RU2792907C1 - METHOD OF VACUUM ARC FINAL REMELTING OF TITANIUM ALLOY INGOTS OF Ti-10V-2Fe-3Al GRADE - Google Patents

Abstract

FIELD: electrometallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to vacuum arc remelting of highly reactive metals and alloys, and can be used in the smelting of titanium alloy ingots of Ti-10V-2Fe-3Al grade. Method includes preparing a cast consumable electrode for melting, an initial melting period consisting of the stage of heating the lower end of the consumable electrode and the stage of inducing a liquid metal bath, the main melting period consisting of the stage of transition to the operating current and the stage of the stationary mode of the operating current, and the end of the melting process - removal of the shrinkage shell. The stage of inducing a bath of liquid metal is carried out at an arc current strength of 1520 kA, while the stage of transition to the operating current is completed upon reaching the height of the deposited ingot of 300...400 mm with the height of the crystallized layer of the ingot of 150250 mm, and at the stage of the stationary mode of the operating current, the ingot is melted at an arc current of 7.47.6 kA with maintaining the arc gap in the interval of 513 mm.

EFFECT: invention allows to obtain the structure of the ingot with the absence of local chemical inhomogeneities -flecks at the bottom of the ingot.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к специальной электрометаллургии, а именно к вакуумному дуговому переплаву высокореакционных металлов и сплавов, и может быть использовано при выплавке слитков из титановых сплавов.The invention relates to special electrometallurgy, namely to vacuum arc remelting of highly reactive metals and alloys, and can be used in the smelting of ingots from titanium alloys.

В настоящее время в промышленности широко используется титановый сплав марки Ti-10V-2Fe-3Al. Сплав применяется для изготовления высоконагруженных деталей и узлов техники, например конструкций планера, пилонов, систем шасси и т.д.At present, Ti-10V-2Fe-3Al titanium alloy is widely used in industry. The alloy is used for the manufacture of highly loaded parts and components of equipment, such as airframe structures, pylons, landing gear systems, etc.

Известно, что для многих высоколегированных титановых сплавов, содержащих в своем составе элементы, склонные к ликвации, существует проблема образования в процессе вакуумно-дуговой выплавки слитков дефектов литейного происхождения - в частности ликвационных неоднородностей. В наибольшей степени склонны к ликвации эвтектоидообразующие β-стабилизаторы, в данном случае Fe, содержащееся в составе сплава. Проблема образования в слитке локальных химических неоднородностей, обогащенных β-стабилизаторами, возникает уже при относительно небольших концентрациях Fe. В зарубежной технической литературе указанные локальные химические неоднородности называют β-флеками. Вышеотмеченные дефекты могут приводить к отличию физико-механических свойств различных зон полуфабрикатов при деформации, что в результате может привести к разноструктурности как в макро-, так и в микромасштабе, т.е. в пределах отдельных зерен. Даже корректно выбранные режимы термомеханической и термической обработок не могут в полной мере уменьшить уровень макроликвации и обеспечить достаточно однородную структуру и механические свойства материала. В сечении слитка наибольшее количество β-флеков локализуется в зоне, находящейся в нижней (донной) части слитка на высоте 200…600 мм от донника.It is known that for many high-alloy titanium alloys containing in their composition elements prone to segregation, there is a problem of the formation of defects of foundry origin in the process of vacuum-arc melting of ingots - in particular, segregation inhomogeneities. Eutectoid-forming β-stabilizers, in this case, Fe, contained in the composition of the alloy, are most prone to segregation. The problem of the formation of local chemical inhomogeneities enriched with β-stabilizers in the ingot arises even at relatively low Fe concentrations. In foreign technical literature, these local chemical inhomogeneities are called β-flecks. The above defects can lead to a difference in the physical and mechanical properties of different zones of semi-finished products during deformation, which as a result can lead to different structures both on a macro- and microscale, i.e. within individual grains. Even correctly chosen modes of thermomechanical and heat treatment cannot fully reduce the level of macrosegregation and provide a sufficiently uniform structure and mechanical properties of the material. In the cross section of the ingot, the largest number of β-flecks is localized in the zone located in the lower (bottom) part of the ingot at a height of 200...600 mm from the sweet clover.

