Анотація до роботи:

Жук Г.В. Основні закономірності впливу теплофізичних умов кристалізації металу при електронно-променевій плавці на структуру та властивості зливків. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.16.07 – Металургія високочистих металів та спеціальних сплавів. – Інститут електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України, Київ, 2003 р.

Дисертація присвячена визначенню теплофізичних закономірностей формування структури зливка при електронно-променевій плавці з проміжною ємністю (ЕППЄ) в умовах високих швидкостей охолодження при кристалізації розплаву і розробці на цій основі оптимізованих режимів виплавки зливків.

Встановлено закономірності формування кристалічної будови зливків титанових і нікелевих сплавів при ЕППЄ з урахуванням швидкостей охолодження розплаву в кристалізаторі.

Методами математичного моделювання визначені залежності теплофізичних умов твердіння металу зливків титанових сплавів в кристалізаторі від технологічних параметрів ЕППЄ. Встановлено, що зниження потужності електронно-променевого нагрівання і зміщення його максимуму на периферію зливка дозволяє підвищити швидкість охолодження розплаву більш ніж у 10 разів, а швидкість кристалізації – в 30 разів. Експериментально встановлено, що високі швидкості охолодження розплаву при кристалізації дозволяють одержувати в зливках титанового сплаву Ti-6Al-4V рівноосну структуру по всьому перетині зливка при гомогенному розподілі легуючих елементів, структурних і фазових складових.

Запропоновано новий метод диспергування розплаву з проміжної ємності за допомогою барабана-диспергатора, який обертається з частотою до 2500 об/хв (ЕПДРЄ). Розроблено математичну модель формування зливка з диспергованого розплаву з використанням примусового охолодження зливка. Встановлено, що в процесі ЕПДРЄ досягаються швидкості охолодження розплаву при кристалізації до 10⁵ К/с. Високі швидкості охолодження, характерні для ЕПДРЄ дозволяють одержувати зливки жароміцних сплавів з ультрадрібною структурою, волокнисті композиційні матеріали з мінімальною товщиною прошарку на границі волокно-матриця, з'єднувати зливки титанових сплавів без плавлення крайок.

Розроблено і прийнято у виробництво технологію виплавки методом ЕППЄ зливків-слябів титанового сплаву TI-6AL-4V з рівноосною структурою й ізотропними механічними властивостями. Структура є оптимальною для наступної прокатки слябів і одержання листа.

1. Аналіз існуючих методів виробництва зливків показав, що вирішальний вплив на структуру металу мають теплофізичні умови формування зливка. Широкі можливості в регулюванні нагрівання вільної поверхні зливка в кристалізаторі забезпечує електронно-променева плавка з проміжною ємністю.

2. Побудовано математичну модель переносу тепла у зливку, що формується, при електронно-променевому переплаві з проміжною ємністю. Встановлено залежність умов кристалізації титанового зливка від потужності і конфігурації електронно-променевого нагрівання, швидкості плавки і величини порцій рідкого металу. Розраховано режими електронно-променевого нагрівання зливка титанового сплаву Ti-6Al-4V, що дозволяють підвищити швидкість охолодження розплаву до 7 К/с, швидкість кристалізації металу до 1 мм/с.

3. Визначено технологічні умови формування в зливках і слябах титанового сплаву Ti-6Al-4V рівноосної структури по всьому їхньому перетину. Зливки характеризуються гомогенністю хімічного складу і високими механічними характеристиками. Середнє значення ударної в'язкості металу циліндричних зливків зростає на 20% у порівнянні з традиційною технологією.

4. Розроблений двостадійний процес виводу усадочної раковини в зливку після закінчення плавки. Визначено технологічні параметри виводу усадки для зливка Ti-6Al-4V діаметром 200 мм.

5. Розроблено технологію виробництва зливків -алюміниду титана як круглого, так і прямокутного перетинів методом ЕППЄ. Хімічний склад зливків цілком відповідає вимогам технічних умов.

6. Запропоновано новий метод електронно-променевого диспергування розплаву з проміжної ємності й устаткування для його реалізації. Метод характеризується кристалізацією розплаву в мікрооб’ємах при формуванні зливка, забезпечує стабільність процесу диспергування.

7. Створено математичну модель теплових процесів, що відбуваються при формуванні зливка на водоохолоджуваній підкладці з потоку розплаву, диспергованого з проміжної ємності. Установлено, що при формуванні зливка жароміцного нікелевого сплаву досягається швидкість охолодження розплаву до 10⁵ К/с. Визначено оптимальні технологічні параметри одержання зливка методом ЕПДРЄ. Показано, що застосування примусового охолодження підкладки дозволяє стабілізувати температуру зливка, що формується.

