СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА
METHOD OF TITANIUM-BASED ALLOYS PRODUCTION

Область техники
Изобретение относится к области металлургии, в частности к способу получения сплавов на основе титана, плавка и разливка которых проводится в вакуумных дуговых гарнисажных печах, не оборудованных отдельным вакуумным портом для введения компонентов сплава (шихты) в процессе проведения плавки.
Известные решения и цель изобретения
Титановые сплавы используются для получения деталей ответственного назначения в авиастроении, судостроении, химическом машиностроении и других областях, где требуется сочетание высоких механических свойств (прочности, пластичности, вязкости разрушения и др.) и коррозионной стойкости при относительной малой массе [Ильин А.А., Колачев Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства. Справочник. М: ВИЛС-МАТИ, 2009, 520 с.]. Качество детали, в значительной мере, определяется качеством титанового литья (слитка или фасонной отливки), которое, в свою очередь, зависит от способа получения сплава.
Известны способы получения титанового сплава методом вакуумно-дугового переплава электрода, изготовленного из титановой губки, с запрессованными в него легирующими элементами, методом получения сплава путем плазменной плавки из шихты, подаваемой в зону горения плазмы, методом электронно-лучевой плавки [Неуструев А.А., Ходоровский Г.Л. "Вакуумные гарнисажные печи", М. "Металлургия", 1967 г.].
Данные способы получения слитков не предусматривают модифицирование сплавов.
Наиболее близким к предложенному способу является метод получения сплавов на основе титан-алюминия (пат. US5311655 от 17.05.1994). Этот способ включает расплавление шихтовых материалов (в виде кусков) в тигле путем нагрева за счет вращающегося электрода или плазмы или электронного пучка. Осуществляется дуговой переплав (предпочтительно вакуум-дуговой переплав) после плавления части исходных материалов.
Данный способ позволяет получить в слитке размер зерна около 100 мкм, однако данные слитки используются только в качестве расходного материала при фасонном литье в дуговых гарнисажных печах. Получение определенной структуры слитка не является необходимым. Процесс изготовления слитков с определенной зерновой структурой производится на специальных печах.
Целью изобретения является создание способа получения сплавов на основе титана, позволяющего получить размер зерна менее 15 мкм и равноосную структуру в фасонных отливках и слитках.
Поставленная цель достигнута тем, что предложен способ введения в расплав легирующего компонента - модификатора при проведении плавки химически активных сплавов в вакуумных дуговых гарнисажных печах с расходуемым электродом во время горения дуги не имеющих дополнительного вакуумного порта для введения добавок, отличающийся тем, что на основе расчетных данных по весовым параметрам плавки, скорости наплавления сплава, программе ведения плавки производится подготовка и закладка в тело расходуемого электрода перед приваркой на определенном расстоянии от сплавляемого торца навеска легирующего компонента - модификатора, что приводит к расплавлению его в точно определенный момент плавки и равномерному распределению в расплаве.
Сущность изобретения
В основу изобретения положена цель разработать способ введения в расплав при горящей дуге в строго определенное время плавки точно рассчитанное количество материала шихты (легирующего компонента, модификатора).
Для достижения данной цели решались следующие задачи.
1. Определить способ ввода
2. Определить вид упаковки добавки.
3. Определить вес добавки
4. Составить схему расчета компонентов плавки и добавки.
5. Определить место установки добавки.
6. Рассчитать время ввода.
Пример выполнения
Для экспериментального обоснования предложенного изобретения было реализовано 4 варианта получения модифицированного титанового сплава, которые приведены в табл.1.
Состав сплава, мас.%
Легирующие элементы
Примеси, не более
Ti
Al
B
C
Fe
Si
O
N
H
Остальные
Основа
4,70
0
0,16
0,30
0,19
0,21
0,05
0,01
0,3
Основа
4,71
0,002
0,17
0,29
0,20
0,21
0,05
0,01
0,3
Основа
4,69
0,008
0,19
0,30
0,18
0,20
0,05
0,01
0,3
Основа
4,70
0,010
0,19
0,29
0,19
0,21
0,05
0,01
0,3
Для заливки фасонных отливок с толщиной стенки от 10 до 100 мм с целью получения мелкозернистой структуры и обеспечения однородных (изотропных) механических свойств во всех сечениях и направлениях отливки.
4
В качестве борсодержащего модифицирующего материала по опытным данным выбран микропорошок карбида бора (BC) 4-25 мкм.
В качестве плавильного агрегата выбрана вакуумная дуговая гарнисажная установка НИАТ 833Д, предназначенная для расплавления и заливки тугоплавких и химически активных сплавов путем расплавления электрода готового химического состава, сбора расплава в тигле и слива в литейную форму. Во время плавки электрод имеет отрицательный электрический заряд, а гарнисажный тигель - положительный. Сила тока 12-17 кА, напряжение 34-40 B постоянного тока.
-2
-3
Емкость тигля 120 кг по титану. Диаметр электрода 280 мм. Электрическая мощность на луге 650 кВт. Разрежение в камере 1,33×10-5×10 мм рт.ст. Из практических данных по эксплуатации установки составлены программы проведения плавок в зависимости от силы тока при постоянном напряжении и вида шихты (количество отходов, используемых в качестве подкладки в тигель, одно из условий гарнисажной плавки). По программе плавки необходимое время ведения плавки в зависимости от общего веса наплавленного металла. Модифицирующий эффект достигается при введении модификатора за 1,5-2 минуты до слива металла в литейную форму.
Выполняем операции согласно поставленной задачи.
1. Способ ввода - закладка навески модификатора в расходуемый электрод.
2. Упаковка - фольга из сплава АД00 по ГОСТ 12592-67.
3. Вес модификатора 0,002-0,008% от общего веса плавки.
4. Схема расчета веса плавки и модификатора.
G кг сливной-G кг отходов=G кг с электрода
плавки
1
T мин-(1,5-2) мин=T, время расплавления электрода до места установки закладки.
плавки
1
T из программы плавки, определяем длину электрода, сплавляемого за время T,
для этого:
- определяем вес 1 см длины электрода
2
3.14×28×4,5=P Фэ=280 мм (для данной установки),
удельный вес сплава - 4,5 г/см
1
- количество металла, сплавляемого за время T
1
Rconstx T=G*кг,
см
см
где Rconst - величина, определяемая опытным путем для данной установки, таким образом, G*/Rconst=H, где H - расстояние от сплавляемого торца электрода до места закладки навески модификатора.
5. Отмечаем полученный размер на электроде. Производим сверловку электрода сверлом диаметром 20 мм на глубину равную половине диаметра электрода. В полученное отверстие закладываем навеску модификатора, завернутую в алюминиевую фольгу. На электроде выполняем сверловки для следующих плавок и отправляем электрод на приварку.
В результате проведенных экспериментов показано, что при содержании бора 0,002-0,008% выявляется мелкозернистая структура в разных толщинах отливки (с размером зерна 10-15 мкм) и с сохранением прочностных характеристик, в результате пластичность сплава увеличивайся до 30%. При содержании бора более 0,008% высока вероятность его расположения преимущественно по границам зерен, что снижает механические свойства.