Развитие методов компьютерного моделирования процессов формирования кристаллической структуры и пористости в отливках их сплавов, применяемых в турбомашиностроении тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Иванина Елена Святославна

• Иванина Елена Святославна
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Иванина Елена Святославна

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВОК С НАПРАВЛЕННОЙ И РАВНООСНОЙ СТРУКТУРОЙ

1.1. Жаропрочные сплавы с равноосной, столбчатой, 13 монокристаллической структурой и методы направленной кристаллизации

1.2. Методы получения монокристаллических отливок

1.3. Связь структуры отливок, получаемых методом направленной 25 кристаллизации, с параметрами технологического процесса

1.4. Анализ проблемы поиска универсального критерия качества 31 отливки

1.5. Применение методов компьютерного моделирования литейных 35 процессов в опытном производстве

1.6. Выводы по главе 1 41 ГЛАВА 2. АНАЛИЗ НАПРАВЛЕННОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

КРУПНОГАБАРИТНЫХ ОТЛИВОК ИЗ НИКЕЛЕВЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ В УСТАНОВКЕ УВНК-8П ПРИ РАДИАЦИОННОМ ОХЛАЖДЕНИИ ФОРМЫ

2.1. Описание процесса моделирования установки УВНК-8П и 46 крупногабаритной лопатки ГТД

2.2. Теплофизические свойства материалов и параметры 51 технологического процесса

2.3. Методика вычислительного эксперимента

2.4. Анализ процесса направленной кристаллизации 58 крупногабаритных лопаток ГТД в промышленной установке УВНК-8П

2.5. Выводы по главе 2 70 ГЛАВА 3. РАЗВИТИЕ НАУЧНЫХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О

ФОРМИРОВАНИИ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ПРИ ПОМОЩИ КРИСТАЛЛООТБОРНИКА

3.1. Методика вычислительного эксперимента

3.2. Механизм отбора одного зерна в канале кристаллоотборника

3.3. Анализ полученных результатов

3.4. Выводы по главе

ГЛАВА 4. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ 92 КОМПЬЮТЕРНОГО ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПОРИСТОСТИ В ОТЛИВКАХ С РАВНООСНОЙ СТРУКТУРОЙ

4.1. Объект исследований и методика вычислительного 95 эксперимента

4.2. Применение критерия Ниямы для прогнозирования 103 усадочной пористости

4.3. Количественная оценка образования усадочной пористости

4.4. Выводы по главе

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Развитие методов компьютерного моделирования процессов формирования кристаллической структуры и пористости в отливках их сплавов, применяемых в турбомашиностроении»

Актуальность работы

Развитие методов компьютерного моделирования процессов формирования пористости и кристаллической структуры в отливках ответственного назначения, применяемых в турбомашиностроении, в том числе из никелевых жаропрочных сплавов, является важной научно-технической задачей. В современном литейном производстве применение программных комплексов для моделирования литейных процессов позволяет снизить трудоемкость на стадии разработки технологии и материальные затраты, а также оперативно получить наглядную информацию о формируемой структуре и пористости в отливке. Это делает компьютерное моделирование эффективным инструментом опытного производства.

В настоящее время актуальным направлением является управление формированием кристаллической структуры отливки и гарантированного получения отливок с равноосной, направленной столбчатой и монокристаллической структурой без паразитных зерен и с допустимым уровнем пористости (до 0,1%).

В промышленности для получения рабочих лопаток газовых турбин широко применяется метод направленной кристаллизации (НК). Совершенствование конструкции теплового узла в установке НК за счет отказа от жидкометаллического холодильника для получения крупногабаритных отливок является одной из актуальных научно-технических задач.

Развитие представлений о формировании монокристаллической структуры при помощи различных кристаллоотборников - одно из направлений повышения степени управляемости процессом направленной кристаллизации. Широкое применение кристаллоотборников делает актуальным изучение роста зерен в зависимости от геометрических характеристик канала кристаллотборника.

Пористость является распространенным дефектом в отливках с направленной структурой. Повышение точности расчетов пористости в лопатках ГТД является важным направлением развития методов компьютерного моделирования.

