Моделирование структурного и напряженно-деформированного состояний разнородного стального слитка при электрошлаковой плавке

Показано, что использование разнородных конструкций, элементов машин и механизмов в различных отраслях (энергетическом комплексе, трубопроводном транспорте, авиакосмической промышленности) позволяет получать уникальный комплекс эксплуатационных свойств, сложно достижимых при использовании однородных материалов. В этом случае возникают естественные трудности в получении разнородных деталей и заготовок с гарантированным качеством металла. Для изготовления разнородных элементов существуют различные технологические приемы, одним из которых является электрошлаковая плавка в токоведущем кристаллизаторе с жидким присадочным металлом, применяемая, в частности, для производства разнородных по высоте стальных слитков большого диаметра, используемых для валов роторов турбин. Одной из задач оптимизации технологических параметров такого процесса является минимизация склонности металла разнородного слитка к появлению холодных трещин. Для численного анализа кинетики тепловых, физико-химических и механических процессов разработан комплекс математических моделей и программных средств, посредством которых обнаружены некоторые особенности формирования переходной зоны разнородного слитка. Предложен подход относительно выбора оптимального химического состава присадочного металла и продемонстрирована возможность минимизации таким образом склонности металла слитка к образованию холодных трещин в переходной зоне. Показано существенное влияние материала с химическим составом, отличным от оптимального, на склонность металла слитка к растрескиванию, предложены способы эффективной оптимизации процесса электрошлаковой плавки разнородных по высоте слитков для снижения риска появления такого рода дефектов.

Поведение неметаллических включений в структуре литой электрошлаковой нержавеющей стали AISI типа 316

Представлены результаты исследования поведения неметаллических включений в литом металле нержавеющей стали AISI типа 316, полученном способом электрошлакового переплава (ЭШП) расходуемых электродов и электрошлакового наплавления с применением жидкого металла (ЭШН ЖМ). Проведен комплексный анализ неметаллических включений на всех этапах изготовления слитков ЭШП и ЭШН ЖМ - от передела исходного металла до формирования готовых слитков; металлографические исследования; оценка дисперсности дендритной структуры. Оценен уровень физико-механических свойств литого металла слитков ЭШП и ЭШН ЖМ. Выполнены фрактографические исследования и анализ неметаллических включений на поверхностях изломов образцов после их испытаний на статическое растяжение и ударный изгиб.

Условия получения бездефектных квазикристаллических покрытий Al - Cu - Fe способом электронно-лучевого вакуумного осаждения

Показано, что покрытия с квазикристаллической структурой системы Al - Cu - Fe могут быть получены способом электронно-лучевого вакуумного осаждения при температурах подложки 570 - 870 K. В осажденных таким образом покрытиях иногда обнаруживаются сквозные трещины. Рентгенодифракционным методом установлено, что остаточные напряжения в бездефектных покрытиях Al - Cu - Fe линейно возрастают с увеличением температуры их осаждения, что связывается с ростом термических напряжений, обусловленных различием в линейных коэффициентах термического расширения (ЛКТР) подложки и покрытия. В случаях, если в процессе охлаждения подложки до комнатной температуры упругие напряжения достигают некоторого критического значения, они приводят к образованию сквозных трещин. Из анализа зависимости уровня остаточных напряжений в покрытии от температуры осаждения был определен ЛКТР материала покрытия. Вязкость разрушения покрытия оценена как <$E GAMMA~=~15,7~symbol С~1,1> Дж-м<^>2. Полученные характеристики покрытия Al - Cu - Fe использованы для расчета его критической толщины, при которой сохраняется бездефектная структура поверхности в зависимости от материала подложки и температуры осаждения покрытия. Экспериментальные исследования структуры поверхности покрытий, осажденных при различных значениях температуры на подложки из сталей K600, K890 и K110, показали, что сквозное растрескивание покрытий не зафиксировано в тех случаях, когда их толщина меньше рассчитанной критической.

Исследование функциональных возможностей конденсированных градиентных термобарьерных покрытий

