СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СЛИТКОВ ИЗ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО СОЕДИНЕНИЯ НА ОСНОВЕ ТИТАНА
METHOD FOR MANUFACTURING INGOTS FROM A TITANIUM-BASED METAL COMPOUND

Предпосылки изобретения
Настоящее изобретение относится к общей области изготовления слитков из металлического соединения на основе титана, такого как сплавы или интерметаллические соединения, в частности, для изготовления деталей для летательного аппарата.
Слитки из сплава на основе титана или интерметаллического соединения на основе титана, как правило, изготавливают расплавлением фрагментов исходного материала в различных ваннах, затем жидкий металл выливают в кристаллизатор для охлаждения и затвердевания металла с образованием слитков.
Однако способ традиционного изготовления титановых слитков может приводить к проблеме снижения механических свойств полученного слитка относительно желательных механических свойств.
Цель и сущность изобретения
Поэтому основная цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы преодолеть такой недостаток, предложив, согласно первому аспекту изобретения, способ изготовления слитка из металлического соединения на основе титана, включающий следующие этапы:
- обеспечение фрагментов исходного материала;
- плавление фрагментов исходного материала с образованием жидкого металла в по меньшей мере одной ванне;
- выдерживание в расплавленном состоянии жидкого металла в упомянутой по меньшей мере одной ванне;
- выливание жидкого металла из по меньшей мере одной ванны в кристаллизатор переливом из упомянутой по меньшей мере одной ванны в упомянутый кристаллизатор;
- формирование слитка охлаждением жидкого металла в кристаллизаторе;
отличающийся тем, что способ включает следующий этап:
- предварительный нагрев фрагментов исходного материала перед плавлением упомянутых фрагментов исходного материала с температурой предварительного нагрева, большей или равной 75% температуры ликвидуса упомянутых фрагментов исходного материала, причем упомянутая температура предварительного нагрева является строго меньшей, чем упомянутая температура ликвидуса.
Такой этап предварительного нагрева фрагментов исходного материала позволяет улучшить однородность металла в ванне, в частности, за счет снижения присутствия в ванне нерасплавленного материала.
В дополнение, такой предварительный нагрев позволяет уменьшить снижение температуры в ванне, когда вновь расплавляемый металл попадает в упомянутую ванну, тем самым повышая однородность за счет способствования растворению нерасплавленного материала в ванне и увеличивая скорость плавления металлического соединения, обеспечивая возможность повышения производительности.
В дополнение, такой предварительный нагрев позволяет уменьшить термический удар, испытываемый исходными материалами во время этапа плавления, тем самым сокращая отходящие газы из исходных материалов. Эти отходящие газы могут вызывать реакции, которые способны создавать включения, причем эти включения ухудшают механические свойства слитков. Обусловленные отходящими газами реакции также могут давать элементы, которые осаждаются на кристаллизаторе, тем самым ухудшая механические свойства слитков. Кроме того, термический удар по исходным материалам содействует образованию наростов мелких твердых частиц исходного материала, которые могут отлагаться далее в ванне и поэтому не успевать растворяться, повышая опасность того, что в кристаллизаторе будут оставаться нерасплавленные частицы и снижать механические свойства слитков.
Такой этап предварительного нагрева является особенно полезным для изготовления слитков из металлического соединения на основе титана, поскольку эти металлические соединения имеют высокую температуру плавления (титан имеет температуру плавления 1668°С), и металлические соединения на основе титана обладают более высоким риском присутствия нерасплавленных частиц металла во время формирования слитка.
Способ может включать следующие характеристики, по отдельности или в комбинации, в зависимости от технических возможностей:
- температура предварительного нагрева больше или равна температуре солидуса фрагментов исходного материала;
- температура предварительного нагрева больше или равна 93% температуры ликвидуса;
- металлическое соединение на основе титана содержит по меньшей мере один элемент, имеющий более высокую температуру плавления, чем температура плавления титана;
- предварительный нагрев фрагментов исходного материала проводят посредством индукции;
- индукционный предварительный нагрев фрагментов исходного материала выполняют с возможностью обеспечения левитации упомянутых фрагментов исходного материала;
- предварительный нагрев фрагментов исходного материала проводят с помощью генератора нагревающего пучка;
- способ включает этап контроля ориентации генератора нагревающего пучка;
- способ включает следующие этапы:
• плавление фрагментов исходного материала с образованием жидкого металла в первой ванне;
• выдерживание в расплавленном состоянии жидкого металла в первой ванне;
• выливание жидкого металла из первой ванны во вторую ванну переливом из упомянутой первой ванны в упомянутую вторую ванну;
• выдерживание в расплавленном состоянии жидкого металла во второй ванне;
• выливание жидкого металла из второй ванны в кристаллизатор переливом из упомянутой второй ванны в упомянутый кристаллизатор.