Основываясь на вышеизложенном, можно утверждать, что данная работа посвященная развитию методов компьютерного моделирования процессов формирования кристаллической структуры и пористости в двухфазной зоне отливки с равноосной, направленной и монокристаллической структурами на базе расширения технологических возможностей способа НК, и уточнение теоретических представлений о применении критерия Ниямы, является актуальной.

В результатах работы заинтересованы предприятия отрасли турбомашиностроения, такие как АО «Объединенная двигателестроительная корпорация», (ПК «Салют», ПАО «ОДК-Сатурн», ПАО «ОДК-УМПО», ПАО «ОДК-ПМЗ»).

Цель работы

Развитие методов компьютерного моделирования процессов формирования кристаллической структуры и пористости в двухфазной зоне отливки с равноосной, направленной и монокристаллической структурой на базе расширения технологических возможностей способа НК, и уточнение теоретических представлений о применении критерия Ниямы.

Задачи исследования

Для достижения поставленной цели следует решить следующие задачи:

1. Компьютерное моделирование процесса направленной кристаллизации протяженных лопаток ГТД при радиационном охлаждении формы с целью совершенствования теплового узла промышленной установки УВНК-8П и определение подходящего режима для получения монокристаллической структуры.

2. Исследование механизма конкурентного роста зерен и разработка рекомендаций по выбору эффективного кристаллотборника для гарантированного получения монокристаллических отливок.

3. Разработка метода компьютерного прогнозирования усадочной пористости в отливках на основе критерия Ниямы с учетом тепловых условий в двухфазной зоне отливки (литейный сплав и температура кокиля).

Объект исследования

Процесс направленной кристаллизации крупногабаритных лопаток ГТД с монокристаллической структурой в установке НК при радиационном охлаждении формы, механизм конкурентного роста зерен в стартовой системе отливки (включающей в себя затравку и кристаллоборник) из никелевого жапропрочного сплава с различными видами кристаллоотборников, а также методика прогнозирования пористости с помощью критерия Ниямы в отливке типа «Плита».

Предмет исследования Предметом исследований являются формализованные зависимости для процесса НК, связывающие между собой параметры пористости и структуры отливки, с одной стороны, и тепловые условия кристаллизации, с другой.

Научная новизна

1. Определен механизм конкурентного роста зерен в плоском кристаллотборнике при смене положения зоны благоприятного роста монокристалла в канале кристалловода. Показано, что эта зона в плоском кристаллотборнике меняется только один раз, что обусловливает низкую эффективность такого кристаллоотборника для получения монокристаллов (20%).

2. Получена зависимость между критерием Ниямы и объемной долей пор в центральном сечении отливки типа «Плита» из модельного сплава (МЛ10) по двум взаимно перпендикулярным направлениям, в которой величина пористости зависит от тепловых условий кристаллизации (градиент температуры и скорость охлаждения), а также от технологических факторов (температура кокиля и материал кокиля).

3. Разработана методика компьютерного моделирования для определения пороговых значений критерия Ниямы, на основе которой возможна быстрая оценка микропористости в отливках типа «Плита».

4. Для модельного сплава (МЛ10) в условиях технологии литья в кокиль получена функциональная зависимость между объемной долей усадочных пор, градиентом температуры и скоростью кристаллизации для отливки типа «Плита»,

на основе которой может быть построена шкала для оценки пористости по значениям градиента температуры и скорости кристаллизации.

Практическая значимость

1. Установлены технологические параметры процесса направленной кристаллизации при радиационном охлаждении формы, которые обеспечивают получение монокристаллической структуры крупногабаритных лопаток газотурбинного двигателя из никелевых жаропрочных сплавов в промышленной установке УВНК-8П.

2. Разработана методика моделирования процесса направленной кристаллизации крупногабаритных лопаток при радиационном охлаждении формы в установке УВНК-8П, позволяющая упростить технологический процесс за счет отказа от жидкометаллического холодильника.

3. На основе компьютерного моделирования процесса конкуретного роста зерен в криволинейном канале кристалловода разработаны рекомендации по выбору конструкции кристаллоотборника, обеспечивающего гарантированное получение монокристаллических заготовок для рабочих и сопловых лопаток ГТД.

