Получение полых титановых слитков методом ЭЛПЕ

17.07.2018
Трубные заготовки из титановых сплавов традиционно получают либо механической обработкой катаных прутков, либо прессовой прошивкой цилиндрических слитков, выплавленных с помощью вакуумно-дугового переплава (ВДП) и прошедших предварительную механическую обработку. При этом пластическая обработка трудоемка и требует содержания значительного парка кузнечно-прессового оборудования. Механическая обработка как слитка ВДП, так и трубной заготовки приводит к значительным потерям металла (до 15 %).

В последнее время предпринято ряд успешных попыток применения для производства титановых труб слитков электронно-лучевой плавки (ЭЛП). Слитки были выплавлены как в глуходонный кристаллизатор с применением электромагнитного перемешивания, так и с использованием промежуточной емкости. Качество полученных труб из металла ЭЛПЕ соответствует требованиям стандартов. Вместе с тем получали трубные заготовки методами сверления и прошивки катаных прутков.

Кардинально новым подходом в производстве трубной заготовки с точки зрения экономии материала и сокращения технологических операций является выплавка полых слитков методом электронно-лучевой плавки с промежуточной емкостью (ЭЛПЕ).

Использование технологии ЭЛПЕ при выплавке титановых слитков позволяет не только практически полностью разделить процессы плавления и кристаллизации и тем самым управлять формированием структуры полого слитка, но и обеспечить удаление из титана неметаллических включений и такой вредной примеси внедрения, как водород.

Традиционная технология ВДП не обеспечивает гарантированное удаление таких включений в полном объеме. Электронно-лучевая плавка с промежуточной емкостью позволяет перегревать поверхность расплава до температур выше, чем при ВДП, и дает возможность выдерживать металл в жидком состоянии любое необходимое время.

Анализ результатов экспериментальных плавок показал, что за время пребывания жидкого металла в промежуточной емкости тяжелые включения типа карбида вольфрама и молибдена оседают на дно и накапливаются в гарнисаже, в то время как более легкие тугоплавкие включения нитрида титана и насыщенные азотом частицы а-титана растворяются в процессе выдержки расплава в промежуточной емкости в условиях нагрева поверхности расплава электронными лучами.

С целью отработки технологии получения полых титановых слитков в ИЭС им. Е.О. Патона HAH Украины были проведены экспериментальные плавки на электронно-лучевой установке с промежуточной емкостью УЭ-182М. В качестве формирующего устройства использовали проходной кристаллизатор с центральным дорном. Процесс получения полых слитков осуществляли следующим образом.

Исходную заготовку загружают в печь и герметизируют ее. При достижении рабочего давления в камере плавки 10в-2 Па и электронно-лучевого нагревателя 10в-3 Па в определенной последовательности включают электрические блоки питания и управления электронно-лучевого нагревателя. Механизмом горизонтальной подачи переплавляемую заготовку подают в зону действия электронных лучей. Повышая ток накала катодов, увеличивают мощность электронных лучей и прогревают заготовку. После прогрева заготовки ее плавят в медную водоохлаждаемую промежуточную емкость, где расплав металла накапливается и рафинируется от вредных примесей, газов и неметаллических включений. Из промежуточной емкости, по мере накопления, жидкий металл порциями сливают по сливному носку в формирующий кристаллизатор, который состоит из внешней обечайки и внутреннего дорна, изготовленных из водоохлаждаемой меди, на поддон, где формируется полый слиток. По мере наплавления слитка его вытягивают из кристаллизатора посредством штока механизма вытягивания.

В процессе плавки электронные лучи перемещаются по верхнему торцу формируемого слитка и в зоне контакта расплава с рабочей поверхностью дорна и кристаллизатора, компенсируя теплоотвод к кристаллизатору и дорну, что положительно сказывается на структуре получаемой заготовки. Одновременно развертка луча по свободной поверхности расплава обеспечивает заданный температурный режим в металлической ванне. Такой характер обогрева слитка предотвращает образование усадочной раковины в верхней части слитка, способствует растеканию поступающего металла и формированию качественной боковой поверхности.

Процесс продолжается до полного сплавления исходной заготовки и получения полого слитка необходимой длины. Мощность и скорость наплавления плавки поддерживаются постоянными. Слив металла из промежуточной емкости и вытягивание слитка из кристаллизатора производят периодически.

