Специальность 05.16.04. Литейное производство
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Развитие научных основ моделирования кристаллизации отливок с направленной и равноосной структурой
Монастырский Валерий Петрович
Москва 2014
Общая характеристика работы
Актуальность. Диссертация посвящена научно-технической проблеме совершенствования технологии изготовления отливок ответственного назначения, а также сокращения затрат на разработку технологии и выпуск первого комплекта отливок для опытных изделий новой техники. Актуальность этой проблемы постоянно возрастет в связи с ростом цен на металл, вспомогательные материалы и электроэнергию при одновременном стремлении к сокращению себестоимости продукции. Одним из аспектов решения этой проблемы является замена эмпирических методов разработки литейной технологии методами компьютерного моделирования. В настоящее время нарастающими темпами идет формирование единого виртуального пространства, охватывающего конструкторскую разработку и производство опытных изделий. Вслед за внедрением CAD систем, все большее число предприятий проявляет интерес к программному обеспечению, применяемому для разработки технологических процессов. Растущие вычислительные мощности современных компьютеров делают возможным численное решение задач тепло- и массопереноса при кристаллизации отливки во все более общей постановке, приближающейся к реальным производственным условиям.
Применение направленной кристаллизации (НК) для получения отливок со столбчатой или монокристаллической структурой является одним из наиболее эффективных средств достижения высоких служебных характеристик лопаток ГТД. Несовершенство режимов НК приводит к возникновению дефектов макро- и микроструктуры отливок, отрицательно сказывается на механических свойствах получаемых отливок и снижает эффективность применения этого технологического процесса. Исследование условий и особенностей формирования направленной и монокристаллической структуры, разработка методов ее получения, в том числе в зонах с резким изменением геометрических размеров, является актуальной задачей, тесно связанной с созданием газотурбинных двигателей нового поколения.
Большой вклад в разработку научных основ формирования структуры и дефектов отливок внесли Г.Ф.Баландин, В.А.Журавлев, В.Т.Борисов, Иванцов Г.П., A.F.Giamei, W.Kurz, P.R.Sahm, M.Rappaz, C.Beckermann и др. В научных трудах этих ученых разработаны фундаментальные вопросы тепло и массопереноса в двухфазной зоне отливки и определено общее направление развития теории кристаллизации металлического слитка. Разработанный на этой основе математический аппарат позволил построить математические модели, разработать алгоритмы и программное обеспечение для моделирования литейных процессов. Созданные коммерческие программные продукты (ProCAST, LVMFlow, Flow3D, MAGMASoft и СКМ «Полигон») удовлетворили потребности большей части производителей отливок для машиностроения, нефтегазовой, автомобильной промышленностей и товаров народного потребления.
Инженерные методы расчета конструкции литейного блока на основе аналитических решений системы уравнений баланса для тепловых узлов получили развитие в работах представителей научных школ А.И. Вейника, Б.Б. Гуляева, Г.Ф.Баландина, В.С.Моисеева и А.А.Неуструева. Значительный вклад в развитие теории и практики этих методов внесли А.Ф.Смыков, Э.Л.Кац, М.Д.Тихомиров и др.
Созданные ими методики расчета литниково-питающих систем, методические пособия, рекомендации для промышленности и программные модули для систем САПР решают задачу проектирования технологии получения литой заготовки, в то время как, прямые методы математического моделирования, реализованные в перечисленных выше программных продуктах, призваны заменить опытные плавки компьютерным моделированием и дать прогноз качества отливки.
Присущие современным моделям упрощенные представления о механизмах формирование таких дефектов, как усадочная пористость и усадочная раковина, делают затруднительным адекватный количественный прогноз качества отливки и существенно ограничивают возможность применения этого программного обеспечения в производстве деталей ответственного назначения. Развитие научных представлений о формировании усадочных дефектов является актуальной задачей для высокотехнологичного литейного производства таких отливок, как рабочие и сопловые лопатки, а также ряд других деталей авиационных двигателей (ГТД) и наземных газотурбинных установок (ГТУ).
