Введение
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Современные достижения теории литейных процессов и их реализация в системах компьютерного моделирования предоставляют широкие возможности для решения технологических задач и управления технологическими параметрами.
Основные проблемы, решаемые при моделировании литейной технологии, включают целый набор сложных и комплексных задач, из которых в настоящее время весьма актуальной является осуществление базовой адаптации моделирующих систем к условиям производства и существенное улучшение адекватности используемых моделей, алгоритмов и информационного обеспечения.
Получение значений необходимых параметров (коэффициенты распределения, темп выделения твердой фазы, коэффициенты объемной усадки и т.д.) из экспериментальных данных часто является сложной задачей. Поэтому совместно с экспериментом применяется теоретический анализ литейных процессов, в том числе с привлечением возможностей компьютерного моделирования и систем автоматизированного проектирования (САПР).
В работе рассмотрен круг взаимосвязанных задач, лежащих в основе информационного обеспечения моделирования литейной технологии. Проведенный анализ публикаций свидетельствует, что существующие численные модели не учитывают поведение компонентов сплава при затвердевании, поэтому требуется их дополнение термодинамическим аппаратом, позволяющим принять во внимание перераспределение компонентов между фазами, а также изменение состава, количества и соотношения выделяющихся фаз при изменении температуры в процессе равновесной и неравновесной кристаллизации для получения адекватного описания процесса формирования отливки.
Привлечение аппарата термодинамического моделирования для решения поставленной задачи позволяет осуществить пополнение информационной базы данных и вычислить широкий спектр характеристик литейных сплавов (тепловых, кристаллизационных, ликвационных, усадочных и др.) в зависимости от их состава и температуры.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ - разработка на основе термодинамического моделирования многокомпонентных литейных сплавов системы Al-Si-Mg информационного обеспечения для САПР литейной технологии с целью изучения процессов формирования отливки, а также для моделирования тепловых, усадочных и др. процессов.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. В работе описан комплекс моделей для термодинамического моделирования многокомпонентных сплавов системы Al-Si-Mg, позволяющий изучать закономерности процессов формирования отливки с целью активного системного анализа взаимосвязи конфигурации отливки, параметров технологии и развития литейных дефектов:
- исследованы геометрия и параметры диаграмм состояния системы Al-Si-Mg (наклон поверхности ликвидуса, коэффициенты распределения компонентов между фазами, интервал затвердевания сплава и др.);
- выявлены закономерности процессов кристаллизации сплавов системы Al-Si-Mg, изучено влияние компонентов сплава на соотношение количества фаз и темп их выделения в равновесных и неравновесных условиях;
- определены основные теплофизические характеристики сплавов системы Al-Si-Mg в зависимости от положения на диаграмме состояния и содержания наиболее важных компонентов в сплаве;
- выявлена взаимосвязь объемной усадки многокомпонентных сплавов системы Al-Si-Mg и их фазового состава.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. В результате выполнения работы:
- разработана компьютерная база данных по термодинамическим характеристикам литейных сплавов на основе системы Al-Si-Mg, используемая в пакете САПР «POLYCAST» для информационного обеспечения моделирования литейных процессов;
- накоплен оригинальный набор данных по физико-химическим характеристикам многокомпонентных литейных сплавов системы Al-Si-Mg, определена зависимость физико-химических характеристик от температуры и содержания компонентов в сплавах, в связи с чем обеспечено существенное уточнение расчетов, корректно отображающих особенности поведения промышленных сплавов при формировании отливок в условиях, максимально приближенных к реальным;
- разработана методика компьютерного анализа процесса протекания объемной усадки при многофазной кристаллизации сплавов.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:
1. Термодинамическая модель литейных сплавов системы Al-Si-Мg, дающая количественное описание фазовых превращений и позволяющая выявить основные закономерности кристаллизации литейных сплавов этой системы в равновесных и неравновесных условиях, получить многообразную информацию об их физико-химических характеристиках, зависящих от температуры и исходного состава (величину температурного и концентрационного интервала затвердевания, ход и темп кристаллизации, коэффициенты распределения компонентов и т.д).