Появление указанных неоднородностей, прежде всего, связано с режимами окончательного переплава слитка. Для разработки оптимальной технологии вакуумного дугового переплава любого сплава необходимо устанавливать взаимосвязь между параметрами переплава, технологическими параметрами получаемого слитка сплава (ковкость, технологическая пластичность и т.п.) и возможными дефектами литой структуры. Поэтому вопросы выплавки качественных слитков из высоколегированного сплава Ti-10V-2Fe-3Al в условиях промышленного производства занимают одно из первых мест в перечне актуальных проблем материаловедения титана и сплавов на его основе.The appearance of these inhomogeneities is primarily associated with the modes of final remelting of the ingot. To develop an optimal technology for vacuum arc remelting of any alloy, it is necessary to establish the relationship between the remelting parameters, the technological parameters of the resulting alloy ingot (ductility, technological plasticity, etc.) and possible defects in the cast structure. Therefore, the issues of smelting high-quality ingots from a high-alloy Ti-10V-2Fe-3Al alloy under industrial production conditions occupy one of the first places in the list of topical problems in the materials science of titanium and alloys based on it.

Известен способ получения слитков, включающий подготовку прессованного расходуемого электрода к вакуумному дуговому переплаву, начальный период плавки - наведение ванны жидкого металла на поддоне, основной период плавки, окончание процесса плавления -выведение усадочной раковины, регулирование силы тока и величины дугового зазора, воздействием на зону плавления и кристаллизации магнитным полем, при этом после наведения ванны жидкого металла на поддоне высотой 150-200 мм объем жидкого металла на протяжении всего процесса плавления уменьшают за счет снижения силы тока дуги до 7-10 кА и уменьшения величины дугового зазора до 25-30 мм (Патент РФ №2191836, публ. 27.10.2002, МПК С22В 9/20).A known method for producing ingots, including the preparation of a pressed consumable electrode for vacuum arc remelting, the initial period of melting - inducing a bath of liquid metal on a pallet, the main melting period, the end of the melting process - removing the shrinkage cavity, regulating the current strength and the magnitude of the arc gap, affecting the melting zone and crystallization by a magnetic field, while after pointing the bath of liquid metal on a pallet with a height of 150-200 mm, the volume of liquid metal is reduced throughout the entire melting process by reducing the arc current to 7-10 kA and reducing the arc gap to 25-30 mm ( RF patent No. 2191836, published 10/27/2002, IPC S22V 9/20).

Данный способ используется для плавления прессованных расходуемых электродов и не обеспечивает получение слитков с хорошо проплавленной поверхностью. Кроме того, в указанном процессе переплава объем жидкой ванны непрерывно изменяется, что приводит к появлению ликвации. По этим причинам данный способ не пригоден для окончательного переплава слитков ликвационно чувствительных титановых сплавов.This method is used for melting extruded consumable electrodes and does not provide ingots with a well-melted surface. In addition, in said remelting process, the volume of the liquid bath continuously changes, resulting in segregation. For these reasons, this method is not suitable for the final remelting of ingots of segregation sensitive titanium alloys.