Согласно второму аспекту, изобретение предлагает систему для изготовления слитка из металлического соединения на основе титана, включающую в себя:
- по меньшей мере одну ванну, которая выполнена с возможностью приема жидкого металла;
- конвейер, который выполнен с возможностью подачи фрагментов исходного материала в упомянутую по меньшей мере одну ванну;
- кристаллизатор, который питается переливом из упомянутой по меньшей мере одной ванны и который выполнен с возможностью охлаждения и затвердевания жидкого металла;
- средства нагрева, которые размещены напротив по меньшей мере одной ванны и кристаллизатора и которые выполнены с возможностью нагревания и расплавления фрагментов исходного материала в упомянутой по меньшей мере одной ванне и в упомянутом кристаллизаторе;
отличающуюся тем, что система содержит устройство предварительного нагрева, которое выполнено с возможностью нагревания на конвейере фрагментов исходного материала с температурой предварительного нагрева, большей или равной 75% температуры ликвидуса упомянутых фрагментов исходного материала и строго меньшей температуры ликвидуса упомянутых фрагментов исходного материала.
Система может содержать следующие характеристики, по отдельности или в комбинации, в зависимости от технических возможностей:
- устройство предварительного нагрева содержит генератор нагревающего пучка;
- система содержит устройство получения изображений и устройство анализа изображений, причем упомянутое устройство получения изображений выполнено с возможностью получения изображений предварительного нагрева фрагментов исходного материала генератором нагревающего пучка, а упомянутое устройство анализа изображений выполнено с возможностью контроля ориентации генератора нагревающего пучка по изображениям, полученным упомянутым устройством получения изображений;
- устройство предварительного нагрева содержит устройство индукционного предварительного нагрева;
- устройство индукционного предварительного нагрева выполнено с возможностью обеспечения левитации фрагментов исходного материала.
Краткое описание чертежей
Прочие характеристики и преимущества настоящего изобретения будут выявляться из приведенного ниже описания, со ссылкой на сопроводительные чертежи, которые иллюстрируют пример его осуществления, не носящий ограничительного характера. На фигурах:
- фигура 1 схематически представляет систему для изготовления слитка из металлического соединения на основе титана согласно одному варианту осуществления изобретения;
- фигура 2 представляет первый вариант реализации устройства предварительного нагрева системы для изготовления слитка;
- фигура 3 представляет второй вариант реализации устройства предварительного нагрева;
- фигура 4 представляет схематический вид различных этапов способа изготовления слитка из металлического соединения на основе титана согласно одному варианту осуществления изобретения;
- фигура 5 представляет схематический вид различных этапов способа изготовления, осуществляемого с вариантом системы для изготовления по фигуре 1.
Подробное описание изобретения
Как проиллюстрировано на фигуре 1, система 1 для изготовления слитка 2 из металлического соединения на основе титана включает в себя конвейер 11, на котором транспортируются фрагменты 3 исходного материала. Например, конвейер 11 может быть выполнен в виде вибрационного стола, толкающего цилиндра, ленточного конвейера или шнека.
Фрагменты 3 исходного материала могут представлять собой лигатуры, фрагменты повторного используемых материалов (ломов) или свежий исходный материал сплава на основе титана или интерметаллического соединения на основе титана. Как правило, фрагменты 3 исходного материала могут быть образованы блоками частиц, таких как опилки, которые агломерированы и уплотнены прессованием, причем эти блоки имеют длину, составляющую, например, между 20 см и 50 см.
Под металлическим соединением на основе титана здесь понимают либо сплав на основе титана, то есть сплав, основным компонентом которого является титан, либо интерметаллическое соединение на основе титана, то есть интерметаллическое соединение, основным компонентом которого является титан. Сплав представляет собой сочетание различных металлов, в то время как интерметаллическое соединение представляет собой сочетание по меньшей мере одного металла с по меньшей мере одним металлоидом.
Например, металлическое соединение может представлять собой сплав, выбранный из следующих сплавов: Ti17, TiBeta16, Ti21S, Ti6242 и Ti6246; или интерметаллическое соединение из следующих интерметаллических соединений: TiAl 48-2-2 и TiNMB1. Приведенные примеры не являются ограничивающими, и могут быть применены другие сплавы или интерметаллические соединения на основе титана.