8. Розроблено процес з'єднання зливків титанових сплавів методом електронно-променевого диспергування з проміжної ємності. Характерною рисою отриманих з'єднань є відсутність підплавлення крайок, що з'єднуються.

9. Побудовано математичну модель формування волокнистого композиційного матеріалу з диспергованого розплаву. Встановлено, що товщина ламкого прошарку на границі інтерметалідоутворюючих волокон і матриці складає 10...30 мкм. Визначено технологічні режими формування композиційного матеріалу, що сприяють мінімальній товщині прошарку при задовільному зчепленні матриці з волокном.

10. Методом ЕПДРЄ отримані заготівки дисків турбін реактивного двигуна з жароміцного нікелевого сплаву Udimet 720. Метал заготовок характеризується однорідною, дрібнодисперсною структурою і високими механічними властивостями в інтервалі температур до 1100С.

11. Розроблено технологію виробництва методом ЕППЄ слябів титанового сплаву TI-6AL-4V перетином 150х500 мм і довжиною до 2 м. Метал слябів відрізняється відсутністю спрямованої текстури, що визначає ізотропність механічних властивостей. При одержанні регламентованої структури напівфабрикатів застосування слябів з рівноосною литою структурою дозволило зменшити ступінь укову з 6 до 1.5-2.

12. Вирішено важливу народногосподарську задачу виробництва на підприємствах України методом ЕППЄ конкурентноздатних високоякісних зливків-слябів з одного з найбільш застосовуваних у світі титанового сплаву Ti-6Al-4V. Рівень механічних характеристик прокату, отриманого зі слябів, цілком відповідає вимогам зарубіжних та вітчизняних державних стандартів.

Публікації автора:

1. Жук Г.В., Тригуб Н.П., Пап П.А. Соединение титана со сталью методом электронно-лучевого диспергирования расплава // Пробл. спец. электрометаллургии, 1997, №3, с. 18-21.

2. Жук Г.В., Ахонина Л.В., Тригуб Н.П. Математическое моделирование процессов кристаллизации титанового сплава Ti-6Al-4V при ЭЛПЕ // Пробл. спец. электрометаллургии, 1998, №2, с. 21-25.

3. Жук Г.В., Козловец О.Н., Дереча А.Я., Структура и свойства жаропрочного никелевого сплава, полученного электронно-лучевым диспергированием расплава // Пробл. спец. электрометаллургии, 1999, №3, с. 27-33.

4. Жук Г.В., Калинюк А.Н., Тригуб Н.П., Определение глубины залегания усадочной раковины в слитках ЭЛПЕ титанового сплава Ti-6Al-4V // Пробл. спец. электрометаллургии, 2001, №2, с. 14-17.

5. Тригуб Н.П., Ахонин С.В., Жук Г.В. Получение плоских слитков-слябов в электронно-лучевых установках с промежуточной емкостью // Пробл. спец. электрометаллургии, 2001, №4, с. 22-26.

6. Калинюк А.Н., Жук Г.В., Тригуб Н.П. Моделирование режимов вывода усадочной раковины в цилиндрических слитках ЭЛПЕ // Пробл. спец. электрометаллургии, 2002, №1, с. 23-25.

7. Жук Г.В. Расчет толщины слоя интерметаллидов, образующихся при нанесении титановой и алюминиевой матрицы на стальные волокна методом электронно-лучевого диспергирования расплава // Пробл. спец. электрометаллургии, 2002, №2, с. 21-24.

8. Патон Б.Е., Жук Г.В., Тригуб Н.П. Влияние начальных скоростей охлаждения при кристаллизации на структуру жаропрочных никелевых сплавов // Фундаментальные исследования физикохимии металлических расплавов. - М.: Академкнига, 2002. - с. 265-269.

9. Жук Г.В., Тригуб Н.П. Новый метод диспергирования расплава в электронно-лучевых установках и оборудование для его реализации // Пробл. спец. электрометаллургии, 2002, №4, с. 18-20.

10. Жук Г.В. Взаимодействие стальных волокон с алюминиевой матрицей при получении композиционного материала методом электронно-лучевого диспергирования расплава // Современная электрометаллургия, 2003, №1, с. 19-22.

11. Жук Г.В. Влияние мощности электронно-лучевого нагрева на структуру и свойства титановых слитков // Металлургическая и горнорудная промышленность, 2003, №3, с. 36-38.

12. Жук Г.В., Тригуб Н.П., Замков В.Н. Сварка титановых слитков диспергированным расплавом // Автоматическая сварка, 2003, №6, с. 48-51.