Известен способ получения слитков высоколегированных, преимущественно титановых, сплавов, включающий подготовку расходуемого электрода к, по крайней мере, двойному вакуумному дуговому переплаву с получением на первом переплаве литого расходуемого электрода, при этом в процессе первого переплава после наведения ванны жидкого металла объем его уменьшают на протяжении всего процесса плавления, а при окончательном переплаве расходуемого электрода наведение ванны жидкого металла Осуществляют на максимальном токе дуги на подложку с тепловым зазором 1-3 мм до получения слитка высотой (0,20-0,35)Д_к, где Д_к - диаметр кристаллизатора, мм, после чего литой расходуемый электрод плавят на минимально возможном токе дуги, который определяют по установленному выражению (Патент РФ №2244029, публ. 10.01.2005, МПК С22В 9/20).A method is known for producing ingots of high-alloyed, predominantly titanium, alloys, including preparing a consumable electrode for at least double vacuum arc remelting with obtaining a cast consumable electrode at the first remelting, while during the first remelting after inducing a bath of liquid metal, its volume is reduced over of the entire melting process, and at the final remelting of the consumable electrode, the liquid metal bath is directed at the maximum arc current to the substrate with a thermal gap of 1-3 mm until an ingot with a height of (0.20-0.35) D _to is obtained, where D _to is the diameter of the mold , mm, after which the cast consumable electrode is melted at the minimum possible arc current, which is determined by the established expression (RF Patent No. 2244029, publ. 10.01.2005, IPC S22V 9/20).

Недостатком известного способа является применение подложки, снижающей скорость охлаждения наплавляемого слитка на начальном этапе плавки, что приводит к увеличению степени неоднородности слитка, причем режимы плавки, используемые в прототипе, не позволяют гарантировать качество слитка в отношении отсутствия в нижней части слитка локальных химических неоднородностей - β-флеков.The disadvantage of this method is the use of a substrate that reduces the cooling rate of the deposited ingot at the initial stage of melting, which leads to an increase in the degree of heterogeneity of the ingot, and the melting modes used in the prototype do not allow guaranteeing the quality of the ingot in relation to the absence of local chemical inhomogeneities in the lower part of the ingot - β - flecks.

Задачей, на решение которой направлено изобретения, является разработка режимов окончательного вакуумного дугового переплава, позволяющих улучшить качество выплавляемых слитков.The problem to be solved by the invention is the development of modes of final vacuum arc remelting, allowing to improve the quality of melted ingots.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении изобретения, является получение структуры слитка с отсутствием локальных химических неоднородностей - β-флеков в нижней части слитка.The technical result achieved in the implementation of the invention is to obtain the structure of the ingot with the absence of local chemical inhomogeneities - β-flecks in the lower part of the ingot.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе вакуумного дугового окончательного переплава слитков из титанового сплава марки Ti-10V-2Fe-3Al, включающем подготовку литого расходуемого электрода к плавлению, начальный период плавления, состоящий из стадии прогрева нижнего торца расходуемого электрода и стадии наведения ванны жидкого металла, основной период плавления, состоящий из стадии перехода на рабочий ток и стадии стационарного режима рабочего тока, и окончание процесса плавления - выведение усадочной раковины, согласно изобретению стадию наведения ванны жидкого металла осуществляют при силе тока дуги 15…20 кА, при этом стадию перехода на рабочий ток завершают по достижению высоты наплавляемого слитка 300…400 мм с высотой закристаллизовавшегося слоя слитка 150…250 мм, а на стадии стационарного режима рабочего тока слиток плавят при величине силы тока дуги 7,4…7,6 кА с поддержанием дугового зазора в интервале 5…13 мм.The specified technical result is achieved by the fact that in the method of final vacuum arc remelting of titanium alloy ingots of the Ti-10V-2Fe-3Al grade, including preparation of the cast consumable electrode for melting, the initial melting period, consisting of the stage of heating the lower end of the consumable electrode and the stage of inducing the bath liquid metal, the main period of melting, consisting of the stage of transition to the working current and the stage of the stationary mode of the working current, and the end of the melting process - the removal of the shrinkage cavity, according to the invention, the stage of inducing a bath of liquid metal is carried out at an arc current strength of 15 ... 20 kA, while the stage the transition to the operating current is completed upon reaching the height of the deposited ingot of 300 ... 400 mm with the height of the crystallized layer of the ingot 150 ... 250 mm, and at the stage of the stationary mode of the operating current, the ingot is melted at an arc current of 7.4 ... 7.6 kA while maintaining the arc gap in the range of 5…13 mm.

Способ реализуется следующим образом.The method is implemented as follows.