Проведен сравнительный анализ структуры и свойств конденсационных термобарьерных покрытий, полученных электронно-лучевым способом по традиционной многоступенчатой технологии, а также градиентных покрытий, осажденных по одностадийной технологии. Показано, что термоциклическая долговечность на воздухе при <$E400~-~1100~symbol Р>C градиентных термобарьерных покрытий СДП-3А/AlCr/ZrO2 - 8 % Y2O3 и СДП-6/AlCr/ZrO2 - 8 % Y2O3 на жаропрочном сплаве ЧС88У-ВИ составляет 900 - 1100 одночасовых циклов, что в 1,5 - 2,0 раза превышает среднее значение долговечности стандартных двухслойных покрытий СДП-3А/ZrO2 - 8 % Y2O3. Установлено, что толщина слоя окалины на основе Al2O3 после 500 ч изотермического отжига на воздухе при <$E1100~symbol Р>C в градиентных термобарьерных покрытиях СДП-3А/AlCr/ZrO2 - 8 % Y2O3 и СДП-6/AlCr/ZrO2 - 8 % Y2O3 однородна и составляет около 5 мкм, в стандартных покрытиях характеризуется неоднородностью при толщине около 10 мкм. Ширина обедненной алюминием зоны в связующем слое не превышает 5 мкм. В стандартных покрытиях слой окалины характеризуется неоднородностью при толщине 10 мкм; ширине обедненной зоны примерно 15 - 20 мкм.

Плазменно-дуговой переплав заготовок, скомпактированных из стружки аустенитных нержавеющих сталей

Определены технологические особенности плазменно-дугового переплава (ПДП) заготовок, скомпактированных из стружки аустенитных нержавеющих сталей типа Х18Н10Т. Для переплава заготовок диаметром 100 мм выбраны кристаллизаторы круглый диаметром 125 мм и квадратный со стороной 125 мм. Установлены оптимальные режимы переплава заготовок в условиях ПДП на печи УПП-3. Определено, что для получения более качественных слитков стружку аустенитных нержавеющих сталей перед компактированием необходимо промывать от смазочно-охлаждающих жидкостей. Исходя из металлографических исследований для снижения содержания азота в готовом металле необходимо производить защиту зоны компактирования аргоном. Для сокращения количества неметаллических включений и улучшения качества поверхности слитка переплав заготовок следует производить на скоростях не более 2 - 4 мм/мин.

Технологические особенности высокохромистого никелевого сплава, комплексно-легированного рением и танталом

Проанализированы корреляционные связи между технологическими параметрами процесса кристаллизации, макро- и микроструктурой, а также эксплуатационными характеристиками (кратковременная и длительная прочность, коррозионная стойкость) высокохромистой композиции жаропрочного никелевого сплава типа ХН58КВТМЮБР, легированного рением и танталом. Полученные результаты дали возможность отработать технологический процесс получения лопаток ГТУ определенного типоразмера с ориентированной структурой, отличающейся в сравнении с применяемыми марками повышенной стойкостью против высокотемпературной ползучести и коррозионного разрушения в агрессивных выделениях тяжелого топлива и солей морской воды.

Физико-химические особенности дегазации расплава стали от водорода при внепечной обработке в электростатическом поле

Обнаружен эффект интенсификации кинетической стадии процесса массопереноса при дегазации жидкой стали от водорода путем комплексного воздействия вакуумом, продувкой аргоном и электростатическим полем (0 << E << 3 - 18 кВ/см). Это поле формирует область повышенной концентрации ионов водорода на поверхности вакуум-металл, локализованную в окрестности проекции границы электрода на эту поверхность. Эффект теоретически обоснован с помощью классической электродинамики и проверен в лабораторных условиях. Обобщено соотношение закона Сивертса путем введения в него напряженности электростатического поля и степени ионизации атомов водорода. Соотношение качественно согласуется с результатами лабораторных исследований. Его можно использовать при компьютерном моделировании конвективного массопереноса водорода в жидкой стали для нового вида внешнего воздействия на металл.

Влияние дисперсности шихтовых материалов на процессы алюмотермии при выплавке ферротитана

Отмечено, что повышения качества основного конструкционного материала (стали) достигают путем введения в расплав легирующих элементов. Одним из самых распространенных и технологически эффективных легирующих элементов является ферротитан. Качество ферротитана зависит от ряда факторов (состав и масса шихты, температура процесса, предварительный подогрев шихты, форма и удельная поверхность порошков, крупность шихтовых материалов, плотность шихты, применение подогревающих и флюсующих добавок и т. д.). Показано влияние дисперсности шихтовых материалов на процесс алюмотермического получения ферротитана. Плавки проведены в тигле высотой 400 мм, диаметром 200 мм, футерованном смесью %). Толщина футеровки составляла 15 - 20 мм. Экспериментально установлено, что получение максимального выхода металла достигается при размерах частиц восстановителя, близких к таковым восстанавливаемого оксида. Показано, что переизмельчение шихтовых материалов не приводит к ожидаемому повышению выхода металла из-за увеличения поверхности реагирования. В этом случае в результате снижения газопроницаемости в процессе плавки происходили выбросы расплава, полученные образцы ферротитана были пористыми. Также в шлаке оставалось большое количество корольков металла. Установлено, что размер шихтовых материалов не должен превышать 2 мм, при этом не следует измельчать их до размера менее 0,1 мм.