4. Результаты диссертационной работы позволяют определять температурно-временные параметры технологического процесса получения протяженных тонких фасонных отливок без усадочных дефектов при направленной кристаллизации.

Методы исследования

В проведенных исследованиях применялись следующие методы: теоретический, расчётно-аналитический, а также метод компьютерного моделирования процессов, протекающих в двухфазной зоне отливки c использованием программных продуктов Unigraphis NX, Altair HyperMesh СКМ Полигон Софт, ProCAST, ProCAST модуль CAFE, Altair HyperMesh. Для статистической обработки данных использовались программы Exel и GetNy.exe.

Положения на защиту

1. Методика компьютерного моделирования процесса направленной кристаллизации крупногабаритных лопаток ГТД, включающая два этапа расчета и упрощенную 3D-модель лопатки, позволяющая усовершенствовать

технологический процесс НК за счет замены жидкометаллического холодильника в установке НК на радиационное охлаждение формы, устанавливающая возможность получения крупногабаритных лопаток ГТД с характеристиками дисперсности дендритной структуры, соизмеримыми с отливками, получаемыми при охлаждении формы в расплаве алюминия.

2. Закономерность конкурентного роста зерен в плоском кристалоотборнике, на основе которой проведено сравнение эффективности плоского зигзагообразного кристаллоотборника с кристаллоотборником-геликоидом и разработаны рекомендации по выбору оптимальной конструкции кристаллотборника для гарантированного получения монокристаллических отливок.

3. Методика определения порога значений критерия Ниямы для модельных сплавов (14Х17Н2Л и МЛ10), необходимого для прогнозирования зон пористости по температурным полям в отливке в процессе затвердевания.

4. Зависимость вида P=f(G,W), связывающая пористость с условиями кристаллизации, справедливая для любой температуры кокиля в исследованном диапазоне температур (200 оС, 300 оС, 400 оС, 500 оС) для модельного сплава (МЛ10) в отливке типа «Плита».

Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечивались комплексом теоретических и расчётно-аналитических исследований, а также использованием современных систем компьютерного моделирования, имеющих многолетний опыт использования и прошедших верификацию результатов численных расчетов результатам диагностики реальных отливок с помощью современных методов контроля.

Личный вклад автора

Представленные в работе результаты получены соискателем при выполнении научно-исследовательских работ в период 2017-2024 гг. Автором совместно с научным руководителем была поставлена задача научного исследования, систематизирован теоретический материал о никелевых жаропрочных сплавах,

методах получения отливок из этих сплавов, а также о факторах, оказывающих влияние на структуру отливок.

Разработана методика вычислительного эксперимента для совершенствования установки НК с радиационным охлаждением формы, проведены расчеты и численная обработка полученных результатов.

Проведено сравнение плоского и спиралевидного кристаллоотборников. Разработана методика расчетов для выбора оптимальной конструкции кристаллоотборника, обеспечивающей гарантированное получение монокристаллических заготовок для рабочих и сопловых лопаток ГТД.

Разработана методика количественного прогнозирования усадочной пористости в отливках по тепловым условиям в двухфазной зоне отливки. Определен порог значения критерия Ниямы для случая кристаллизации отливки типа «Плита» при различных технологических процессах (для модельного сплава МЛ10 при литье в кокиль с температурой (200 оС, 300 оС, 400 оС, 500 оС) и литье в ХТС).

Получена зависимость связи пористости с тепловыми условиями кристаллизации, а именно градиентом температур и скоростью кристаллизации.

В диссертации представлены результаты исследования, полученные автором самостоятельно. Обсуждение и анализ результатов проведены при участии соавторов публикаций по теме диссертационной работы.

Связь с научными программами Исследование проводилось в рамках гранта РФФИ «Аспиранты», научный проект №19-38-90099/19 (2019-2024).

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на 7 всероссийских и 3 международных научно-технических конференциях:

1. Научно-техническая конференция «Пром-Инжиниринг». Санкт Петербург.2017г.