Расходуемый электрод, являющийся слитком первого переплава, загружают в кристаллизатор вакуумной дуговой печи. После загрузки и центровки электрода осуществляют его присоединение к электрододержателю. Печь вакуумируют, включают источник питания. Задают величину силы тока и дугового зазора (межэлектродного промежутка) для зажигания дуги. В начальный период плавления после возбуждения дугового разряда между торцом расходуемого электрода и поддоном кристаллизатора осуществляют кратковременный прогрев нижнего торца электрода на малом токе. После чего значение силы тока поднимают до 15-20 кА и проводят наведение ванны жидкого металла. Указанный интервал силы тока обеспечивает стабильность процесса плавления и позволяет получить требуемую высоту слитка перед основным периодом. Основной период плавления включает две стадии: стадию перехода на рабочий ток и стадию стационарного режима рабочего тока. На стадии перехода осуществляют постепенное снижение значения силы тока дуги до 7,4-7,6 кА. Учитывая то, что при кристаллизации слитков из сплава марки Ti-10V-2Fe-3Al наиболее подвержена образованию β-флеков кристаллическая структура с равноосными неориентированными кристаллами, т.н. «равноосная» структура. В «равноосной» структуре степень вероятности появления β-флеков повышена за счет увеличения междендритных расстояний кристаллов. Поэтому для ограничения образования β-флеков в нижней части слитка предпочтительно получение структуры, образованной столбчатыми кристаллами, т.н. «столбчатой структуры», минимизирующей междендритные расстояния. «Столбчатая» структура образуется при плавлении в начальном периоде слитка, однако применение параметров известных способов при переходе от начального к основному периоду плавления приводит к получению в кристаллизующемся слитке структуры с равноосными кристаллами. Поэтому параметры основного периода плавления, определяемые экспериментальным путем, направлены на получение «столбчатой» структуры. Для этого стадию перехода к рабочему току дуги завершают при высоте наплавленного слитка 300…400 мм, причем высота закристаллизовавшегося слоя (по оси слитка) должна составлять 150…250 мм, а стадию стационарного режима рабочего тока ведут при силе токе дуги, составляющей 7,4-7,6 кА, что в совокупности позволяет снизить степень образования ликвационных дефектов в нижней части слитка. Кроме того, стадию стационарного режима рабочего тока осуществляют с поддержанием величины дугового зазора в интервале 5…13 мм, что стабилизирует горение дуги за счет уменьшения искривления линий тока и повышения симметричности растекания тока по лунке жидкого металла слитка. После завершения стадии стационарного режима рабочего тока переходят к окончанию процесса плавления - выведению усадочной раковины, постепенно снижают силу тока дуги и уменьшают дуговой зазор, затем плавку прекращают, осуществляют охлаждение слитка и выгрузку его из печи.The consumable electrode, which is an ingot of the first remelting, is loaded into the mold of a vacuum arc furnace. After loading and centering the electrode, it is connected to the electrode holder. The furnace is evacuated, the power source is turned on. Set the value of the current strength and arc gap (interelectrode gap) for ignition of the arc. In the initial period of melting after excitation of the arc discharge between the end face of the consumable electrode and the tray of the mold, a short-term heating of the lower end of the electrode is carried out at a low current. After that, the value of the current strength is raised to 15-20 kA and the liquid metal bath is guided. The specified range of current strength ensures the stability of the melting process and allows you to get the required height of the ingot before the main period. The main melting period includes two stages: the stage of transition to the operating current and the stage of the stationary mode of the operating current. At the transition stage, a gradual decrease in the value of the arc current is carried out to 7.4-7.6 kA. Taking into account the fact that during the crystallization of ingots from an alloy of the Ti-10V-2Fe-3Al grade, the crystal structure with equiaxed non-oriented crystals, the so-called. "equiaxed" structure. In the "equiaxed" structure, the degree of probability of the appearance of β-flecks is increased due to an increase in the interdendritic distances of the crystals. Therefore, to limit the formation of β-flecks in the lower part of the ingot, it is preferable to obtain a structure formed by columnar crystals, the so-called. "columnar structure" minimizing interdendritic distances. A "columnar" structure is formed during melting in the initial period of the ingot, however, the use of the parameters of known methods in the transition from the initial to the main melting period leads to the formation of a structure with equiaxed crystals in the crystallizing ingot. Therefore, the parameters of the main melting period, determined experimentally, are aimed at obtaining a "columnar" structure. To do this, the stage of transition to the working current of the arc is completed at a height of the deposited ingot of 300 ... 400 mm, and the height of the crystallized layer (along the axis of the ingot) should be 150 ... -7.6 kA, which together allows to reduce the degree of formation of segregation defects in the lower part of the ingot. In addition, the stage of the stationary mode of the operating current is carried out with maintaining the arc gap in the range of 5–13 mm, which stabilizes the arc burning by reducing the curvature of the current lines and increasing the symmetry of the current spreading along the hole of the liquid metal of the ingot. After the stage of the stationary mode of the operating current is completed, the melting process is completed - the shrinkage cavity is removed, the arc current is gradually reduced and the arc gap is reduced, then the melting is stopped, the ingot is cooled and it is unloaded from the furnace.