13. Н.П.Тригуб, Г.В.Жук, П.А.Пап, А.Н.Калинюк, С.В.Хомутский, Ю.Т.Ищук Электронно-лучевая установка УЭ-121 // Современная электрометаллургия, 2003, №2, с. 17-20.

14. Н.П. Тригуб, Г.В.Жук, А.Н. Пикулин, А.Н. Калинюк, В.Д. Корнийчук Электронно-лучевая установка УЭ-185 для оплавления поверхностного слоя слитков // Современная электрометаллургия, 2003, №3, с. 12-14.

15. Тригуб Н.П., Ахонин С.В., Дереча А.Я, Пап П.А., Калинюк А.Н., Жук Г.В. Изучение процессов рафинирования и кристаллизации при ЭЛП с промежуточной емкостью цветных, тугоплавких, высокореакционных металлов и сплавов на их основе и разработка оборудования и технологических процессов получения из них заготовок и слитков с гарантированным химическим составом // Пробл. спец. электрометаллургии, 2000, №3, с. 82-85.

16. Paton B., Zhuk G., Trigub N. Heterogeneous Materials Connection by Electron Beam Hot Spraying // Proc. Of the Fifth Int. Conf. «Strahltechnik», Halle (Saale), Germany, 27-28 November 2001. – Halle: SLV. – 2001. – p. 132-136.

17. Жук Г.В. Влияние скорости охлаждения на структуру и свойства материалов, полученных методом ЭЛДР // Специальная электрометаллургия: вчера, сегодня, завтра: Материалы Международной научно-технической конференции (8-9 октября 2002 г), - Киев: ІВЦ Видавництво “Політехніка”, 2002., с. 244-248.

18. Жук Г.В. Структура и свойства слитков титанового сплава Ti-6Al-4V, полученных с помощью ЭЛПЕ // Вісник приазовського державного технічного університету, 2003, вип. №13, с. 42-45.

19. Жук Г.В., Тригуб М.П., Калинюк А.Н, Влияние скорости охлаждения на структуру цилиндрических слитков ЭЛПЕ титанового сплава Ti-6Al-4V // Процессы литья, 2003, №4, с.79-82.

20. А.Н. Пикулин, Г.В.Жук, Н.П. Тригуб, С.В. Ахонин Электронно-лучевое оплавление слитков титана // Современная электрометаллургия, 2003, №4

21. Жук Г.В., Тригуб Н.П., Замков В.Н. Получение слитков g-алюминида титана методом ЭЛПЕ // Современная электрометаллургия, 2003, №4, с.20-22

22. Патон Б.Е., Тригуб Н.П., Жук Г.В. Влияние начальных скоростей охлаждения при кристаллизации на структуру жаропрочных никелевых сплавов // Пробл. спец. электрометаллургии, 2002, №1, с. 16-19.

23. Патент України №46059 C21C5/56, C22B9/04, B22D9/00, H01J37/305 Електронно-променева установка. Тригуб М.П., Пап П.А., Жук Г.В., Цыбань И.В., Васюра В.М. (Україна) - №98041908, Зареєстровано 15.04.98, Опубл. Бюл.№5 15.05.02.

24. Патент України №55475 C22B9/22, B23К15/06 Спосіб отримання великогабаритних плоских зливків методом електронно-променевої плавки. Тригуб М.П., Жук Г.В., Калинюк О.М., Пікулін О.М. (Україна) - №2000031294, Зареєстровано 06.03.00, Опубл. Бюл.№4 15.04.03.

25. Патент України №56335, С22В9/22, С23С4/12, С23С6/00 Спосіб електронно-променевого лиття диспергуванням. Жук Г.В., Тригуб М.П., Пап П.А. (Україна) - №2001020855, Зареєстровано 07.02.01, Опубл. Бюл. №5 15.05.03.

26. Патент України №20591А В22D23/00 Спосіб одержання біметалу в електронно-променевих установках. Патон Б.Е., Тригуб М.П., Жук Г.В., Пап П.А., Ахонин С.В., Дереча О.Я. (Україна) - №95031200, Зареєстровано 16.03.95, Опубл. Бюл. №1 27.02.98.

27. Патент України №20887А В22D23/00, Спосіб електронно-променевого лиття. Жук Г.В., Пап П.А., Тригуб М.П. (Україна) - №96020500, Зареєстровано 12.02.96, Опубл. Бюл. №1 27.02.98.

28. Патент України №20910А В22D23/00, Спосіб електронно-променевого лиття. Жук Г.В., Пап П.А., Тригуб М.П. (Україна) - №96020502, Зареєстровано 12.02.96, Опубл. Бюл. №1 27.02.98.