Эффективное применение методов компьютерного моделирования в опытном и серийном литейном производстве невозможно без научно обоснованной методологии проектирования процессов литья. В практическом отношении решение этой задачи позволяет в несколько раз сократить сроки освоения производства опытных отливок, эффективно применять современные технологии подготовки производства, объективно оценивать технологичность отливок и качество принятых технологических решений. С точки зрения экологии происходит сокращение безвозвратных потерь энергии и материалов, уменьшение вредного воздействия на окружающую среду и человека.
Цель и задачи работы.
Целью настоящей работы является улучшение качества литых заготовок для ответственных деталей ГТД путем обоснованного выбора параметров технологического процесса, а также сокращение затрат на его разработку на основании обобщения и развития научных представлений о процессе направленной кристаллизации.
Для достижения этой цели поставлены следующие научные и технологические задачи:
Теоретическое и экспериментальное исследование процесса направленной кристаллизации отливок сложной формы. Установление взаимосвязи между тепловыми условиями на фронте роста, макро- и микроструктурой отливки и технологическими параметрами процесса.
Разработка метода обоснованного выбора режима направленной кристаллизации, обеспечивающего получение требуемой структуры по всей длине лопатки ГТД.
Обобщение и развитие научных представлений о процессе формирования усадочных дефектов в отливках с равноосной и направленной структурой. Разработка математических моделей формирования усадочной раковины и усадочной макро- и микро пористости и их численная реализация.
Разработка методологии применения математического моделирования при проектировании технологических процессов изготовления литых заготовок деталей ответственного назначения для ГТД и ГТУ в условиях опытного производства. отливка микроструктура равноосный
Разработка и исследование технологии получения литых заготовок с равноосной и направленной структурой для деталей ГТД и ГТУ из никелевых жаропрочных сплавов. Внедрение технологии в производство.
Объект и предмет исследований.
Объектом исследований являются отливки из жаропрочных сплавов на основе никеля ЖС6У, ЖС6Ф, ЖС26, ЖС32, а также коррозионностойких жаропрочных сплавов ЧС70, ЧС88У и ЧС104, применяемых для получения литых заготовок ответственных деталей ГТД и ГТУ, в том числе рабочих и сопловых лопаток.
Предметом исследований является условия кристаллизации, структура и дефекты отливок, получаемых методом литья по выплавляемым моделям, технологические процессы получения отливок с направленной и равноосной структурой.
Экспериментальная часть работы выполнялась в ФГУП ВИАМ, в литейных цехах ГП НПКТ «Зоря»-«Машпроект» и ФГУП «НПЦ газотурбостроения «Салют». Выполненные в диссертации научные и практические разработки внедрены в литейное производство ФГУП «НПЦ газотурбостроения «Салют» и отражены в производственных инструкциях, технологических указаниях, отчетах и рекомендациях.
Научная новизна.
Установлены закономерности влияния параметров технологического процесса на тепловые условия направленной кристаллизации при радиационном и конвективном охлаждении формы (в металлическом расплаве). Теоретически определены и экспериментально подтверждены области формирования направленной, монокристаллической и композиционной структуры в зависимости от температуры печи, метода охлаждения и скорости перемещения формы. Теоретически обоснованы требования к конструктивным параметрам литейных установок для получения отливок с направленной и монокристаллической структурой.
Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден метод выбора режима НК, обеспечивающего формирование заданной макро- и микроструктуры. Метод заключается в определении максимальной допустимой скорости кристаллизации для каждого сечения отливки на основании выбранного критерия качества и результатов натурного или численного эксперимента.
Разработана модель конкурентного роста столбчатых зерен. Обоснован механизм подавления зерном, имеющим наименьший угол между одним из направлений роста <001> и вектором градиента температуры, зерен с иной кристаллографической ориентацией.
