко, В.И. Электронно-лучевые процессы |
| title | Удаление включений карбида титана ТiC при электронно-лучевой плавке титана |
| title_alt | Removal of inclusions of titanium carbide TiC in electron beam melting of titanium |
| title_full | Удаление включений карбида титана ТiC при электронно-лучевой плавке титана |
| title_fullStr | Удаление включений карбида титана ТiC при электронно-лучевой плавке титана |
| title_full_unstemmed | Удаление включений карбида титана ТiC при электронно-лучевой плавке титана |
| title_short | Удаление включений карбида титана ТiC при электронно-лучевой плавке титана |
| title_sort | удаление включений карбида титана тic при электронно-лучевой плавке титана |
| topic | Электронно-лучевые процессы |
| topic_facet | Электронно-лучевые процессы |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96545 |
| work_keys_str_mv | AT ahoninsv udalenievklûčeniikarbidatitanaticpriélektronnolučevoiplavketitana AT kruglenkomp udalenievklûčeniikarbidatitanaticpriélektronnolučevoiplavketitana AT kostenkovi udalenievklûčeniikarbidatitanaticpriélektronnolučevoiplavketitana AT ahoninsv removalofinclusionsoftitaniumcarbideticinelectronbeammeltingoftitanium AT kruglenkomp removalofinclusionsoftitaniumcarbideticinelectronbeammeltingoftitanium AT kostenkovi removalofinclusionsoftitaniumcarbideticinelectronbeammeltingoftitanium |