Развитие научных основ моделирования кристаллизации отливок с направленной и равноосной структурой

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.

Общие выводы и результаты работы

1.Обобщены и получили развитие научные представления о тепловых процессах, определяющих формирование композиционной и дендритной структуры отливок при направленной кристаллизации.

2. Разработана модель процесса направленной кристаллизации отливок со структурой в условиях плоского фронта роста. Установлена связь условий на фронте роста с параметрами технологического процесса и конструктивными особенностями литейной установки. Определены пути усовершенствования технологического процесса. Показано, что для повышения градиента температуры необходимо увеличивать температуру нагрева формы и/или скорость ее перемещения.

3. Разработан метод экспериментального исследования тепловых условий НК, позволяющий определить градиент температуры и положение фронта роста для любого момента времени в течение всего технологического цикла.

4. Разработан и экспериментально подтвержден на отливках различной геометрической формы экспресс-метод выбора оптимального режима НК лопаток ГТД, позволяющий по результатам одной плавки определить оптимальный режим НК и получить требуемую структуру в пере, замке и переходных сечениях отливки.

5. Разработана модель формирования микропористости, в которой образование поры рассматривается как способ релаксации усадочных напряжений, возникающих при кристаллизации расплава. Получено основное дифференциальное уравнение модели, определяющее связь между деформацией расплава, усадкой металла, течением расплава в дендритном каркасе и образованием пор. Получены зависимости объемной доли и приведенного радиуса пор от градиента температуры и скорости кристаллизации. Полученные зависимости носят общий характер и применимы к различным отливкам независимо от их геометрической формы.

6. Разработана модель формирования усадочной раковины и макропористости в отливке, учитывающая капиллярный эффект и дисперсность дендритного каркаса.

7. Предложен механизм конкурентного роста столбчатых зерен в кристаллоотборнике при направленной кристаллизации монокристаллических отливок. Определены условия подавления лидирующим зерном соседей с иной кристаллографической ориентировкой. Показано, что благоприятными для получения монокристаллических отливок с ориентировкой [001] являются режимы направленной кристаллизации с высокой скоростью кристаллизации и небольшим градиентом температуры. Напротив, для получения монокристалла [111] необходим высокий градиент температуры при небольшой скорости кристаллизации.

8. Показано, что образование паразитных зерен в переходных сечениях отливки типа «перо-замок» более вероятно при высокой скорости роста. Существенную роль в образовании этих дефектов играет склонность расплава к переохлаждению и чистота металла.

9. Разработаны специализированные программные комплексы для моделирования технологии получения отливок с равноосной, направленной и монокристаллической структурой, отличающиеся от известных коммерческих продуктов автоматизацией формирования граничных условий для определенного вида промышленных литейных установок.

10. Изучены теплофизические особенности применения опорного наполнителя при литье фасонных отливок из никелевых жаропрочных сплавов и сталей по выплавляемым моделям. Установлено, что в условиях направленной кристаллизации эффективный коэффициент теплопроводности опорного наполнителя зависит от размеров частиц и слабо зависит от теплопроводности материала засыпки. В области высоких температур - выше 1500оС преобладает перенос тепла излучением, что позволяет считать опорный наполнитель «полупрозрачной» средой. Увеличение размера частиц опорного наполнителя приводит к повышению его эффективной теплопроводности

11. Теоретически обоснованы режимы направленной кристаллизации крупногабаритных лопаток ГТД с применением опорного наполнителя. Установлено, что в квазистационарном режиме направленной кристаллизации градиент температуры в двухфазной зоне отливки и скорость охлаждения расплава не зависят от коэффициента теплопроводности опорного наполнителя. При расположении отливки в центре опоки значительно большего диаметра, градиент температуры и скорость охлаждения расплава в двухфазной зоне не зависят от поперечного сечения отливки.

12. Разработаны методические основы применения компьютерного моделирования при подготовке производства опытных отливок. Разработаны и реализованы на ФГУП НПЦ газотурбостроения «Салют» методики моделирования литейной технологии получения отливок с равноосной, направленной и монокристаллической структурой из никелевых жаропрочных сплавов и сталей.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах

Отдельные издания

Монастырский В.П. Математическое моделирование процесса направленной кристаллизации, Москва, МГТУ «МАМИ», 2011, 178 с. (монография).

Статьи в рецензируемых научных изданиях и изданиях из списка ВАК РФ:

Монастырский В.П., Логунов А.В. Принципы расчета тепловых условий, обеспечивающих оптимальные параметры процесса направленной кристаллизации жаропрочных сплавов//Авиационные материалы, 1980, вып.1, c.59-68, ОНТИ ВИАМ.

Хуснетдинов Ф.М, Логунов А.В., Монастырский В.П. Высокоградиентное нагревательное устройство для направленной кристаллизации.//Авиационные материалы 1981, вып.3, с.87-92, ОНТИ ВИАМ.