Система 1 включает в себя по меньшей мере одну ванну, в которой расплавляют фрагменты 3 исходного материала. В примере реализации, проиллюстрированном на фигуре 1, система 1 включает в себя первую ванну 12 и вторую ванну 13, размещенную ниже по потоку относительно упомянутой первой ванны 12. Однако число ванн может быть бóльшим, а значит, система 1 может включать, например, три или четыре ванны, или меньшим, то есть система 1 может включать единственную ванну.
Первая ванна 12 и вторая ванна 13 принимают жидкий металл 4, полученный плавлением фрагментов 3 исходного материала.
Первая ванна 12 и вторая ванна 13 образованы, с одной стороны, стенкой, которая принимает жидкий металл 4, причем упомянутая стенка выполнена, например, из меди, и, с другой стороны, устройством охлаждения, которое позволяет поддерживать стенку при температуре ниже температуры ее разрушения, причем упомянутое устройство охлаждения обычно выполнено с контуром циркуляции охлаждающей жидкости.
Фрагменты 3 исходного материала расплавляют в первой ванне, затем жидкий металл 4, полученный плавлением упомянутых фрагментов 3 исходного материала, переносят во вторую ванну 13.
Плавление фрагментов 3 исходного материала проводят средствами 14 нагрева, которые размещены напротив первой ванны 12 и второй ванны 13.
Средства 14 нагрева могут быть образованы, например, плазменными факелами (плазмотронами), электронными пушками, генераторами электрической дуги, лазерными генераторами или средствами индукционного нагрева.
В дополнение, средства 14 нагрева предназначены для поддерживания жидкого металла 4 в расплавленном состоянии в первой и второй ваннах 12 и 13, чтобы перевести жидкий металл 4 в желательное металлургическое состояние.
Атмосфера, в которой находятся первая ванна 12 и вторая ванна 13, может быть контролируемой. Чтобы жидкий металл 4 не реагировал с атмосферой, контролируемая атмосфера может быть реализована, например, атмосферой вакуума или атмосферой инертного газа при регулируемом давлении. Согласно еще одному возможному варианту, контролируемую атмосферу создают специальным газом при регулируемом давлении, причем упомянутый специальный газ приспособлен для реагирования с жидким металлом 4, чтобы насыщать упомянутый жидкий металл 4, а значит и металлическое соединение слитка 2, упомянутым специальным газом.
Первая ванна 12 и вторая ванна 13 также могут подвергаться воздействию неконтролируемой атмосферы.
Как проиллюстрировано на фигуре 1, система 1 включает в себя кристаллизатор 15, в который выливают жидкий металл 4 из второй ванны 13 для того, чтобы охладить упомянутый жидкий металл 4, кристаллизовать его и тем самым сформировать фронт 5 продвижения твердого металла, которому придают форму для формирования слитка 2 полунепрерывным литьем.
Чтобы охладить жидкий металл 4, который вылит в кристаллизатор 15, упомянутый кристаллизатор 15 включает в себя контур охлаждения, который охлаждает стенки упомянутого кристаллизатора 15. Стенки кристаллизатора 15, которые охлаждаются контуром охлаждения, выполнены из материала с высокой теплопроводностью, например, из меди или медного сплава.
Более того, как можно видеть на фигуре 1, средства 14 нагрева также размещены напротив кристаллизатора 15 и предназначены для поддерживания жидкого металла 4 в расплавленном состоянии в верхней части кристаллизатора 15.
Жидкий металл 4 переносят из первой ванны 12 во вторую ванну 13, а из второй ванны 13 в кристаллизатор 15 переливом. Другими словами, вторую ванну 13 питают жидким металлом 4 переливом из первой ванны 12 в упомянутую вторую ванну, а кристаллизатор 15 питают жидким металлом 4 переливом из второй ванны 13 в упомянутый кристаллизатор 15, или, иначе говоря, жидкий металл 4 подают во вторую ванну 13 переливом в нее из первой ванны 12 и подают в кристаллизатор 15 переливом в него из второй ванны 13. Такая характеристика позволяет ограничить риск того, что нерасплавленные частицы металла попадут в кристаллизатор 15, что могло бы снизить механические свойства слитка 2. Действительно, все еще твердый металл склонен опускаться на дно первой ванны 12 и второй ванны 13.
Чтобы улучшить механические характеристики слитка 2 из металлического соединения на основе титана, система 1 включает в себя устройство 16 предварительного нагрева (подогрева), которое размещено напротив конвейера 11 и которое выполнено с возможностью предварительного нагревания фрагментов 3 исходного материала перед тем, как упомянутые фрагменты 3 исходного материала будут расплавлены в первой ванне 12.