Изобретение поясняется чертежом. На фиг. 1 приведены параметры плавления электрода в качестве схемы диаграммы силы тока дуги (I, кА) в течение времени плавки (τ, мин). На диаграмме показаны интервалы режимов плавления: а - начальный период плавления, состоящий из а₁ - стадии прогрева торца расходуемого электрода и a₂ - стадии наведения ванны жидкого металла, б - основной период плавления, состоящий из б₁ - стадии перехода на рабочий ток и б₂ - стадии стационарного режима рабочего тока, в - окончание процесса плавления - режим выведения усадочной раковины.The invention is illustrated in the drawing. In FIG. 1 shows the melting parameters of the electrode as a diagram of the arc current strength (I, kA) during the melting time (τ, min). The diagram shows the intervals of melting modes: a - the initial melting period, consisting of a ₁ - the stage of heating the end of the consumable electrode and a ₂ - the stage of inducing a liquid metal bath, b - the main melting period, consisting of b ₁ - the stage of transition to the operating current and b ₂ - stages of the stationary mode of the operating current, c - the end of the melting process - the mode of removing the shrinkage cavity.

Промышленная применимость изобретения подтверждается примером конкретного его выполнения.The industrial applicability of the invention is confirmed by an example of its specific implementation.

Для изготовления штампованных полуфабрикатов осуществляли выплавку слитка из титанового сплава Ti-10V-2Fe-3Al и массой 5000 кг методом двойного вакуумно-дугового переплава. Прессованный расходуемый электрод подвергали первому переплаву с получением литого расходуемого электрода диаметром 705 мм. Окончательный (второй) переплав проводили в вакуумной дуговой электрической печи ДТВ-8,7-Г10. Литой электрод загружали в кристаллизатор диаметром 770 мм и устанавливали в электрододержатель. Печь вакуумировали, включали источник питания. В начальном периоде плавления зажигали дугу и выполняли прогрев нижнего торца электрода на требуемом токе в течение заданного времени. После этого ток увеличили до 15…20 кА и наводили ванну жидкого металла. Далее, в основном периоде плавления, на стадии перехода к рабочему току, силу тока дуги снижали по разработанному алгоритму до рабочей величины 7,6 кА. При окончании стадии перехода на рабочий ток высота наплавленного слитка составила 365 мм, а расчетная высота закристаллизовавшегося слоя - 210 мм. Далее осуществляли стадию стационарного режима рабочего тока. Силу тока на указанной стадии поддерживали в интервале 7,5…7,6 кА, дуговой зазор - в интервале 5…13 мм. После 23 часов плавления на стадии стационарного режима рабочего тока перешли на режим выведения усадочной раковины. Дуговой зазор поддерживали 5…9 мм. Печь отключили при силе тока дуги 1,5 кА. Слиток охлаждали с печью в вакууме с последующим охлаждением в гелии. Был получен слиток требуемого качества с хорошо проплавленной поверхностью, с отсутствием β-флеков в нижней части слитка. Химический состав слитка соответствовал требованиям нормативной документации.For the manufacture of forged semi-finished products, an ingot was smelted from a titanium alloy Ti-10V-2Fe-3Al and weighing 5000 kg using the double vacuum-arc remelting method. The extruded consumable electrode was subjected to a first remelting to obtain a cast consumable electrode with a diameter of 705 mm. The final (second) remelting was carried out in a DTV-8.7-G10 vacuum electric arc furnace. The cast electrode was loaded into a mold with a diameter of 770 mm and installed in the electrode holder. The furnace was evacuated, the power source was turned on. In the initial period of melting, the arc was