Легирование титана углеродом в процессе камерного электрошлакового переплава

Рассмотрена возможность упрочнения титана путем легирования его углеродом в процессе камерного электрошлакового переплава (КЭШП). Экспериментально показано, что введение в титан углерода в виде порошка различной фракции позволяет существенно повысить его прочность при сохранении достаточного уровня пластичности. КЭШП как металлургический процесс позволяет ввести в металл углерод и обеспечить его равномерное распределение по телу слитка.

Электрошлаковая выплавка титановых слитков с импульсным электропитанием

Приведены результаты экспериментов по электрошлаковой выплавке титановых слитков с импульсным питанием процесса электрической энергией. Для проведения опытных плавок модернизирован силовой трансформатор ТШП-10-1, что позволило осуществлять электрошлаковый процесс (ЭШП) в импульсном режиме, регулировать частотные и амплитудные характеристики импульсов рабочего напряжения в процессе плавки. Экспериментальные исследования проведены при выплавке слитков титана марки Grade 4 диаметром 84 мм. По результатам экспериментов оценены стабильность ЭШП, его электрические режимы, формирование поверхности слитков, их макроструктура и распределение твердости в продольном сечении. Изучены две схемы импульсного питания ЭШП с различной продолжительностью импульсов и пауз электропитания и уровнем напряжения на ванне во время паузы. В ходе проведенных экспериментов показана возможность электрошлаковой выплавки титановых слитков в импульсном режиме при сохранении стабильности ЭШП и с хорошим формированием боковой поверхности слитка, плотной макроструктурой без металлургических дефектов. Установлена возможность управления кристаллизацией титановых слитков и измельчения их литой структуры путем импульсного электропитания и соответствующего порционного тепловложения.

Влияние легирования бором и лантаном на структуру и свойства сплава на основе интерметаллидного соединения TiAl

Приведены результаты исследований сплавов на основе интерметаллидного соединения TiAl. Слитки получены способом электронно-лучевой плавки с применением промежуточной емкости. Изучено влияние дополнительного легирования бором и лантаном, а также термодеформации и термической обработки на структурообразование, механические свойства и жаропрочность модельных сплавов. Введение в сплав бора и лантана способствует измельчению структурных составляющих, а также повышению его твердости, жаропрочности и механических свойств. Установлено, что структура, полученная после дополнительной термической обработки, обеспечивает наилучшее сочетание механических и технологических свойств исследуемого сплава.

Электронно-лучевое оплавление поверхности слитков сплавов титана

В ИЭС им. Е. О. Патона НАН Украины разработаны и созданы специализированные электронно-лучевые установки УЭ-185 и УЭ-5810 с комплексом технологической оснастки, позволяющие выполнять процесс оплавления поверхностного слоя слитков как цилиндрического, так и прямоугольного сечений. Показана возможность безотходного удаления локальных поверхностных дефектов слитков сплавов титана способом электронно-лучевого оплавления (ЭЛО), которое позволяет сократить потери основного металла и легирующих элементов. Приведены схемы ЭЛО слитков круглого и прямоугольного сечений. Показано, что разработанная технология ЭЛО слитков сплавов титана позволяет получать оплавленный слой, который по химическому составу незначительно отличается от основного металла и соответствует требованиям стандартов. Определены технико-экономические параметры электронно-лучевой обработки слитков титановых сплавов, при которых разработанные в ИЭС им. Е. О. Патона НАН Украины технология и специализированное оборудование для ЭЛО боковой поверхности слитков титановых сплавов позволяют увеличить выход годного металла на 4 - 15 % в зависимости от сортамента слитков, обеспечивают значительный экономический эффект.

Структура и физико-механические свойства вакуумных конденсатов титанового сплава ВТ6

Отмечено, что получение конденсатов титанового сплава ВТ6, являющегося одним из ведущих конструкционных материалов в авиа- и турбостоении, представляет весьма важное направление в современной металлургии. Рациональным металлургическим способом получения конденсатов сплава ВТ6 выступает высокоскоростное электронно-лучевое испарение с использованием промежуточной жидкометаллической ванны-посредника. Выбор легирующих компонентов, вводимых в расплавленную ванну, позволяет создавать не только благоприятные технологические условия для испарения материала Ti - 6Al - 4V, но и влиять на структуру и свойства получаемых конденсатов. Установлено, что применение "легкой" ванны-посредника системы Zr - Mo дает возможность регулировать рациональные скорости конденсации, влияющие на механические свойства и структуру получаемых конденсатов ВТ6, зависящих от состава промежуточных ванн-посредников.