А.В.Логунов, В.П.Монастырский. Методика расчета тепловых условий при литье деталей из жаропрочных сплавов методом направленной кристаллизации. В сб. Теплофизические исследования жаропрочных сплавов и теплозащитных покрытий. Под ред. А.И.Ковалева и И.М.Хацинской, Авиационные материалы, 1983, с.81-99, ОНТИ ВИАМ.

Монастырский В.П., Логунов А.В. Обратная задача теплопроводности при направленной кристаллизации//Физика и химия обработки материалов, 1984, N1,с.28-35.

Монастырский В.П., Логунов А.В. Об управлении процессом направленной кристаллизации//Физика и химия обработки материалов, 1984, N4,с.60-65.

Монастырский В.П., Логунов А.В. Математическая модель процесса направленной кристаллизации слитков простой геометрической формы//Авиационные материалы, 1984, вып.4, с.46-59, ОНТИ ВИАМ.

Монастырский В.П., Логунов А.В. Направленная кристаллизация слитков простой геометрической формы по методу Бриджмена//Авиационные материалы, 1984, вып.4, с.59-70, ОНТИ ВИАМ

Монастырский В.П., Бондаренко Ю.А. Направленная кристаллизация лопаток ГТД из сплава ВКЛС-20/Труды IV научно-технических чтений, посвященных памяти А.Т.Туманова. 25 апреля 1986 г.//Авиационные материалы, вып.4, 1990 г., ОНТИ ВИАМ.

Светлов И.Л., Кулешова Е.А., Монастырский В.П. и др. Влияние направленной кристаллизации на фазовый состав и дисперсность структуры никелевых сплавов//Известия АН СССР, Металлы, №1, 1990, с.86-93.

Монастырский В.П., Монастырская Е.В., Зуев А.В. Теплофизические особенности направленной кристаллизации с применением опорного наполнителя. Физика и химия обработки материалов, 2004, №5, с.79-87

Монастырский В.П. Условия создания высокого градиента температуры при выращивании монокристаллов никелевых жаропрочных сплавов методом направленной кристаллизации. Физика и химия обработки материалов, 6 (2004), с. 77-83.

Поклад В.А., Оспенникова О.Г., Рудницкий С.В., Алферов А.И., Родионов В.И., Монастырский В.П. Применение CALS-технологий в литейном производстве ФГУП ММПП «Салют»//Литейное производство, №8, 2007, с.6-8, 15-17.

Монастырский В.П., Александрович А.И., Монастырский А.В., Соловьев М.Б., Тихомиров М.Д. Моделирование напряженно-деформированного состояния отливки при кристаллизации//Литейное производство, №8, 2007, сс.45-47.

Монастырский В.П., Монастырский А.В., Левитан Е.М. Разработка технологии литья крупногабаритных лопаток ГТД для энергетических установок с применением систем «Полигон» и ProCAST//Литейное производство, №9, 2007, сс.29-34.

Монастырский В.П. Модель образования усадочной раковины в отливке//Литейное производство, №12, 2007, сс.13-14.

Монастырский В.П. Моделирование и оптимизация процесса направленной кристаллизации рабочих лопаток ГТД // Литейщик России, №7, 2009, сс.18-23.

Монастырский В.П. Особенности интерпретации термической кривой при ДТА и ДСК анализе никелевых жаропрочных сплавов//Заводская лаборатория. Диагностика материалов. №8.2011. Том 77, с.23-29.

Монастырский В.П. Моделирование микропористости в отливках, затвердевающих в условиях направленного теплоотвода//Тепловые процессы в технике, т.3, №1, 2011, стр.20-27

Монастырский В.П. Моделирование образования макропористости и усадочной раковины в отливке//Литейщик России, №10, 2011,сс.16-21.

Монастырский В.П., Рожкова М.К. Регрессионная модель процесса направленной кристаллизации отливок из никелевых жаропрочных сплавов в установке увнк-8п//Литейщик России, №1, 2012,сс..22-27.

Монастырский В.П., Кондратьева М.С.Моделирование направленной кристаллизации отливок из никелевых жаропрочных сплавов в установке с водоохлаждаемым кристаллизатором//Литейщик России, №1, 2013,сс.23-27.

В других изданиях

Логунов А.В., Монастырский В.П., Разработка принципов расчета оптимальных условий направленной кристаллизации эвтектических сплавов/Тезисы докладов на I Всесоюзной научно-технической конференции "Закономерности - формирования структуры сплавов эвтектического типа". Днепропетровск, ДМИ, 1979., с.115

Карасев Б.Е., Логунов А.В., Чуприков Г.Е, Монастырский В.П. Современное состояние и основные проблемы развития литья деталей из жаропрочных и других сплавов/Материалы Республиканской научно-технической конференции "Пути интенсификации технического перевооружения литейного производства и задачи повышения качества и снижения металлоемкости".1984., Ташкент.