2. Всероссийской научно-практической конференции «Проектирование и перспективные технологии в машиностроении, металлургии и их кадровое обеспечение», Чебоксары 2017.

3. Всероссийская научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования в области создания литейных жаропрочных сплавов и высокоэффективных технологий изготовления деталей ГТД» Москва 2019.

4. Международная научно-практическая конференция «Прогрессивные литейные технологии 2017» г. Москва, 2017.

5. Всероссийская научно-техническая конференция «Студенческая весна: машиностроительные технологии», г. Москва 2018; г. Москва 2019; г. Москва, 2020.

6. Международная молодёжная научная конференция «Гагаринские чтения». 2020.

7. Х Международная научно-практическая конференция «Прогрессивные литейные технологии», г. Москва 2020.

8. Всероссийская (национальная) научно-практическая конференция «Актуальные проблемы науки и техники. 2024», г. Ростов-на-Дону, 2024.

Публикации

Основные результаты диссертационной работы представлены в 14 публикациях, 10 из которых в материалах научных конференций, 4 статьи в рецензируемых изданиях из перечня ВАК, из них 2 статьи в журналах, включенных в международную наукометрическую базу Scopus.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав и заключения. Содержит 136 страниц машинописного текста, а также 51 рисунок, 15 таблиц и список использованных источников из 94 наименований.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВОК С НАПРАВЛЕННОЙ И РАВНООСНОЙ СТРУКТУРОЙ

Научные основы теории формирования структуры и дефектов в отливках заложены отечественными и зарубежными учеными: Г.Ф.Баландин,

A.А. Неуструев, В.Т.Борисов, В.А. Журавлев, В.Н. Толорайя, Е.Н. Каблов,

B.М. Голод, C.Beckermann A.F.Giamei, E. Niyama, W.Kurz, M.Rappaz, P.R.Sahm и многими другими. В их научных трудах широко представлены фундаментальные вопросы тепло- и массопереноса в двухфазной зоне отливки и определено направление развития теории кристаллизации металлов [1-22].

На основе этих исследований был разработан математический принцип, позволяющий разрабатывать алгоритмы и программы для моделирования литейных процессов. Такие программы, как ProCAST, СКМ «Полигон», Flow3D, LVMFlow, MAGMASoft [23-27] и пр., сейчас активно используются в литейных производствах, выпускающих отливки для авиастроения, машиностроения, автомобильной промышленности и прочих металлургических сфер (предприятий).

В авиастроении одной из наиболее актуальных является проблема улучшения качества лопаток газотурбинных двигателей. Развитие компьютерных технологий позволяет решать эту проблему на новом качественном уровне, позволяющем экономить время, материальные и трудозатраты.

В настоящее время для производства отливок ответственного назначения широко применяются никелевые жаропрочные сплавы с направленной и монокристаллической структурой. Такие сплавы обладают более высокой прочностью, так как в них отсутствуют поперечные границы зерен, по которым происходит высокотемпературное разрушение.

Известно, что механические свойства различных монокристаллов зависят от их макро- и микроструктуры. Одной из причин разрушений деталей из никелевых жаропрочных сплавов, например лопаток ГТД, являются поры литейного происхождения. Размер пор и их распределение зависят от условий кристаллизации

отливки. Для повышения качества монокристаллов из жаропрочных сплавов необходимо уменьшать объемное содержание пор за счет подбора оптимальных режимов направленной кристаллизации.

В большинстве отливок из различных металлов и сплавов присутствует микропористость. Причиной ее образования являются растворенные в расплаве газы, а также различие молярных объемов жидкой и твердых фаз при затвердевании.

Направленная кристаллизация в вакууме, а также подбор оптимального режима процесса НК, сводят к минимуму вероятность образования газовой пористости и обеспечивают формирование качественной структуры в отливке.

В сплавах с направленной и монокристаллической структурой объемное содержание пор намного меньше, чем в равноосных, так как при направленной кристаллизации расплавленный металл постоянно питает плоскую поверхность раздела твердо-жидкой фазы. В монокристаллах с дендритной структурой поры зарождаются в основании дендритов, где течение расплава затруднено из-за пересечения дендритных ветвей осями второго порядка [28].