2. Температурные и концентрационные зависимости теплофизических характеристик литейных сплавов системы Al-Si-Мg (энтальпия, теплоемкость, темп выделения и величина теплоты кристаллизации) и их взаимосвязь с положением на диаграмме состояния и ходом кристаллизации.
3. Закономерности изменений объемной усадки при многофазной кристаллизации литейных сплавов системы Al-Si-Mg и их взаимосвязь с фазовым составом сплава.
ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано шесть статей. Материалы диссертации докладывались на трех межвузовских научных конференциях СПбГТУ (Санкт-Петербург, 1999г.-2001г.), двух Всероссийских научно-практических семинарах «Литейное производство сегодня и завтра» (Санкт-Петербург, 2001г.-2002г.).
1. Анализ представленных в литературе данных по свойствам рассматриваемых сплавов, необходимым для компьютерных расчетов, а также имеющихся представлений о строении расплавов, его связи с видом диаграммы состояния и термодинамическими характеристиками
На основе литературных данных показано, что наличие достоверной информации о термодинамических свойствах расплавов позволяет разрабатывать модели для предсказания ряда свойств жидкости (изменение объема при образовании сплава, плотность расплава и др.). Установлено, что для получения результатов моделирования, адекватных реальным условиям формирования отливки необходимо дополнение термодинамическим аппаратом имеющихся моделей, используемых в САПР литейной технологии.
Большая часть главы посвящена имеющимся в настоящее время основным проблемам, решаемым при моделировании литейной технологии: имеющимся физико-химическим моделям, которые используются для представления сложного комплекса многоуровневых процессов формирования отливки; реализуемым в различных компьютерных системах разновидностям математического аппарата для формирования математических моделей литейной технологии; состоянию информационного обеспечения моделей.
В заключительной части главы формулируется постановка задачи.
2. Построение на основе характеристик ряда двойных систем термодинамической модели многокомпонентных сплавов Al-Si-Mg, используемой для численного анализа температурно-концентрационных условий фазовых равновесий при выделении основных фаз, а также системы Al-Si-Fe для анализа поведения примеси железа
Термодинамическая модель литейного сплава базируется на описании с помощью модели субрегулярного раствора совокупности оптимизированных экспериментальных данных о зависимости мольной энергии Гиббса G фазы от температуры и состава выражением следующего вида:
, (1)
где xi - атомная доля компонента i в сплаве, К- число компонентов; - энергия Гиббса чистого компонента i в модификации , idG- идеальная компонента энергии смешения, exG - избыточная энергия Гиббса, учитывающая взаимодействие между компонентами сплава полиномом Редлиха-Кистера-Муггиану, изменяющим вид в зависимости от природы описываемой фазы. При анализе многофазного равновесия принимали, что во всех фазах гетерогенной многокомпонентной системы температура и давление одинаковы и химические потенциалы мi каждого компонента i во всех Ф фазах равны
. (2)
Химические потенциалы численно рассчитывали на основе соотношений:
, (i = 2, 3, ..., K), (3)
где i - число молей.
С использованием данной термодинамической модели описано равновесие нескольких твердых фаз (-Al, -Si, Mg2Si) с жидкостью. В случае равновесия ГЦК-твердого раствора () и жидкости (l) в системе Al-Si-Mg:
(4)
В работе исследовано влияние основных компонентов (Si и Mg) на важные параметры диаграммы состояния - критические температуры, значения коэффициента их распределения между фазами (рис.1) и углы наклона фазовых границ, применяемые при моделировании тепловых и усадочных процессов, расчете темпа выделения твердой фазы (гл. 4-6).