Устройство 16 предварительного нагрева предназначено для нагревания фрагментов 3 исходного материала до температуры предварительного нагрева, которая больше или равна 75% температуры ликвидуса упомянутых фрагментов 3 исходного материала и которая строго меньше, чем температура ликвидуса упомянутых фрагментов 3 исходного материала.
Такая температура предварительного нагрева позволяет снизить температурный градиент на входе в первую ванну 12. Это позволят облегчить расплавление фрагментов 3 исходного материала, что сокращает присутствие нерасплавленных частиц металла в первой и второй ваннах 12 и 13, тем самым ограничивая опасность того, что эти нерасплавленные частицы металла попадут в кристаллизатор 15.
Предварительный нагрев согласно изобретению позволяет, в частности, сократить присутствие мелких нерасплавленных частиц металла благодаря облегчению плавления этих частиц, причем мелкие частицы более склонны не опускаться на дно первой и второй ванн 12 и 13 и поэтому переливаться с жидким металлом 4 в кристаллизатор 15.
Кроме того, такая температура предварительного нагрева позволяет снизить термический удар, испытываемый фрагментами 3 исходного материала, когда они попадают в первую ванну 12. Снижение термического удара позволяет уменьшить количество отходящих газов, ограничивая тем самым реакции, обусловленные этими отходящими газами, которые вполне способны давать нежелательные элементы в металлическом соединении, ухудшая механические свойств слитка.
Предпочтительным образом, температура предварительного нагрева является более высокой, чем температура солидуса металлического соединения, или равной ей, что позволяет дополнительно ускорить растворение твердых частиц металла в первой и второй ваннах 12 и 13 и позволяет снизить термический удар. Температура предварительного нагрева всегда строго меньше, чем температура ликвидуса сплава.
Таким образом, фрагменты 3 исходного материала частично расплавляются, поскольку они находятся при температуре выше температуры солидуса, но строго ниже температуры ликвидуса металлического соединения.
Еще более предпочтительно, температура предварительного нагрева больше или равна 93% температуры ликвидуса сплава, обеспечивая возможность дополнительного ускорения растворения твердых частиц металла и дополнительного снижения разности температур, испытываемой фрагментами 3 исходного материала. При этом, опять же, температура предварительного нагрева строго меньше, чем температура ликвидуса сплава.
Изобретение является особенно полезным для тех металлических соединений на основе титана, которые содержат элементы, имеющие более высокую температуру плавления, чем температура плавления титана, такие как, например, молибден, ванадий или тантал. Действительно, присутствующие в металлическом соединении элементы, которые имеют более высокую температуру плавления, чем температура плавления титана, такие как, например, молибден, ванадий или тантал, представляют собой элементы, которые склонны образовывать нерасплавленные частицы в жидком металле 4, которые могут достигать кристаллизатора 15.
Согласно первому возможному варианту, проиллюстрированному на фигуре 2, устройство 16 предварительного нагрева включает в себя устройство 16а индукционного предварительного нагрева. Устройство 16а индукционного предварительного нагрева может быть образовано соленоидом, как проиллюстрировано на фигуре 2, или индукционной плитой, параллельной конвейеру 11.
Согласно одной выгодной характеристике, позволяющей ограничить загрязнение фрагментов 3 исходного материала из-за контакта с конвейером 11, устройство 16а индукционного предварительного нагрева выполнено с возможностью обеспечивать левитацию упомянутых фрагментов 3 исходного материала над конвейером 11.
Конфигурацию устройства 16а индукционного предварительного нагрева для обеспечения постепенного повышения температуры и левитации фрагментов исходного материала создают, адаптируя силу и частоту электрического тока, проходящего через упомянутое устройство 16а индукционного предварительного нагрева.
Согласно второму варианту реализации, проиллюстрированному на фигуре 3, устройство 16 предварительного нагрева включает в себя генератор 16b нагревающего пучка F, такой как, например, источник света, генератор электронного пучка, плазмотрон, или же лазерный генератор.
Преимущественным образом, чтобы повысить эффективность предварительного нагрева фрагментов 3 исходного материала, устройство предварительного нагрева включает в себя устройство 16с получения изображений, такое как, например, камера, и устройство 16d анализа изображений, такое как, например, процессор и запоминающее устройство, в котором записана программа обработки изображений. Устройство 16с получения изображений предназначено для получения изображений предварительного нагрева фрагментов 3 исходного материала генератором 16b нагревающего пучка F.
Устройство 16с получения изображений также предназначено для передачи полученных изображений в устройство 16d анализа изображений. Устройство 16d анализа изображений, со своей стороны, предназначено для анализа изображений, переданных устройством 16с получения изображений, и для контроля ориентации генератора 16b нагревающего пучка F с проверкой того, действительно ли нагревающий пучок F направлен в сторону фрагментов 3 исходного материала, а не направлен мимо упомянутых фрагментов 3 исходного материала, непосредственно на конвейер 11.