Для повышения качества монокристаллических отливок часто применяются кристаллоотборники различной геометрической формы. Начальным этапом формирования монокристалической отливки является зарождение и отбор зерна с требуемой кристаллографической ориентацией. Получение монокристалла заданной кристаллографической ориентации обеспечивается применением монокристаллической затравки. Затравки, являющиеся монокристаллами технического качества, могут состоять из нескольких зерен с близкой ориентацией, отличающейся на несколько градусов. Принято считать, что кристаллоотборник позволяет отобрать одно из зерен, присутствующих в затравке, и сформировать на его основе монокристаллическую отливку с более качественной структурой.

В связи с вышеизложенным, в работе были проведены исследования, посвященные совершенствованию технологии получения отливок с направленной и равноосной структурой, а именно модернизации установки для процесса направленной кристаллизации, анализу формирования монокристаллической

структуры отливок с помощью кристаллоотборников и прогнозированию пористости при помощи критерия Ниямы.

1.1. Жаропрочные сплавы с равноосной, столбчатой, монокристаллической структурой и методы направленной кристаллизации

Основная тенденция развития турбинных двигателей состоит в непрерывном увеличении температуры газа на входе в турбину [29], поэтому материалы, из которых изготавливаются лопатки, должны обеспечивать высокий уровень жаропрочности, жаростойкости и термоусталости. Так, например, в первых ГТД рабочие температуры составляли 700-800 °С, в то время как в современных ГТД более 1100 °С. Требования к уровню свойств сплава и его структуре различаются в зависимости от назначения лопаток: сопловые или рабочие.

Сопловые лопатки работают при более высоких температурах по сравнению с рабочими. Они испытывают изгиб под воздействием сил газового потока. Также на них оказывают воздействие тепловые нагрузки, обусловленные неравномерностью температурного поля лопаток, как при стационарной работе двигателя, так и при изменении режимов его работы. На сопловые лопатки в значительно меньшей мере действуют знакопеременные нагрузки. Уровень возникающих в них напряжений ниже, чем в рабочих, подвергающихся действию центробежных сил.

Повышение жаропрочности литейно-никелевых сплавов достигается за счет введения в состав элементов, которые образуют в никелевой матрице упрочняющие фазы. Чем больше содержание упрочняющих дисперсных частиц и более стабильны упрочняющие фазы, тем более жаропрочным является сплав.

На данный момент существует 5 поколений жаропрочных никелевых сплавов (ЖНС), предназначенных для монокристаллических лопаток различных газотурбинных двигателей авиационного и энергетического назначения. В соответствии с принятой международной классификацией, ЖНС 1-го поколения содержат легирующие элементы: Т^ Al, О-, Mo, W, Ta, N6. В состав ЖНС 2-ого и 3-его поколения дополнительно вводят Re в количестве 2-4 и 5-6% соответственно.

К 4-му и 5-тым поколениям относятся Re-содержащие жаропрочные никелевые сплавы, дополнительно легированные 2 - 6% Ru.

Жаропрочные сплавы на основе никеля занимают ведущее место по объему производства и масштабу применения среди всех материалов, предназначенных для работы при высоких температурах.

Наряду с химическим составом, одним из основных факторов, определяющих уровень эксплуатационных свойств, является структура. Лопатки ГТД, в зависимости от метода изготовления, могут иметь различный тип структуры: равноосную поликристаллическую, направленную столбчатую,

монокристаллическую и композиционную. Ориентация структуры существенно влияет на механические свойства.

Сопловые лопатки имеют равноосную структуру (рис. 1.1а), которая получается путем объемной кристаллизации отливок. Жаропрочный сплав для литья лопаток с равноосной структурой обычно включает в себя углерод.

В таблице 1.1 приведен химический состав сплава ЖС6У, типичного для отливок с равноосной структурой, а также сплава ЖС26У для отливок со столбчатой направленной структурой и сплава ЖС30М для отливок с монокристаллической структурой.

