Растворение тугоплавких частиц инокуляторов карбида и нитрида титана в металлическом расплаве

Abstract

RU: Цель. В последние годы для повышения качества и надежности сварных конструкций специального назначения большой интерес вызывает использование специально подготовленных нанопорошковых инокуляторов (НПИ) в качестве эффективных модификаторов структуры металла сварных швов. Вместе с тем, существует ряд обоснованных опасений, что сами частицы-инокуляторы непосредственно не оказывают влияния на формирование структуры сварного шва вследствие их возможного растворения в жидком металле сварочной ванны. В связи с этим, цель работы заключалась в моделировании процессов фазового перехода твердая/жидкая фаза при растворении тугоплавких нанопорошковых инокуляторов TiC и TiN в металле сварочной ванны и оптимизации параметров частиц обеспечивающих высокие механические свойства металла сварного шва. Методика. Введение частиц инокуляторов TiC и TiN в жидкую сварочную ванну осуществлялось путем использования сварочных порошковых проволок, в сердечник которых вводили дисперсные (10...100 нм) соединения карбидов TiC и нитридов TiN титана, полученных методом СВС-синтеза. Для проведения компьютерного моделирования использовали расчетный пакет физического моделирования COMSOL Multiphysics. Моделирование кинетики растворения частиц было проведено для частиц различных размеров (100нм, 1мкм и 10 мкм) и формы (сферической, квадратной), которые были помещены в металлический расплав железа при температурах 2000оС и 2200оС. Результаты. На основе совместного решения задачи теплопроводности, диффузии и гидродинамики движения жидкости расплавленного металла с учетом движения межфазной границы металл-расплав разработана компьютерная программа для моделирования кинетики растворения частиц в металле сварочной ванны. Установлено влияние исходного размера частиц и скорости расплава на кинетику их растворения. Показано, что время существования частиц в жидкой ванне составляет от 4 до 20 с, вследствие чего некоторые фракции частиц инокуляторов могут полностью раствориться в металле сварочной ванны. Определены величина и кинетика изменения температурных, концентрационных, силовых и скоростных полей как в самих частицах, так и в расплаве. Научная новизна. На основе методов математического моделирования научно обоснована возможность управления параметрами частиц инокуляторов в сварочной ванне и как следствие, возможность влияния на процессы кристаллизации и формирования структуры металла шва. Практическая значимость. Использование наночастиц инокуляторов в металлургии сварочной ванны позволит расширить методы управления кристаллизацией сварочной ванны и обеспечат за счет изменения структуры высокий уровень механических и вязких характеристик металла сварного шва.

UK: Мета. В останні роки для підвищення якості та надійності зварних конструкцій спеціального призначення великий інтерес викликає використання спеціально підготовлених нанопорошкових інокуляторов (НПІ) в якості ефективних модифікаторів структури металу зварних швів. Разом з тим, існує ряд обґрунтованих побоювань, що самі частинки- інокулятори безпосередньо не впливають на формування структури зварного шва внаслідок їх можливого розчинення в рідкому металі зварювальної ванни. У зв'язку з цим, мета роботи полягала в моделюванні процесів фазового переходу тверда/рідка фаза при розчиненні тугоплавких нанопорошкових інокуляторов TiC і TiN в металі зварювальної ванни та оптимізації параметрів частинок і зварювальної ванни, що забезпечують високі механічні властивості металу зварного шва.. Методика. Введення частинок інокуляторов TiC і TiN в рідку зварювальну ванну здійснювалося шляхом використання зварювальних порошкових дротів, в сердечник яких вводили дисперсні (10 ... 100 нм) сполуки карбідів TiC і нітридів TiN титану, отриманих методом СВС-сінтезу. Для проведення комп'ютерного моделювання використовували розрахунковий пакет фізичного моделювання COMSOL Multiphysics. Моделювання кінетики розчинення частинок було проведено для частинок різних розмірів (100нм, 1мкм і 10 мкм) і форми (сферичної, квадратної), які було поміщено в металевий розплав заліза при температурах 2000оС і 2200оС. Результати. На основі спільного рішення задачі теплопровідності, дифузії та гідродинаміки руху рідини розплавленого металу з урахуванням руху міжфазної поверхні метал-розплав розроблена комп'ютерна програма для моделювання кінетики розчинення частинок в металі зварювальної ванни. Встановлено вплив вихідного розміру часток і швидкості розплаву на кінетику їх розчинення. Показано, що час існування частинок в рідкій ванні становить від 4 до 20 с, внаслідок чого деякі фракції частинок інокуляторов можуть повністю розчинитися в металі зварювальної ванни. Визначено величину і кінетику зміни температурних, концентраційних, силових і швидкісних полів як в самих частинках, так і в розплаві. Наукова новизна. На основі методів математичного моделювання науково обґрунтована можливість керування параметрами частинок інокуляторов в зварювальній ванні і як наслідок, можливість впливу на процеси кристалізації і формування структури металу шва. Практична значимість. Використання наночастинок інокуляторов в металургії зварювальної ванни дозволить розширити методи керування кристалізацією зварювальної ванни і забезпечать за рахунок зміни структурного стану високий рівень механічних і в'язких характеристик металу зварного шва.

EN: Purpose. In the past few years to improve the quality and reliability of welded structures for special purposes of great interest is the use of specially prepared nanopowder inoculators (NPI) as effective modifiers structure of weld metal. However, there are some reasonable fears that the particles themselves are not directly inoculatorinfluence on the structure of the weld due to their possible dissolution in the molten metal weld puddle. In this regard, the goal of the work was the modeling of the phase transition process solid / liquid phase by dissolving refractory nanopowder inoculators TiC and TiN in the metal of the weld pool and to optimize parameters of the particles providing high mechanical properties of the weld metal. Methodology. Introduction inoculators TiC particles and TiN in molten weld puddle welding was performed by utilizing the flux-cored wires in which the core is injected dispersion (10 ... 100 nm) of compound carbides TiC and titanium nitride TiN, obtained by CBC synthesis. To carry out computer simulation used the calculated physical modeling package COMSOL Multiphysics. Dissolution kinetics modeling was conducted for the particles of different particle sizes (100nm, 1 mkm and 10 mkm) and shapes (spherical, square), which were placed in a molten metal iron at temperatures of 2000°C and 2200oC.Findings. On the basis of the joint solution of the problem of heat conduction, diffusion and hydrodynamic fluid motion of the molten metal with the movement of the interface metal-melt developed a computer program for modeling the kinetics of dissolution of the particles in the metal of the weld pool. The influence of particle size and initial velocity of the melt on the kinetics of dissolution. It has been shown that the lifetime of the particles in the liquid bath is from 4 to 20, whereby some fraction of particles inoculators can be completely dissolved in the metal of the weld pool. Determine the magnitude and kinetics of changes in temperature, concentration, power and velocity fields both in the particles and melt. Originality. On the basis of mathematical modeling methods scientifically proved the possibility of controlling the parameters of the particles inoculators in the weld pool and as a consequence, the ability to influence the processes of crystallization and the formation of the structure of the weld metal. Practical value. The use of nanoparticles inoculators in metallurgy of the weld pool will enhance management practices crystallization of the weld pool and provide due to changes in the structure of the high level of mechanical and viscous characteristics of the weld metal.