Рис. 1. Изменение коэффициента распределения кремния между твердой фазой и жидкостью в процессе кристаллизации сплавов Al-Si-1% Mg
В работе произведен расчет фрагментов поверхности ликвидуса трехкомпонентных систем Al-Si-Mg, Al-Si-Fe и показано их количественное соответствие надежным экспериментальным данным по этим системам. Построение расчетных диаграмм состояния позволило исследовать закономерности влияния компонентов сплавов систем Al-Si-Mg и Al-Si-Fe на геометрию и параметры диаграмм, а также оценить корректность и точность применяемых термодинамических параметров моделей. Алгоритм программы и его реализация на языке Object Pascal осуществлены К.Д. Савельевым.
3. Экспериментальное исследование процесса формирования отливки
Для исследования взаимосвязи тепловых процессов при затвердевании отливки, структуры сплава и пористости литого металла использовали методику непитаемой отливки. Для экспериментов была выбрана плоская прямоугольная отливка с цилиндрической прибылью. Выбор конфигурации отливки позволил исследовать распределение температурных полей в отливке в зависимости от удаленности от прибыли и выявить зону торцевого эффекта, установить распределение структуры и пористости в зависимости от условий теплоотвода.
термодинамический литейный мольный субрегулярный
Рис. 2. Распределение транзитной ЕТ и нетранзитной ЕНТ пористости по длине отливки
С помощью компьютерного термического анализа исследовали процесс затвердевания и охлаждения отливки. В качестве исследуемого материала был выбран сплав АК7 - один из наиболее важных литейных сплавов алюминия с хорошим литейными свойствами и высокой коррозионной стойкостью. В результате проведенных экспериментов определены реальные температуры ликвидуса, солидуса, температуры начала образования двойной эвтектики, интервал затвердевания и распределение пористости по сечению отливки, которые позволяют проводить системный анализ взаимосвязи конфигурации отливки и развития литейных дефектов.
Оценка структуры произведена с использованием компьютерной системы анализа изображений VideoTest 4.0.
Для того, чтобы учесть все виды пор, имеющихся в материале (транзитную ЕТ, сообщающуюся с поверхностью и между собой, и пористость изолированную ЕНТ - нетранзитную), определение плотности проведено по усовершенствованной методике гидростатического взвешивания. В результате исследования установлено, что транзитная пористость составляет незначительную долю от общего объема пор, т.е. газоусадочная пористость в сплаве АК7 представлена в основном изолированными порами, (рис.2).
Полученные экспериментальные данные сопоставлены с результатами численного расчета затвердевания и образования усадочных пустот в опытной отливке. C помощью программного комплекса «POLYCAST», который позволяет проводить компьютерное моделирование ряда литейных процессов, получено распределение температурных полей и пористости в отливке. Результаты расчета, полученные на основе термодинамического моделирования процесса выделения твердой фазы и соответствующих значений теплофизических характеристик сплава, согласуются с экспериментальными термическими кривыми затвердевания и остывания опытных отливок.
Описана методика и произведен анализ кристаллизации сплавов изучаемой системы Al-Si-Mg в равновесных и неравновесных (по модели Шейля) условиях. При кристаллизации в равновесных условиях компоненты сплава исходного состава (x°2; x°3) распределяются на разных этапах кристаллизации между двумя или тремя фазами (l, 1 и 2):
(5)
где - атомная доля компонента i в выделяющейся фазе ; f - атомная доля фазы .
На основе термодинамического расчета состава фаз 1 и 2 при заданном составе жидкости l путем решения системы (5) определяли доли фаз, выделяющихся при изменении температуры. При допущении о полном подавлении диффузии в твердой фазе и полном протекании ее в жидкости (модель нормальной неравновесной кристаллизации) изменение состава расплава при выделении одной или двух твердых фаз 1 и 2 состава *xi (в зависимости от этапа кристаллизации) происходит в соответствии с выражениями
(6)
На основе термодинамической модели системы Al-Si-Mg и рассчитанной геометрии поверхности ликвидуса проведен анализ хода равновесной кристаллизации характерных сплавов для оценки влияния кремния и магния (в пределах 6 - 8 % Si и 0,2 - 5,5 % Mg,) на количество и состав выделяющихся фаз.
Рис. 3. Линии тальвегов двойной эвтектики и пути кристаллизации исследованных сплавов системы Al-Si-Mg