Серия «Металлургия»

Для проведения математического моделирования затвердевания слитков необходимо знание температурных зависимостей теплофизических свойств затвердевающего сплава и параметров граничных условий, включенных в математическую модель. В настоящей работе были выплавлены два слитка сплава Ti–10V–2Fe–3Al и проведено исследование их макроструктуры. Измерены координаты профилей изотерм затвердевания, и с помощью решения обратной задачи теплопроводности, определены некоторые теплофизические характеристики жидкой фазы и параметры граничных условий для вакуумного дугового переплава (ВДП), прямое экспериментальное измерение которых сопряжено с большими трудностями. Для определения неизвестных параметров математической модели методом решения обратной задачи теплопроводности используется итерационный Maximux A Posteriori (MAP) алгоритм, ранее апробированный для других сплавов на основе титана.
Искомыми (т. е. изначально неизвестными) параметрами для математической модели процесса ВДП являлись: теплопроводность и теплоемкость при температурах солидуса и ликвидуса; коэффициент теплоотдачи от слитка к изложнице и коэффициенты относительного вклада теплоотвода излучением для поддона и изложницы. В качестве начального приближения для неизвестных параметров были взяты соответствующие величины для сплава BT3–1. В качестве заданных параметров были использованы значения коэффициента теплопроводности и удельной теплоемкости в интервале температур 20‒1300 °C из базы данных программы JMatPro, рассчитанные для заданного химического состава. Плотность, теплота фазового превращения, динамическая вязкость и электропроводность были взяты из литературных источников по сплаву Ti–10V–2Fe–3Al. Так как на сегодня нет данных по равновесной фазовой диаграмме сплава Ti–10V–2Fe–3Al, поэтому для вычисления температур равновесного ликвидуса и солидуса используется модель независимых компонент (линейная модель) многокомпонентного сплава.
Найденные значения параметров позволяют удовлетворительно описать изменение профиля жидкой ванны при наплавлении слитка во время ВДП для различных условий процесса (диаметр изложницы и сила тока дуги).
Результаты, полученные в работе, могут быть использованы для проведения математического моделирования процесса затвердевания слитков из сплава Ti–10V–2Fe–3Al при вакуумном дуговом переплаве с другими диаметрами изложницы и силой тока дуги.

Cotton J.D., Briggs R.R., Boyer R.R., Tamirisakandala S., Russo P., Shchetnikov N., Fanning J.C. [State of the Art in Beta Titanium Alloys for Airframe Applications] JOM, 2015, pp. 1281–1303.

Shamblen C.E. [Minimizing beta flecks in the Ti-17 alloy] Metallurgical and Materials Transactions B, 1997, 28B:899-903.

Mills K.C. [Thermophysical Property Requirements for Modelling of High Temperature Processes: 1st International Symposium on Microgravity Research and Applications in Physical Sciences and Biotechnology] European Space Agency, pp. 555–563.

Kondrashov E.N., Tarenkova N.Yu., Maksimov A.Yu., Fedorov N.S., Konovalov L.V. Korrektirovka znachenij teplofizicheskix svojstv titanovyx splavov iz analiza profilej zhidkoj vanny. Czvetnye metally, 2008, no. 12, pp. 68‒71.

Leder M.O., Gorina A.V., Kornilova M.A., Tarenkova N.Yu., Kondrashov E.N. K opredeleniyu teplofizicheskix svojstv titanovyx splavov po profilyam zhidkoj vanny. Elektrometallurgiya, 2015, no.10, pp 20‒27.

Leder M.O., Gorina A.V., Kornilova M.A., Kondrashov E.N. Metodika opredeleniya teplofizicheskix svojstv titanovyx splavov i prametrov granichnyx uslovij dlya processa VDP. Czvetnye metally, 2015.

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, pp. 19‒25.

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, pp. 1627‒1634.

Bek Dzh. Blakuell B., Sent-Kler (ml) Ch. Nekorrektnye obratnye zadachi teploprovodnosti, Mir Publ., 1989, p. 312.

Yaparova N.M. Chislennoe modelirovanie reshenij obratnoj granichnoj zadachi teploprovodnosti. Bulletin of the South Ural State Ser. “Matematicheskoe modelirovanie i programmirovanie”, 2013, v. 6, no 3, pp 112–124.

Monde, M. Simple measurement of thermal diffusivity and thermal conductivity using inverse solution for one-dimensional heat conduction / M. Monde, M. Kosaka, Y. Mitsutake // International Journal of Heat and Mass Transfer. − 2010. − Vol. 53, No. 23/24. − P. 5343–5349.

Kurz W., Fisher D.J. [Fundamentals of Solidification]. Switzerland, Nrans. Tech. Publ., 1984.

Zagrebelnyy D.V. [Modeling Macrosegregation During the Vacuum Arc Remelting of Ti–10V–2Fe–3Al Alloy] PhD Thesis. Purdue University, 2007. Mitchell A., Kawakami A. [Segregation and Solidification in Titanium Allys] Ti-2007 Science and Technology, 2007, vol. I, pp. 173‒176.

Mitchell A., Kawakami A.[ Segregation and Solidification in Titanium Allys] Ti-2007 Science and Technology, 2007, vol. I, pp. 173‒176.

Mitchell A., Kawakami A., Cockroft S.L. [Segregation in Ti alloy ingots] J High Temperature Materials and Processes, 2007, pp. 59‒78.