Методика определения теплофизических свойств титановых сплавов и параметров граничных условий для процесса вакуумного дугового переплава

摘要

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 Fе - 3 Аl, Ti - 5 Сr и Ti - 3 Fе). Для сплавов Ti- 10 V - 2Fе - 3 Аl и Тi - 5 Сr профили ванны видны непосредственно на литой структуре, а для сплава Ti - 3 Fе 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- 10V - 2 Fе - 3 Аl и для сплавов Ti - 5 Сr и Ti - 3 Fе, полученными авторами ранее.