Структура конденсатов диоксида титана, полученных способом электронно-лучевого осаждения в вакууме

Исследованы морфология поверхности, микроструктура, элементный и фазовый составы толстых конденсатов TiO2, полученных способом EB PVD, в зависимости от температуры конденсации Tп. Экспериментальные исследования конденсатов проведены с применением рентгенодифракционного метода, оптической, растровой и просвечивающей электронной микроскопии. При формировании конденсатов TiO2 в интервале температур конденсации <$E 120~-~1200~symbol Р>C зафиксированы теже закономерности, что и для большинства неорганических материалов: формирование наноразмерной до Tп << 0,3Tпл и столбчатой структур в интервале 0,3Tпл << Tп << 0,5Tпл. Дополнительный вклад в размерность и морфологию структуры вносят полиморфные превращения. Обнаружено присутствие наноструктурной составляющей различной морфологии и фазового состава в широком интервале температур осаждения. В интервале Tп <$E 120~-~700~symbol Р>C формируется фрактальная структура с размерностью 2,92 - 2,95. Приведены результаты измерений электрической прочности конденсатов диоксида титана. Полученные способом вакуумного осаждения различные формы TiO2 (покрытия, конденсированные материалы, наночастицы) с заданными морфологией и функциональными свойствами являются перспективными для многих направлений в технике и медицине.

Структура и механические свойства вакуумно-дуговых многослойных конденсатов нитридов титана и его сплавов

Изучены структура, элементный состав, микротвердость и модуль упругости многослойных вакуумно-дуговых конденсатов систем TiN/ZrN, TiN/Ti36AlN, TiN/Ti30CrN, полученных с высокими скоростями конденсации (0,3 - 0,5мкм/мин) в результате уменьшения расстояния между катодами и подложками (125 вместо 250 мм), а также увеличения тока дугового разряда (до 130 - 140 А). Для сравнения исследованы аналогичные характеристики однослойных конденсатов TiN, ZrN, Ti36AlN и Ti30CrN, полученных в идентичных условиях. Толщина конденсатов составляла 10 - 15 мкм; материал подложек - нержавеющая сталь 12Х17. Установлены зависимости исследуемых характеристик конденсатов от ускоряющего потенциала подложки (Uп = 50 - 180 В). Определены значения механических характеристик (твердость и модуль упругости нитридных одно- и многослойных конденсатов). На основании полученных данных вычислено соотношение H3/E<^>*2 для этих покрытий, характеризующее уровень сопротивления покрытия пластической деформации. Показано, что микротвердость и соотношение H3/E<^>*2 многослойных нитридных конденсатов значительно выше, чем у однослойных. Микротвердость многослойных конденсатов увеличивается с уменьшением регулируемой толщины чередующихся субслоев.

Исследование влияния фторида кальция на энерготехнологические показатели обработки колесной стали на установке ковш-печь

Изложены физико-химические предпосылки рационального режима присадок твердых шлакообразующих материалов в ковш и обсуждены вопросы формирования оксидно-фторидного шлакового расплава, проанализированы диаграммы плавкости бинарной системы CaO - CaF2, тернарной оксидно-фториднокальциевой системы CaO - Al2O3 - SiO2 с 10 % CaF2. Отмечено, что в составе основного шлака содержание CaF2 не влияет на термодинамические условия образования ассоциатов, но определяет физико-химические характеристики оксиднофторидного расплава и кинетику массообменных процессов в системе металл - шлак. Установлено, что наличие плавикового шпата на стадии формирования шлака из присаживаемых твердых материалов ускоряет ассимиляцию извести шлаковым расплавом и тем самым обеспечивает повышенную десульфурирующую способность шлака. Приведены результаты опытно-промышленного применения плавикового шпата при внепечной обработке колесной стали Ст2 (ГОСТ 10791Д2011) на установке ковш-печь (УКП). В соответствии с программой исследования присадка плавикового шпата произведена в сталеразливочный ковш в ходе выпуска 160 т металла-полупродукта из печи ДСП-190. Научно обоснованное управление режимом формирования рафинировочного шлака присадками плавикового шпата позволяет на стадии УКП на 30 - 35 % сократить расход электроэнергии при обеспечении высокого качества непрерывнолитой заготовки для производства цельнокатаных железнодорожных колес.

