Автореферат: Развитие научных основ моделирования кристаллизации отливок с направленной и равноосной структурой

В связи с тем, что поперечный масштаб рассматриваемого процесса существенно меньше поперечного размера отливки, и целиком определяются условиями в двухфазной зоне. Получены регрессионные зависимости объемной доли и приведенного радиуса микропор от градиента температуры и скорости направленной кристаллизации для сплава ЖС26 при критическом давлении образования поры МПа:

Уравнения (9),(10) зависят от конфигурации отливки лишь в той мере, в которой от нее зависят и , что делает их применимыми к отливкам различной конфигурации, получаемым методом НК.

В диссертации разработана модель формирования усадочной раковины, учитывающая капиллярный эффект в питании междендритных пространств над свободной поверхностью расплава и усовершенствованный метод пошагового определения положения зеркала расплава.

Модель рассматривает следующие этапы эволюции теплового узла в кристаллизующейся отливке

1. Образование открытой усадочной раковины. В рамках предложенной модели свободная поверхность расплава существует до момента образования неподвижного дендритного каркаса. Перемещение свободной поверхности вследствие усадки металла при кристаллизации приводит к образованию открытой усадочной раковины. После образования неподвижного дендритного каркаса, благодаря капиллярному эффекту, междендритные пространства полностью заполнены расплавом, и свободная поверхность расплава как таковая не существует.

2. Образование свободной поверхности расплава в замкнутом тепловом узле. В отсутствие свободной поверхности, усадка расплава вследствие кристаллизации приводит к деформации расплава и падению давления в тепловом узле. При падении давления ниже критического происходит образование новой поверхности раздела - свободной поверхности расплава, что приводит к релаксации возникающих напряжений. Образованию внутренней усадочной раковины способствуют малая площадь свободной поверхности расплава и большой объем кристаллизующегося расплава. Существенную роль играет направление отвода тепла. Образование внутренней усадочной раковины может быть связано с высокой интенсивностью охлаждения поверхности расплава.

3. Образование макропористости в замкнутом тепловом узле. На этом этапе во всем объеме теплового узла существует неподвижный каркас твердой фазы, что делает невозможным существование свободной поверхности расплава. При падении давления ниже критического происходит образование макропористости. Питание происходит путем перемещения расплава из мест образования макропористости к периферии теплового узла. Размеры макропор зависят от размеров междендритных пространств в соответствии с балансом сил:

Где - поверхностное натяжение.

Кристаллизационная усадка металла инициирует рост ранее возникших пор. По мере роста доли твердой фазы и уменьшения проходного сечения междендритных пространств растет капиллярное давление, препятствующее росту существующей поры, и создаются условия для возникновения новых пор. Объемная доля пор зависит от выбора параметров модели , и , определяющих момент достижения давления, при котором начинает образовываться пористость. Результаты моделирования согласуются с результатами металлографического исследования отливок и результатами моделирования в стандартной модели СКМ Полигон (рис.8).

Разработаны алгоритмы имитационного моделирования и программный модуль для системы компьютерного моделирования литейных процессов СКМ ЛП «ПолигонСофт».

В главе 5 рассмотрен конкурентный рост столбчатых зерен в стартовой зоне при НК монокристаллических отливок, формирование макроструктуры отливок и ее дефектов в виде паразитных зерен.

Предложен механизм конкурентного роста столбчатых зерен, основанный на опережающем росте зерна, одно из направлений роста которого имеет наименьший угол отклонения от вектора градиента температуры. Подавление лидирующим зерном своих соседей происходит в том случае, если опережение составляет величину, превышающую расстояние между вторичными осями дендритов. Исходя из равенства осевых составляющих скоростей роста пары зерен с различной кристаллографической ориентацией, получен критерий подавления одного зерна другим:

где - кинетический коэффициент; и - с углы отклонения направлений [001] от вектора градиента.

На основе этого предположения определены области режимов направленной кристаллизации, при которых возможно подавление зерном с направлением [001], совпадающим с вектором градиента температуры, зерен с иной кристаллографической ориентацией, в зависимости от угла разориентации (рис.9).

На основе развиваемой в диссертации геометрической модели роста зерен дан анализ опасности возникновения «паразитных» зерен в отливках переходными сечениями типа «замок-перо». Показано, что опасность возникновения «паразитных» зерен актуальна, прежде всего, для сплавов с низким кинетическим коэффициентом , не склонных к переохлаждению. Теоретически показано, что с ростом скорости охлаждения растет величина переохлаждения расплава в переходном сечении отливки. Увеличение приводит также к уменьшению общего времени кристаллизации переходного сечения отливки. Время существования области с некоторой величиной переохлаждения зависит от условий кристаллизации (), природы сплава () и характерного размера переходного сечения :

Теоретически установлено, что с увеличением скорости охлаждения расплава растет как время существования зоны глубокого переохлаждения расплава, так и величина этого переохлаждения, что способствует образованию в монокристаллической отливке дефектов в виде «паразитных» зерен.

Разработана имитационная модель конкурентного роста зерен при направленной кристаллизации, основанная на численном решении уравнения движения фронта роста. Решение дает массив изолиний постоянного времени кристаллизации, что позволяет проследить продвижение поверхности раздела твердой и жидкой фаз по отливке.