29. Патент України №27583 B22F7/00 B22F7/02 B22D23/00 Спосіб одержання шаруватого композитного матеріалу для захисту від динамічних навантажень Патон Б.Є., Тригуб М.П., Жук Г.В., Пап П.А., Дереча О.Я. (Україна) - №96041457, Зареєстровано 12.04.96, Опубл. Бюл.№4 15.09.00.

30. Патент України №42761 C21C5/56, C22B9/04, B22D9/00, H01J37/305, Електронно-променева установка Тригуб М.П., Дереча О.Я., Жук Г.В., Цибань І.В., Васюра В.М., Березовський М.Е., Іванов М.М. (Україна) - №96093577, Зареєстровано 16.09.96, Опубл. Бюл.№10 15.11.01.

31. Патент України №42792 В22D23/00, Спосіб електронно-променевого лиття диспергуванням Патон Б.Є., Тригуб М.П., Пап П.А., Жук Г.В. (Україна) - №97052157, Зареєстровано 12.05.97, Опубл. Бюл.№10 15.11.01.

32. Патент України №44741 С22В9/22, Спосіб одержання зливків в електронно-променевій установці Тригуб М.П., Дереча О.Я., Цибань І.В., Жук Г.В. (Україна) - №97052158, Зареєстровано 12.05.97, Опубл. Бюл.№3 15.03.02.

33. Патент України №46061 С22В9/04,9/22, Спосіб електронно-променевого оплавлення поверхні циліндричних зливків Тригуб М.П., Дереча О.Я., Калинюк О.М., Жук Г.В. (Україна) - №98042005, Зареєстровано 13.08.98, Опубл. Бюл.№5 15.05.02.

34. Патент України №56194 C22B9/22 B22D11/045,11/06,11/12 C21C5/56, Спосіб одержання тонкого листа в установках електронно-променевого переплаву Патон Б.Є., Тригуб М.П., Дереча О.Я., Жук Г.В., Пікулін О.М. (Україна) - №99052728, Зареєстровано 18.05.99, Опубл. Бюл.№5 15.05.03.

35. Патент України №50710 B22D13/00,11/12, Спосіб підготовки витрачуваної заготівки для лиття диспергуванням Жук Г.В., Пап П.А., Тригуб М.П. (Україна) - №96030946, Зареєстровано 11.03.96, Опубл. Бюл.№11 15.11.02.

36. Патент України №56282 C22B9/22,B22D19/02, Спосіб отримання плоских гетерогенних зливків методом електронно-променевої переплавки Тригуб М.П., ЖукГ.В., Канавченко Д.В., Ахонін С.В. (Україна) - №2000063339, Зареєстровано 08.06.00, Опубл. Бюл.№5 15.05.03.

37. Патент України №56281 C22B9/22,B22D7/08, Пристрій для отримання плоских зливків Тригуб М.П., Жук Г.В., Пікулін О.М., Пап П.А. (Україна) - №2000063338, Зареєстровано 08.06.00, Опубл. Бюл.№5 15.05.03.

38. Патент України №56284 C22B9/22,B22D7/04, Спосіб лиття порожнистих зливків Тригуб М.П. Калинюк О.М., Жук Г.В., Пап П.А. (Україна) - №2000063518, Зареєстровано 16.06.00, Опубл. Бюл.№5 15.05.03.

39. Патент України №56334 C22B9/22,B22D7/02, Спосіб отримання плоских багатошарових зливків в електронно-променевій установці Тригуб М.П., Жук Г.В., Хомутський С.В. (Україна) - №2001020854, Зареєстровано 07.02.01, Опубл. Бюл.№5 15.05.03.

Особистий внесок автора в роботах, опублікованих у співавторстві:

[19,21] – встановлена залежність структури зливків титанових сплавів від теплофізичних умов кристалізації, визначені технологічні параметри ЕППЄ формування в зливку оптимальної структури, [2,4-6,15] – створена математична модель теплофізичних процесів при формуванні зливків ЕППЄ, вивчені умови твердіння розплаву і визначені технологічні параметри виводу усадочних дефектів, [1,3,8,9,12,16,22] – вивчений вплив умов охолодження диспергованого розплаву на структуру і властивості матеріалів, створена математична модель формування зливка з диспергованого розплаву, запропоновані оптимальні технологічні параметри ЕПДРЄ, [9,24-29,31,35,36,38] – запропоновані нові технологічні схеми одержання матеріалів методами ЕППЄ і ЕЛДРЄ, [13,14,23,30,32-34,37,39] – запропоновані нові технічні рішення по електронно-променевих установках.