Таблица 1.1. - Типичный химический состав (вес.%, остальное №) никелевых жаропрочных сплавов для отливок с равноосной, направленной и

монокристаллической структурой

Сплав с Сг Со Мо W Та № А1 Ж Re V Zr В г/см3

ЖС6У 0,17 8,8 9,8 1,8 10,3 - 1,0 5,6 2,4 - - - 0,4 0,035 8,40

ЖС26У 0,13 4,4 8,5 1,1 11,9 - 1,7 5,9 0,9 - - 0,9 0,05 0,015 8,57

ЖС30М - 7,0 7,5 0,6 11,7 - 1,1 5,1 1,8 0,1 - - - - 8,64

Процесс формирования равноосной структуры был описан еще в 19 веке: "Температура застывающего металла успевает почти совершенно уравниваться в различных точках и жидкость обращается как бы в кашеобразное состояние

(вследствие образования в различных ее точках зачатков кристаллов). Далее зачатки разрастаются осями-ветвями по различным направлениям, встречаясь друг с другом" (Чернов Д.К.) [30].

Обычно зародышами кристалла являются различные мельчайшие включения или тугоплавкие составляющие, присутствующие в жидком металле. В результате равноосной кристаллизации образуются глобулярные зерна, размеры которых примерно одинаковы по всем направлениям.

В 1946 г. профессор Н.Грант заявлял, что необходимо иметь сплавы с единственным зерном из-за процесса межзеренного разрушения, и если бы существовал способ управления ориентацией этого зерна, то появилась бы уникальная возможность создавать самые прочные сплавы.

Позже действие этого механизма удалось подтвердить экспериментально. В работах академика С.Т. Кишкина [31] показано, что никелевый жаропрочный сплав ЭИ437 деструктурируется по границам зерен, ориентированных перпендикулярно оси внешней нагрузки, причем трещины на этих границах начинают зарождаться уже в начале второй стадии ползучести. Из этого следует вывод, что для повышения длительной прочности никелевых жаропрочных сплавов они должны иметь столбчатую структуру, при которой границы зерен параллельны направлению главных напряжений.

Первыми смогли получить столбчатую структуру никелевого жаропрочного сплава методом направленной кристаллизации Верснайдер и Гуард [32]. Использование для направленной кристаллизации сплавов с традиционной системой легирования, как и ожидалось, повысило пределы их длительной прочности и ползучести, а также пластичность. Лопатки с столбчатой структурой (рис. 1.1 б) обычно располагают на первой ступени газотурбинного двигателя, где температура газа максимальная.

Рисунок 1.1- Лопатки ГТД с а) равноосной структурой и б) столбчатой структурой [33].

Для получения отливок со столбчатой направленной структурой широко применяется сплав ЖС26У. В продольном направлении жаропрочные сплавы со столбчатой структурой обеспечивают существенное повышение длительной прочности и пластичности, но в поперечном направлении их свойства находятся на уровне, характерном для сплавов с равноосной структурой [34].

В настоящее время на 1-й ступени ГТД преимущественно используются лопатки с монокристаллической структурой, имеющие более высокие механические свойства. В виду того, что в монокристаллах отсутствуют границы зерен, отпадает необходимость вводить в сплав элементы, упрочняющие их, такие как В, С, 7г. Это обстоятельство значительно упрощает систему легирования жаропрочных сплавов для выращивания монокристаллов.

Преимущество монокристаллических сплавов по сравнению с обычными поликристаллическими проявляется в более высоком сопротивлении высокотемпературной ползучести, что объясняется отсутствием в сплаве границ зерен.

Для получения монокристаллических отливок широко используется метод направленной кристаллизации. Данный метод был разработан П.Бриджменом в

1925 г. В дальнейшем его усовершенствовал Д. Стокбаргер - отсюда название "метод Бриджмена-Стокбаргера" [35].

Разработка промышленной технологии процесса направленной кристаллизации для лопаток газотурбинного двигателя началась почти одновременно в США и России в 50-х начале 60-х годов ХХ века. Первые образцы монокристаллических лопаток были получены Л. Вершнайдером в США в середине 60-х годов, а спустя некоторое время, в СССР (в ВИАМе) под руководством Д.А. Петрова в лаборатории С.Т. Кишкина.