Способы управления кристаллизацией металла слитков при ЭШП

Рассмотрены способы воздействия на кристаллизацию металла слитков при электрошлаковом переплаве, основанные на введении в расплав модифицирующих добавок и инокуляторов, импульсном электропитании, создании колебаний расплава, вращении расходуемого электрода, дугошлаковом переплаве, продувке ванны газами, применении токоподводящего кристаллизатора, электромагнитном воздействии. Описаны механизмы, обеспечивающие гомогенизацию и измельчение структуры металла, проанализированы преимущества и недостатки различных способов воздействия на электрошлаковый процесс. Показано, что несмотря на большое количество исследований, свидетельствующих о положительном влиянии рассмотренных способов воздействия на структуру и свойства слитков ЭШП, их результаты не нашли широкого промышленного применения из-за присущих им недостатков. Отмечено, что эффективным инструментом управления кристаллизацией металла при ЭШП являются внешние магнитные поля, позволяющие осуществлять бесконтактное силовое воздействие на расплавы шлаковой и металлической ванн. Для повышения эффективности воздействия на структуру металла предлагается использование импульсных магнитных полей, в том числе созданных разрядами емкостных накопителей на магнитный контур, и комплексных способов управления кристаллизацией слитков ЭШП, основанных на тепловых и гидродинамических механизмах.

Исследование удельного электрического сопротивления сталемедной зоны биметаллического электрошлакового слитка-заготовки анода ДСП постоянного тока

Приведено исследование удельного электрического сопротивления (УЭС) зоны сплавления биметаллического сталемедного слитка-заготовки анода дуговой сталеплавильной печи постоянного тока. Слиток изготовлен по разработанной в Институте электросварки им. Е. О. Патона технологии электрошлакового переплава по двухконтурной схеме. Для исследования УЭС вдоль оси слитка вырезан темплет, посередине которого в районе сплавления стали с медью отобраны испытуемые образцы. Использована методика измерения электропроводности материалов, основанная на регистрации падения напряжения на образце в зависимости от тока, проходящего через образец. Для учета влияния температуры нагрева анода в процессе его эксплуатации на печи проведены исследования УЭС сталемедных образцов. Показано, что уровень УЭС сталемедной зоны остается практически неизменным как при комнатной, так и при повышенных эксплуатационных температурах, что может свидетельствовать об отсутствии локального перегрева во время эксплуатации анода из-за разных значений электрического сопротивления металлов на границе сталь-медь и, таким образом, о стабильной работе анода, изготовленного из указаного материала.

Получение трубных заготовок из титанового сплава ВТ14 способом ЭЛП

Проведены комплексные работы по изготовлению полуфабрикатов в виде трубных заготовок из слитков титанового сплава ВТ14, полученных способом ЭЛП. По технологии электронно-лучевого переплава с промежуточной емкостью и порционной подачей металла в водоохлаждаемый кристаллизатор произведены слитки из титанового сплава ВТ14 диаметром 600 мм, длиной до 3000 мм. Показано соответствие полученных слитков требованиям ТУ 27.5-23712944-005-200 "Заготовка трубная литая из титановых сплавов". Приведены результаты исследований структуры и механических свойств трубных заготовок и горячепрессованных труб, изготовленных из слитков титанового сплава ВТ14, способом электронно-лучевой плавки. Показано, что электронно-лучевую технологию получения слитков сплавов титана можно эффективно применять для изготовления полуфабрикатов для трубного производства.

Формирование нанокомпозитов Al2O3 - Co способом электронно-лучевого испарения в вакууме

Приведены результаты исследований структуры и микротвердости толстых (20 - 60 мкм) керамико-металлических конденсатов Al2O3 - Co с различной концентрацией металлической добавки (2,5 - 90 мас. %), полученных способом электронно-лучевого осаждения. Выполненные исследования подтверждают возможность формирования стабильных нанокомпозитов Al2O3 - Co в интервале температур конденсации <$E 300~-~950~symbol Р>C. Обобщены закономерности формирования нанокомпозитов Al2O3 - Co. Установлено, что размер наночастиц кобальта в керамической матрице в зависимости от температуры конденсации Tп можно варьировать от << 4 (Tп << 350 C) до 20 (Tп ~ 900 C) нм. Микротвердость HV композитов, полученных при Tп << 350 C, слабо зависит от содержания металлической фазы и не превышает 5 - 6 ГПа. В интервале температур подложки (350 << Tп << 820) C микротвердость композитов HV равна примерно 10,5 (17 % Co); 7,5 (60 % Co); 7,0 (75 % Co) и 5,0 ГПа (90 % Co). Композиты, полученные в интервале (820 << Tп << 950) C отличаются развитой межкристаллитной пористостью, их микротвердость составляет примерно 2 ГПа. Фазовый состав нанокомпозитов Al2O3 - Co контролируется температурой подложки Tп и концентрацией кобальта.