Для изучения закономерностей процессов рафинирования титана от водорода при ЭЛПЕ полых слитков использовали математическую модель десорбции водорода при выплавке методом ЭЛПЕ сплошных слитков. При этом были внесены поправки в математическую модель на наличие дорна, который формирует внутреннюю поверхность в слитке. Построенная на основе материального баланса водорода в трех зонах рафинирования металла (оплавляемый торец расходуемой заготовки, а также ванны жидкого металла в промежуточной емкости и в кристаллизаторе) математическая модель устанавливает зависимость эффективности рафинирования от технологических параметров плавки и кинетических констант водорода в титане.

Обработка результатов экспериментальных плавок нелегированного титана позволила получить численные значения коэффициента массопереноса водорода в жидком титане вН и константы скорости поверхностной реакции молизации водорода k2H в титане:

Расчеты по математической модели для полого слитка позволили установить зависимость эффективности рафинирования титана от водорода при ЭЛПЕ при различных скоростях плавки (рис. 1).

Анализ полученных зависимостей показывает, что степень рафинирования монотонно возрастает при уменьшении скорости плавки. Это обусловлено увеличением времени выдержки жидкого металла в вакууме.

Установлено, что рафинирование металла при получении полых слитков подчиняется тем же закономерностям, которые установлены при получении слитков сплошного сечения.

Таким образом, проведенный анализ удаления водорода при ЭЛПЕ полых слитков показал, что требуемый уровень содержания водорода в слитках обеспечивается в широком диапазоне значений технологических параметров, и оптимизацию технологического процесса следует осуществлять с точки зрения обеспечения структуры полого слитка и себестоимости его производства.
Получение полых титановых слитков методом ЭЛПЕ

Для определения оптимальных теплофизических условий формирования слитка были проведены расчеты в рамках математической модели тепловых процессов в цилиндрическом слитке, адаптированной для случая полого слитка (рис. 2). В используемой модели жидкий металл сливается в кристаллизатор порциями, а слиток из его вытягивается периодически. Поверхность слитка обогревается тремя электронными лучами, причем мощность W3 одного из них равномерно распределена в центральной зоне (R2Тк — по закону Ньютона-Рихмана

где а — коэффициент теплопередачи между слитком и кристаллизатором.

Скорость плавки была принята равной 100 кг/ч, периодичность заливки порций жидкого металла — 3 мин. В результате проведенных расчетов в качестве оптимального было выбрано распределение мощности электронных лучей в кристаллизаторе (рис. 3), обеспечивающее мелкую жидкую ванну на всей поверхности слитка (рис. 4). Такое распределение обеспечивает равномерное растекание заливаемых порций жидкого металла и практически плоский фронт кристаллизации, способствующий образованию в слитке гомогенной структуры из равноосных зерен.


С использованием рассчитанного режима электронно-лучевого нагрева полого слитка в кристаллизаторе на электронно-лучевой установке УЭ-182 M были выплавлены опытные полые слитки титанового сплава ВТ 1-0 c внешним диаметром 600 мм, внутренним — 230 мм и длиной 2 м (рис. 5). Внешняя поверхность слитков была оплавлена электронным лучом.

Для определения в полых титановых слитках внутренних дефектов в виде неметаллических включений, а также пор и несплошностей применялся метод ультразвуковой дефектоскопии. Исследования проводились с использованием прибора УД-11УА эхо-импульсным методом при контактном варианте контроля. Рабочая частота анализа составляла 2,5 и 5 МГц, что обеспечивало максимальное соотношение сигнал/шум.

Исследование полых слитков производилось путем последовательного ручного сканирования боковой поверхности вдоль образующей цилиндра (параллельно продольной оси). Шаг между линиями сканирования равнялся 10...20 мм. Ось излучения соответствовала радиусу цилиндра. Сканированию подвергалась вся боковая поверхность цилиндра, что обеспечивало охват всего объема полого слитка.

При исследовании полых слитков наблюдались множественные отражения малой амплитуды, что типично для литого металла и является результатом отражения сигнала от границ зерен. Анализом не выявлено отражений, которые можно было бы интерпретировать как крупные неметаллические включения, поры, усадочные раковины.

Таким образом, УЗК показал, что в исследованных полых титановых слитках отсутствуют несплошности, неметаллические включения с размером более 1 мм, а также плотные скопления более мелких включений.

Результаты исследований методом УЗК были подтверждены визуальными исследованиями травленного фрагмента полого слитка (рис. 6). Структура слитка однородная, состоящая из равноосных зерен размером 10...30 мм.

Таким образом, в ИЭС им. Е.О. Патона впервые в мировой практике по разработанной технологии получен методом ЭЛПЕ толстостенный полый титановый слиток большого диаметра. Технология получения титановых полых слитков методом ЭЛПЕ и применение электронно-лучевого оплавления их поверхности позволяет значительно снизить расход металла и сократить количество технологических операций.