Разработана модель образования усадочной микропористости как механизма релаксации напряжений, возникающих в расплаве при кристаллизации из-за разности плотностей жидкого и твердого металла. Получены зависимости размеров и объемной доли микропор от технологических параметров процесса - градиента температуры в двухфазной зоне отливки и скорости кристаллизации.
Разработана модель формирования усадочной раковины в отливках с равноосной структурой. Предложен усовершенствованный метод пошагового определения формы усадочной раковины с учетом капиллярного питания междендритных пространств над свободной поверхностью расплава. Определены условия возникновения открытой и закрытой усадочной раковины и условия ее вырождения в рассеянную пористость.
Предложена модель образования макропористости в замкнутом тепловом узле отливки, учитывающая капиллярный эффект и дисперсность дендритного каркаса.
Достоверность научных положений и результатов исследования.
Теоретические исследования основываются на теории теплопроводности и тепло- и массообмена, а также феноменологической теории двухфазной зоны кристаллического слитка В.А.Журавлева, В.Т.Борисова и др.. Численные решения дифференциальных уравнений получены на конечно-разностной сетке методом прогонки. Теоретические положения подтверждены экспериментальными данными, полученными в ходе диссертационной работы или известными из литературных источников.
Экспериментальные исследования осуществлялись по стандартным методикам. Исследования макро- и микроструктуры проводились методами оптической металлографии. Количественное определение пористости проводилось методом гидростатического взвешивания по стандартной методике. Качественное исследование пористости проводилось рентгенографическим методом по стандартной методике ФГУП НПЦ газотурбостроения «Салют». Литейные свойства сплавов, необходимые при моделировании технологии литья, определялись расчетным путем по термодинамической базе COMPUTERM по химическому составу сплава с привлечением данных дифференциальной сканирующей калориметрии.
Практическая значимость результатов работы.
Разработан метод выбора оптимального режима направленной кристаллизации рабочих лопаток ГТД и ГТУ, обеспечивающий получение отливок с заданной структурой при максимальной производительности технологического оборудования. Метод защищен авторским свидетельством СССР № 1577170.
Разработана методика определения в промышленных условиях локальных значений скорости охлаждения расплава при направленной кристаллизации по параметрам дендритной структуры отливок
На основе математической модели формирования макропористости и усадочной раковины разработан программный модуль для коммерческого программного комплекса СКМ «Полигон».
Разработаны математические модели процессов получения отливок в литейных установках ВИАМ-1660(ФГУП ВИАМ), УВПП-2, ПМП-4 (ГП НПКТ «Зоря»-«Машпроект»), КОРР (ОАО “Завод турбинных лопаток”).
Разработано и внедрено программное обеспечение для отработки технологии литья крупногабаритных лопаток наземных ГТУ в печах УВПП-2 и ПМП-4.
Разработаны принципы и внедрена технология применения методов компьютерного моделирования при подготовке производства литых заготовок для деталей ГТД и ГТУ. Осуществлено методическое руководство внедрением и использованием методов математического моделирования литейных процессов на ФГУП «НПЦ газотурбостроения «Салют». Разработана и внедрена документация в виде технологических и производственных инструкций, методических руководств, регламентирующая деятельность литейного производства при разработке технологии получения отливок опытных изделий и оптимизации серийных процессов литья.
Разработаны конструкции литейных блоков и температурно-временные параметры технологии получения отливок более 150 деталей для изделий опытного и серийного производства.
Личный вклад автора.
Автором лично получены: а) результаты теоретического и экспериментального исследования процесса направленной кристаллизации; б) методика выбора оптимального режима направленной кристаллизации; в) модель образования усадочной микропористости; г) модель образования усадочной раковины; д) модель образования макропористости; е) модель конкурентного роста столбчатых зерен; е) математические модели технологического процесса получения отливок в литейных установках УВПП-2, ПМП-4, КОПП.
Во всех работах, выполненных в соавторстве, личный вклад состоял в постановке задачи, определении методов решения и интерпретации полученных результатов.