Когда устройство 16d анализа изображений обнаруживает, что нагревающий пучок F не направлен должным образом, упомянутое устройство 16d анализа изображений может выдавать сигнал тревоги, чтобы оператор или автоматика скорректировали ориентацию генератора 16b нагревающего пучка F. Устройство 16d анализа изображений также может быть предназначено для управления ориентацией генератора 16b нагревающего пучка F так, что, когда упомянутое устройство 16d анализа изображений обнаруживает, что нагревающий пучок F направлен неправильно, упомянутое устройство 16d анализа изображений автоматически корректирует ориентацию упомянутого генератора 16b нагревающего пучка F.
Система 1 для изготовления слитка 2 из металлического соединения на основе титана предназначена для осуществления способа изготовления, проиллюстрированного на фигуре 4.
Как проиллюстрировано на фигуре 4, способ изготовления слитка 2 включает следующие этапы:
- Е1: обеспечение фрагментов 3 исходного материала. Этот этап Е1 осуществляют с помощью конвейера 11.
- Е2: предварительный нагрев фрагментов 3 исходного материала с температурой предварительного нагрева, большей или равной 75% температуры ликвидуса упомянутых фрагментов 3 исходного материала и строго меньшей температуры ликвидуса упомянутых фрагментов 3 исходного материала. Этап Е2 предварительного нагрева осуществляют с помощью устройства 16 предварительного нагрева.
- Е3: плавление фрагментов 3 исходного материала с образованием жидкого металла 4 в по меньшей мере одной ванне. Этот этап плавления осуществляют после этапа Е2 предварительного нагрева. Этот этап Е3 плавления осуществляют с помощью средств 14 нагрева.
- Е4: выдерживание в расплавленном состоянии жидкого металла 4 в упомянутой по меньшей мере одной ванне. Этот этап выдерживания в расплавленном состоянии позволяет перевести жидкий металл 4 в желательное металлургическое состояние, а также позволяет обеспечить хорошее растворение нерасплавленных частиц металла. Этот этап Е4 выдерживания в расплавленном состоянии осуществляют с помощью средств 14 нагрева.
- Е5: выливание жидкого металла 4 из по меньшей мере одной ванны в кристаллизатор 15 переливом из упомянутой по меньшей мере одной ванны в упомянутый кристаллизатор 15.
- Е6: формирование слитка 2 охлаждением жидкого металла 4 в кристаллизаторе 15.
При варианте реализации системы 1, проиллюстрированном на фигуре 1, способ включает следующие этапы, как проиллюстрировано на фигуре 5:
- Е31: плавление фрагментов 3 исходного материала с образованием жидкого металла 4 в первой ванне 12. Этот этап Е31 плавления в первой ванне 12 представляет собой вариант этапа Е3 плавления в по меньшей мере одной ванне.
- Е41: выдерживание в расплавленном состоянии жидкого металла 4 в первой ванне 12. Этот этап Е41 выдерживания в расплавленном состоянии в первой ванне 12 представляет собой вариант этапа Е4 выдерживания в расплавленном состоянии в по меньшей мере одной ванне.
- Е5’: выливание жидкого металла 4 из первой ванны 12 во вторую ванну 13 переливом из упомянутой первой ванны 12 в упомянутую вторую ванну 13.
- Е42: выдерживание в расплавленном состоянии жидкого металла 4 во второй ванне 13. Этот этап Е42 выдерживания в расплавленном состоянии во второй ванне 13 представляет собой вариант этапа Е4 выдерживания в расплавленном состоянии в по меньшей мере одной ванне.
- Е51: выливание жидкого металла 4 из второй ванны 13 в кристаллизатор 15 переливом из упомянутой второй ванны 13 в упомянутый кристаллизатор 15. Этот этап Е51 выливания в кристаллизатор 15 переливом из второй ванны 13 представляет собой вариант этапа Е5 выливания в кристаллизатор 15 переливом из по меньшей мере одной ванны.
Кроме того, когда предварительный нагрев фрагментов 3 исходного материала осуществляют с помощью генератора 16b нагревающего пучка F, способ изготовления слитка 2 из металлического соединения на основе титана может включать этап контроля ориентации нагревающего пучка F, осуществляемый во время этапа Е2 предварительного нагрева фрагментов 3 исходного материала. Этот этап контроля ориентации нагревающего пучка F осуществляют с помощью устройства 16d анализа изображений по изображениям, полученным устройством 16с получения изображений.