ignited and the lower end of the electrode was heated at the required current for a specified time. After that, the current was increased to 15...20 kA and a liquid metal bath was induced. Further, in the main melting period, at the stage of transition to the operating current, the arc current was reduced according to the developed algorithm to a working value of 7.6 kA. At the end of the stage of transition to the operating current, the height of the deposited ingot was 365 mm, and the calculated height of the crystallized layer was 210 mm. Next, the stage of the stationary mode of the operating current was carried out. The current strength at this stage was maintained in the range of 7.5...7.6 kA, the arc gap was in the range of 5...13 mm. After 23 hours of melting at the stage of the stationary mode of the operating current, they switched to the mode of removing the shrinkage cavity. The arc gap was maintained at 5–9 mm. The furnace was turned off at an arc current of 1.5 kA. The ingot was cooled with a furnace in vacuum, followed by cooling in helium. An ingot of the required quality was obtained with a well-melted surface, with no β-flecks in the lower part of the ingot. The chemical composition of the ingot met the requirements of regulatory documentation.

Таким образом, предлагаемый способ, по сравнению с известными, позволяет осуществлять повысить качество слитков из титанового сплава марки Ti-10V-2Fe-3Al за счет отсутствия формирования β-флеков в нижней части слитка.Thus, the proposed method, in comparison with the known ones, makes it possible to improve the quality of titanium alloy ingots of the Ti-10V-2Fe-3Al grade due to the absence of the formation of β-flecks in the lower part of the ingot.

Claims (1)

Способ вакуумного дугового окончательного переплава слитков из титанового сплава марки Ti-10V-2Fe-3Al, включающий подготовку литого расходуемого электрода к плавлению, начальный период плавления, состоящий из стадии прогрева нижнего торца расходуемого электрода и стадии наведения ванны жидкого металла, основной период плавления, состоящий из стадии перехода на рабочий ток и стадии стационарного режима рабочего тока, и окончание процесса плавления - выведение усадочной раковины, отличающийся тем, что стадию наведения ванны жидкого металла осуществляют при силе тока дуги 15…20 кА, при этом стадию перехода на рабочий ток завершают по достижении высоты наплавляемого слитка 300...400 мм с высотой закристаллизовавшегося слоя слитка 150…250 мм, а на стадии стационарного режима рабочего тока слиток плавят при величине силы тока дуги 7,4…7,6 кА с поддержанием дугового зазора в интервале 5…13 мм.Method for final vacuum arc remelting of titanium alloy ingots of grade Ti-10V-2Fe-3Al, including preparation of a cast consumable electrode for melting, initial melting period, consisting of the stage of heating the lower end of the consumable electrode and the stage of inducing a liquid metal bath, the main melting period, consisting from the stage of transition to the working current and the stage of the stationary mode of the working current, and the end of the melting process - the removal of the shrinkage cavity, characterized in that the stage of inducing a bath of liquid metal is carried out at an arc current strength of 15 ... 20 kA, while the stage of transition to the working current is completed by reaching the height of the deposited ingot of 300...400 mm with the height of the crystallized layer of the ingot 150...250 mm, and at the stage of the stationary mode of the operating current, the ingot is melted at an arc current of 7.4...7.6 kA while maintaining the arc gap in the range of 5... 13 mm.

Images