ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА», Верхняя Салда, Россия:

М. О. Ледер, директор по науке и технологии
А. В. Горина, инженер-исследователь 2-й категории
М. А. Корнилова, инженер-исследователь 1-й категории
Е. Н. Кондрашов, консультант, эл. почта: ken060776@rambler.ru

В работе рассматривается методика определения некоторых теплофизических свойств титановых сплавов и параметров граничных условий при вакуумном дуговом переплаве. Методика базируется на моделировании процесса затвердевания и сравнении результатов расчета с экспериментально измеренными профилями жидкой ванны в слитке. Таким образом, методику можно разделить на две составляющие: экспериментальную и расчетную. Экспериментальная составляющая позволяет выявлять контуры жидкой ванны в затвердевших слитках в различные моменты времени без использования каких-либо маркеров (например, введения посторонних примесей (медь, никель)). В общем случае экспериментальная часть включает: выплавку слитка, вырезку диаметрального продольного темплета, его прокатку, термообработку, механическую обработку, травление и измерение координат профилей жидкой ванны, которые отождествляются с изотермами ликвидуса. Расчетная составляющая основана на решении обратной задачи теплопроводности для затвердевающего слитка. Для этого с помощью математической модели процесса вакуумного дугового переплава вычисляют расчетные координаты изотермы ликвидуса. Неизвестные параметры, заложенные в математическую модель процесса затвердевания, определяют минимизацией отклонений расчетных координат изотермы ликвидуса от измеренных экспериментально. Проведена апробация методики для трех титановых сплавов (Ti – 10 V – 2 Fe – 3 Al, Ti – 5 Cr и Ti – 3 Fe). Для сплавов Ti – 10 V – 2 Fe – 3 Al и Ti – 5 Cr профили ванны видны непосредственно на литой структуре, а для сплава Ti – 3 Fe необходимо проводить дополнительную термомеханическую обработку. С помощью методики определены теплофизические параметры жидкой фазы: удельная теплоемкость, теплопроводность, удельная теплота плавления и коэффициенты граничных условий для вакуумного дугового переплава: максимальный перегрев над температурой ликвидуса и параметр, определяющий относительный вклад излучения в общий теплоотвод от слитка. Результаты численных расчетов профилей жидкой ванны в различные моменты времени хорошо согласуются с полученными в представленной работе экспериментальными данными для сплава Ti – 10 V – 2 Fe – 3 Al и для сплавов Ti – 5 Cr и Ti – 3 Fe, полученными авторами ранее.

Авторы благодарят рецензента за ценные замечания, которые способствовали улучшению статьи. Также авторы благодарят Е. С. Мовчан и О. Н. Острикову за качественно подготовленные фотографии макроструктуры слитков и П. Н. Кондрашова (ИФиП УрО РАН) за критические замечания.

Также в работе принимали участие Н. Ю. Таренкова, В. В. Долматов, Е. В. Долматов и А. В. Скидан.

1. Mills K. C., Lee P. D. Thermophysical Property Requirements for Modelling of High Temperature Processes // 1^st International Symposium on Microgravity Research and Applications in Physical Sciences and Biotechnology. European Space Agency. 2000. P. 555–563.
2. Egry I., Holland-Moritz D., Novakovic R., Ricci E., Wunderlich R., Sobczak N. Thermophysical Properties of Liquid AlTi-Based Alloys // International Journal of Thermophysics. 2010. Vol. 31. No. 4/5. P. 949–965.
3. Sanders P. G., Thompson M. O., Renk T. J., Aziz M. J. Liquid Titanium Solute Diffusion Measured by Pulsed Ion-Beam Melting // Metallurgical and Materials Transactions: A. 2001. Vol. 32. P. 2969–2974.
4. Cai J., Yang Y., Liao L., Lyu G. Material Spectral Emissivity Measurement Based on Two Reference Blackbodies // International Journal of Thermophysics. September, 2015. P. 1–9.
5. Monde M., Kosaka M., Mitsutake Y. Simple measurement of thermal diffusivity and thermal conductivity using inverse solution for onedimensional heat conduction // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2010. Vol. 53, No. 23/24. P. 5343–5349.
6. Mills K. C. Recommended Values of Thermophysical Properties for Selected Commercial Alloys. — Cambridge : Woodhead Publishing Limited, 2002. — 246 p.
7. Boivineau M., Cagran C., Doytier D., Eyraud V., Nadal M.-H., Wilthan B., Pottlacher G. Thermophysical Properties of Solid and Liquid Ti – 6Al – 4V (TA6V) Alloy // International Journal of Thermophysics. 2006. Vol. 27, No. 2. P. 507–529.
8. Veiga C., Davim J. P., Loureiro A. J. R. Properties and applications of titanium alloys // Rev. Adv. Mater. Sci. 2012. Vol. 32. P. 133–148.
9. Ou J., Cockcroft S. L., Maijer D. M., Yao L., Reilly C., Akhtar A. An examination of the factors influencing the melting of solid titanium in liquid titanium // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2015. Vol. 86. P. 221–233.
10. Singh B. P., Kumar J., Jha I. S., Adhikari D. Concentration Dependence of Thermodynamic Properties of NaPb Liquid Alloy // World Journal of Condensed Matter Physics. 2011. Vol. 1, No. 3. P. 97–100.
11. Kondrashov E. N., Musatov M. I., Maksimov A. Yu., Goncharov A. E., Konovalov L. V. Calculation of the Molten Pool Depth in Vacuum Arc Remelting of Alloy VT3-1 // Journal of Engineering Thermophysics. 2007. Vol. 16, No. 1. P. 19–25.
12. Кондрашов Е. Н., Таренкова Н. Ю., Максимов А. Ю., Федоров Н. С., Коновалов Л. В. Корректировка значений теплофизических свойств титановых сплавов из анализа профилей жидкой ванны // Цветные металлы. 2008. № 12. С. 68–71.
13. Drezet J.-M., Rappaz M., Grün G.-U., Gremaud M. Determination of Thermophysical Properties and Boundary Conditions of Direct Chill-Cast Aluminum Alloys Using Inverse Methods // Metallurgical and Materials Transactions: A. 2000. Vol. 31. P. 1627–1634.
14. Бек Дж., Блакуэлл Б., Сэнт-Клер Ч. (мл). Некорректные обратные задачи теплопроводности. — М. : Мир, 1989. — 312 с.
15. Япарова Н. М. Численное моделирование решений обратной граничной задачи теплопроводности // Вестник ЮУрГУ. Серия «Математическое моделирование и программирование». 2013. Т. 6, № 3. С. 112–124.
16. Кондрашов П. Н., Кондрашов Е. Н. Конвективная теплопередача при вакуумном дуговом переплаве сплава Ti – 6 Al – 4 V в атмосфере гелия // Электрометаллургия. 2014. № 8. С. 31–35.