Кулешова Е.А.,Светлов И.Л.,Панкратов В.А., Монастырский В.П. Влияние температурно-скоростных параметров направленной кристаллизации на фазовый состав и дисперсность структуры никелевых сплавов/Тезисы докладов на I Всесоюзном симпозиуме "Жаростойкие и жаропрочные металлические материалы". Звенигород, 1989, с 56.

Монастырский В.П., Качанов Е.Б. Конкурентный рост ГЦК-монокристаллов с различной кристаллографической ориентацией в нестационарном поле температур/Тезисы докладов на I Уральской школе по росту кристаллов металлов и интерметаллидов из расплава. Свердловск, УПИ, 1990.

Кулешова Е.А., Монастырский В.П., Панкратов В.А., Хлыстов Е.Н., Родионов Д.П., Виноградова Н.И. Взаимосвязь дисперсности микроструктуры ГЦК-кристаллов с их кристаллографической ориентацией/Тезисы докладов на I Уральской школе по росту кристаллов металлов и интерметаллидов из расплава. Свердловск, УПИ, 1990.

Монастырский В.П., Махлис М.Л. Подсистема моделирования и оптимизации процесса затвердевания сложных отливок в САПР ТП/Тезисы доклада на Научно-техническом семинаре "Механика и технология машиностроения". Свердловск, УПИ, 1990.

Монастырский В.П., Качанов Е.Б., Наумов М.И. Математическая модель конкурентного роста столбчатых зерен при направленной кристаллизации многокомпонентного расплава//Кристаллизация и компьютерные модели./Труды IV Всесоюзной конференции по проблемам кристаллизации сплавов и компьютерного моделирования, Ижевск, 16-18 окт.1990 г. -Ижевск, УдГУ, 1991, с.10-24.

Монастырский В.П., Качанов Е.Б., Наумов М.И. Исследование и оптимизация процесса направленной кристаллизации отливок из жаропрочных сплавов с помощью ППП НК-2/Тезисы доклада на V Международной научно-технической конференции "Кристаллизация и компьютерные модели". Ижевск, УдГУ, 1992.

S.U.An, V.Monastyrskiy, E.Monastyrskaia, at all. The Thermal Analysis of the Mushy Zone and Grain Structure Changes During Directional Solidification of Superalloys/Proceedings of the Ninth International Symposium on Superalloys//Superalloys 2000. September 17-21, 2000, Seven Springs, PA., pp. 247-255.

Монастырский В.П., Монастырская Е.В. Комплекс программ CASTXX3D для моделирования теплофизических процессов в материаловедении и металлургии/Тезисы доклада на международной научно-практической конференции "Автоматизированный печной агрегат - основа энергосберегающих технологий металлургии XXI века. Москва, МИСиС, 2000, с.

V.P.Monastyskii, Yu.A.Zeigarnik, “Inverse Heat Conduction Problem for Analysis of Directional Solidification Experimental Data”, (Proceedings of IHTC12. Grenoble, 2002), 243-248.

Монастырский В.П., Поклад В.А., Оспенникова О.Г., Рудницкий С.В. Опыт ММПП «САЛЮТ» по применению CAD и CAE систем в опытном производстве литых заготовок деталей газотурбинных двигателей/Тезисы доклада на III Международной научно-практической конференции "Прогрессивные литейные технологии». Москва, МИСиС, 2005, с.126-128.

Монастырский В.П., Оспенникова О.Г., Рудницкий С.В. Опыт применения и перспективы развития систем автоматизированного моделирования литейных процессов в опытном производстве деталей ГТД/Тезисы доклада на Всероссийской научно-практической конференции "Новые материалы и технологии НМТ-2006», т.1, Москва, МАТИ, 2006, с.38-39.

Монастырский В.П. Теплофизические основы получения естественных композиционных материалов в металлических системах/Труды 5-й Московской Международной конференции «Теории и практика технологии производства изделий из композиционных материалов и новых металлических сплавов (ТПКММ). 2007. Москва.

V.P.Monastyrskiy, I.L.Koynov. Experience of industrial application of commercial software for casting processes simulation/Recent development of modeling of casting and solidification processes// Proceedings of the 7th Pacific Rim International Conference on Modeling of Casting and Solidification Processes. 2007, Dalian. China. pp.671-678.

В.А.Поклад, О.Г.Оспенникова, С.В.Рудницкий, Монастырский В.П. CALS-технологии в производстве особо ответственных литых деталей из жаропрочных никелевых сплавов и высокопрочных сталей/Российская энциклопедия CALS. Авиационно-космическое машиностроение. Гл. ред. А.Г.Братухин. М.: ОАО НИЦ АСК, 2008, 410-415

V. P. Monastyrskiy. Modeling of Porosity Formation in Ni-based Superalloys/ Proceedings of the 8th Pacific Rim International Conference on Modeling of Casting and Solidification Process (MCSP8-2010), Edited by Jeong-Kil Choi, 2010, pp.89-85.

V.P.Monastyrskiy. Modeling and Numerical Optimization of Withdrawal Rate in a Directional Solidification Process//IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 33 (2012) 012023.

Размещено на Allbest.ru