Жук Геннадій Віліорович. Основні закономірності впливу теплофізичних умов кристалізації металу під час електронно-променевої плавки на структуру і властивості зливків

brief description

Жук Геннадій Віліорович. Основні закономірності впливу теплофізичних умов кристалізації металу під час електронно-променевої плавки на структуру і властивості зливків: дисертація д-ра техн. наук: 05.16.07 / НАН України; Інститут електрозварювання ім. Є.О.Патона. - К., 2003.

Жук Г.В. Основні закономірності впливу теплофізичних умов кристалізації металу при електронно-променевій плавці на структуру та властивості зливків. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.16.07 Металургія високочистих металів та спеціальних сплавів. Інститут електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України, Київ, 2003 р.
Дисертація присвячена визначенню теплофізичних закономірностей формування структури зливка при електронно-променевій плавці з проміжною ємністю (ЕППЄ) в умовах високих швидкостей охолодження при кристалізації розплаву і розробці на цій основі оптимізованих режимів виплавки зливків.
Встановлено закономірності формування кристалічної будови зливків титанових і нікелевих сплавів при ЕППЄ з урахуванням швидкостей охолодження розплаву в кристалізаторі.
Методами математичного моделювання визначені залежності теплофізичних умов твердіння металу зливків титанових сплавів в кристалізаторі від технологічних параметрів ЕППЄ. Встановлено, що зниження потужності електронно-променевого нагрівання і зміщення його максимуму на периферію зливка дозволяє підвищити швидкість охолодження розплаву більш ніж у 10 разів, а швидкість кристалізації в 30 разів. Експериментально встановлено, що високі швидкості охолодження розплаву при кристалізації дозволяють одержувати в зливках титанового сплаву Ti-6Al-4V рівноосну структуру по всьому перетині зливка при гомогенному розподілі легуючих елементів, структурних і фазових складових.
Запропоновано новий метод диспергування розплаву з проміжної ємності за допомогою барабана-диспергатора, який обертається з частотою до 2500 об/хв (ЕПДРЄ). Розроблено математичну модель формування зливка з диспергованого розплаву з використанням примусового охолодження зливка. Встановлено, що в процесі ЕПДРЄ досягаються швидкості охолодження розплаву при кристалізації до 105К/с. Високі швидкості охолодження, характерні для ЕПДРЄ дозволяють одержувати зливки жароміцних сплавів з ультрадрібною структурою, волокнисті композиційні матеріали з мінімальною товщиною прошарку на границі волокно-матриця, з'єднувати зливки титанових сплавів без плавлення крайок.
Розроблено і прийнято у виробництво технологію виплавки методом ЕППЄ зливків-слябів титанового сплаву TI-6AL-4V з рівноосною структурою й ізотропними механічними властивостями. Структура є оптимальною для наступної прокатки слябів і одержання листа.

Аналіз існуючих методів виробництва зливків показав, що вирішальний вплив на структуру металу мають теплофізичні умови формування зливка. Широкі можливості в регулюванні нагрівання вільної поверхні зливка в кристалізаторі забезпечує електронно-променева плавка з проміжною ємністю.
Побудовано математичну модель переносу тепла у зливку, що формується, при електронно-променевому переплаві з проміжною ємністю. Встановлено залежність умов кристалізації титанового зливка від потужності і конфігурації електронно-променевого нагрівання, швидкості плавки і величини порцій рідкого металу. Розраховано режими електронно-променевого нагрівання зливка титанового сплаву Ti-6Al-4V, що дозволяють підвищити швидкість охолодження розплаву до 7 К/с, швидкість кристалізації металу до 1 мм/с.
Визначено технологічні умови формування в зливках і слябах титанового сплаву Ti-6Al-4V рівноосної структури по всьому їхньому перетину. Зливки характеризуються гомогенністю хімічного складу і високими механічними характеристиками. Середнє значення ударної в'язкості металу циліндричних зливків зростає на 20% у порівнянні з традиційною технологією.
Розроблений двостадійний процес виводу усадочної раковини в зливку після закінчення плавки. Визначено технологічні параметри виводу усадки для зливка Ti-6Al-4V діаметром 200 мм.
Розроблено технологію виробництва зливків -алюміниду титана як круглого, так і прямокутного перетинів методом ЕППЄ. Хімічний склад зливків цілком відповідає вимогам технічних умов.
Запропоновано новий метод електронно-променевого диспергування розплаву з проміжної ємності й устаткування для його реалізації. Метод характеризується кристалізацією розплаву в мікрооб’ємах при формуванні зливка, забезпечує стабільність процесу диспергування.
Створено математичну модель теплових процесів, що відбуваються при формуванні зливка на водоохолоджуваній підкладці з потоку розплаву, диспергованого з проміжної ємності. Установлено, що при формуванні зливка жароміцного нікелевого сплаву досягається швидкість охолодження розплаву до 105К/с. Визначено оптимальні технологічні параметри одержання зливка методом ЕПДРЄ. Показано, що застосування примусового охолодження підкладки дозволяє стабілізувати температуру зливка, що формується.
Розроблено процес з'єднання зливків титанових сплавів методом електронно-променевого диспергування з проміжної ємності. Характерною рисою отриманих з'єднань є відсутність підплавлення крайок, що з'єднуються.
Побудовано математичну модель формування волокнистого композиційного матеріалу з диспергованого розплаву. Встановлено, що товщина ламкого прошарку на границі інтерметалідоутворюючих волокон і матриці складає 10...30 мкм. Визначено технологічні режими формування композиційного матеріалу, що сприяють мінімальній товщині прошарку при задовільному зчепленні матриці з волокном.
Методом ЕПДРЄ отримані заготівки дисків турбін реактивного двигуна з жароміцного нікелевого сплаву Udimet 720. Метал заготовок характеризується однорідною, дрібнодисперсною структурою і високими механічними властивостями в інтервалі температур до 1100С.
Розроблено технологію виробництва методом ЕППЄ слябів титанового сплаву TI-6AL-4V перетином 150х500 мм і довжиною до 2 м. Метал слябів відрізняється відсутністю спрямованої текстури, що визначає ізотропність механічних властивостей. При одержанні регламентованої структури напівфабрикатів застосування слябів з рівноосною литою структурою дозволило зменшити ступінь укову з 6 до 1.5-2.
Вирішено важливу народногосподарську задачу виробництва на підприємствах України методом ЕППЄ конкурентноздатних високоякісних зливків-слябів з одного з найбільш застосовуваних у світі титанового сплаву Ti-6Al-4V. Рівень механічних характеристик прокату, отриманого зі слябів, цілком відповідає вимогам зарубіжних та вітчизняних державних стандартів.