В модели предполагается взаимодействие между зернами только путем непосредственного контакта. Нелинейные эффекты, связанные с изменением поля концентрации и распределения температуры в расплаве вследствие разделительной диффузии и выделения теплоты кристаллизации во внимание не принимаются. Благодаря этому, возможна суперпозиция результатов имитационного моделирования роста зерен с различной кристаллографической ориентацией. Алгоритм имитации процесса роста одного зерна может быть применен для моделирования роста нескольких зерен, результирующий массив времени кристаллизации отливки при одновременном росте нескольких зерен формируется путем сравнения времени кристаллизации отдельных зерен и занесения в результирующий массив наименьшего из них. Суперпозиция правомерна, поскольку при малом термическом переохлаждении в 1ч2оС, необходимом для роста твердой фазы, наложенное распределение температуры не зависит от числа зерен и их ориентации.

Глава 6 посвящена практическому использованию результатов диссертационной работы и их внедрению в промышленность.

Результаты теоретических исследований квазистационарного процесса НК были использованы при создании лабораторных установок для получения отливок с композиционной структурой . Дано теоретическое обоснование конструкции теплового узла установки для НК цилиндрических образцов по методу Бриджмена. Разработаны режимы НК с градиентом температуры до 180К/см, достигаемым за счет применения бокового холодильника и оптимизации условий теплопередачи к кристаллизатору. Теоретически обоснована конструкция теплового узла с двухзонным нагревателем для установки с жидкометаллическим холодильником. Двухзонный нагреватель позволил увеличить градиент температуры до 240 К/см путем локализации зоны интенсивного нагрева формы перед фронтом роста, не увеличивая температуру металла и формы вдали от фронта роста, что существенно понижает интенсивность взаимодействия формы с расплавом и риск ее разрушения из-за потери прочности при высоких температурах.

В рамках научно-исследовательских работ, направленных на разработку и внедрение сплавов с естественной композиционной структурой, был опробован метод выбора оптимального режима направленной кристаллизации. Метод защищен авторским свидетельством СССР № 1577170. Совместно с Ю.А.Бондаренко на установке УВНЭС-3 по режиму направленной кристаллизации с переменной скорость перемещения формы получена литая заготовка рабочей лопатки газовой турбины авиационного двигателя с композиционной структурой по всей длине отливки. Обоснована применимость метода к направленной кристаллизации отливок с дендритной (в том числе монокристаллической) структурой.

На основе теоретических исследований условий конкурентного роста столбчатых зерен получено обоснование режимов стабильного получения отливок с монокристаллической структурой, исключающих образование ростовых дефектов в виде паразитных зерен.

Обширный экспериментальный материал, полученный на опытных и лабораторных установках, подтвердил основные теоретические положения, разработанные в данной диссертации, и послужил основой для дальнейшего развития и практического применения этих положений.

Результаты диссертационной работы были использованы при разработке программных кодов для моделирования процессов получения отливок с направленной и равноосной структурой.

Разработан и внедрен на ГП НПКТ «Зоря»-«Машпроект», г. Николаев программный комплекс CASTDS2D для моделирования технологии получения крупногабаритных лопаток ГТУ с равноосной структурой на установке УВПП-2.

Разработан и внедрен на ГП НПКТ «Зоря»-«Машпроект», г. Николаев в 1998 г. программный комплекс PMP3D для моделирования технологии получения рабочих лопаток ГТД с направленной и монокристаллической структурой на установке ПМП-4.

Разработан и включен в состав коммерческого программного комплекса СКМ «Полигон» программный модуль для моделирования макропористости и усадочной раковины.

Разработан программный комплекс КОРРCAST3D для моделирования технологического процесса получения отливок с равноосной и направленной структурой в установках фирмы KOPP (ОАО “Завод турбинных лопаток”, СПб).

Результаты диссертационной работы были применены в практической работе на ФГУП НПЦ газотурбостроения «Салют» при внедрении систем компьютерного моделирования литейной технологии СКМ ЛП «ПолигонСофт» и ProCAST. В целях эффективного использования этих программных комплексов были решены ряд научных и организационно-технических задач. Были решены методические задачи, связанные с порядком применения литейных программ в опытном производстве. Как следствие этого, были определены и выполнены организационные мероприятия по созданию отдела САПР ЛП, набору и обучению специалистов. Выпущена производственная инструкция, определяющая порядок взаимодействия отдела САПР ЛП с конструкторскими отделами и подразделениями литейного комплекса, включающего три литейных цеха, а также с соответствующими службами Управления Главного металлурга. Организована трехуровневая система повышения квалификации специалистов отдела. Проведено обучение на семинарах в отделе, совершенствование знаний CAD-систем на курсах повышения квалификации, действующих на предприятии, ознакомление с теоретическими основами моделирования литейных процессов - на ежегодных курсах Solidification Course (Швейцария) c участием крупнейших специалистов в области физического металловедения.

На основе имеющего экспериментального материала и литературных данных проведена работа по выбору граничных условий, адекватно отражающих особенности литейного производства на предприятии. Методами расчета в термодинамической базе данных CompuTherm с привлечением данных дифференциального термического анализа определены теплофизические свойства литейных сталей и сплавов в твердом и жидком состоянии. Разработана оригинальная методика подготовки геометрической информации, позволяющая многократно сократить время на проведение расчетов.

Разработаны конструкции литейных блоков и температурно-временные параметры технологии получения отливок более 150 деталей для изделий опытного и серийного производства. Результаты выполненных работ отражены в производственных инструкциях, технологических указаниях, отчетах и рекомендациях, перечень которых приведен в приложениях к диссертации.