Научным обоснованием целесообразности применения процесса направленной кристаллизации в изготовлении турбинных лопаток послужили результаты исследования механизмов высокотемпературного разрушения поликристаллических жаропрочных сплавов. В работах академика С.Т. Кишкина было показано, что разрушение в процессе ползучести происходит по границам зерен, ориентированных перпендикулярно оси действующих напряжений. Это позволило сделать вывод о возможности значительного повышения длительной прочности материала за счет избавления его структуры от поперечных границ зерен [36].

Структура лопаток была усовершенствована за счет применения направленной кристаллизации, которая позволила сформировать в отливке столбчатые зерна, границы которых в основном параллельны направлению главных растягивающих напряжений. Применение направленной кристаллизации позволило полнее реализовать потенциальные возможности жаропрочных сплавов - значительно повысить длительную прочность и усталостные свойства сплава.

Первые опыты направленной кристаллизации начинаются с разработки метода Power Down (PD) (рис. 1.2).

Рисунок 1.2 - Эскиз теплового узла для направленной кристаллизации путем снижения

мощности нагревателей форм (метод Power Down); 1 - литейная форма; 2 - двухзонный нагреватель; 3 - холодильник; 4 - приспособление для крепления формы к холодильнику; 5 - термопары.

Сущность данного метода заключается в том, что постепенно снижается мощность нагревателей форм, сначала нижнего, затем верхнего. Недостатком метода является уменьшение интенсивности охлаждения металла по мере удаления фронта роста от кристаллизатора.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Иванина Елена Святославна, 2025 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Баландин Г.Ф. Основы теории формирования отливки. Учебное пособие в 2- х частях // Машиносторение. 1976. 328 с.

2. Неуструев A.A., Моисеев B.C., Смыков А.Ф. Разработка САПР технологических процессов литья. М.: ЭКОМЕТ, 2005. 216 с.

3. Неуструев A.A., Смыков А.Ф., Моисеев B.C. Модульное структурирование САПР технологий литья // Литейное производство. 2002. №11.-С. 13-15.

4. Борисов В.Т. Кристаллизация бинарного сплава при сохранении устойчивости // Докл.АН СССР. 1961. 136. No3. 583 c.

5. Борисов В.Т. Двухфазная зона при кристаллизации сплава в нестационарном режиме //Докл. АН СССР. 1962. 142. No3. 581 c.

6. Журавлев В.А. О макроскопической теории кристаллизации сплавов // Известия АН СССР. Металлы. 5. 1975. с. 93-99.

7. Журавлев В.А. О роли прочности жидкостей в проблеме кристаллизации металлов и сплавов // Известия АН СССР. Металлы. 1. 1977. с. 106108.

8. Журавлев В.А. и др. К теории образования замкнутых усадочных полостей при кристаллизации сплавов в больших объемах // Известия АН СССР. Металлы. 1983. No 1. С. 43-48.

9. Каблов Е.Н., Толорайя В.Н., Демонис И.М., Орехов Н.Г. Направленная кристаллизация жаропрочных сплавов // Технология легких сплавов. 2007. №2. с. 60-70

10. Каблов Е.Н., Петрушин Н.В. Компьютерное конструирование жаропрочных сплавов на основе расчетов фазового состава, физико-химических и структурных характеристик никелевых сложнолегированных систем // Создание и исследования перспективных жаропрочных сплавов для новой техники: Тезисы докл. Междунар. конф., ВИАМ, 2001, 9 с.

11. Каблов Е.Н., Светлов И.Л., Петрушин Н.В. Никелевые жаропрочные сплавы для литья лопаток с направленной и монокристаллической структурой// Материаловедение, 1997, №4, с. 32 - 39

12. Голод В.М. Теория формирования отливки: очевидные достижения и неочевидные проблемы // Литейное производство. 2001. No 6.

13. Голод В.М. и др. Металлургические технологии в машиностроении: динамика последних десятилетий и резервы роста // Металлургия машиностроения. 2001. No 1.

14. Голод В.М., Денисов В.А. Теория, компьютерный анализ и технология стального литья // СПб. ИПЦ СПГУТД. 2007.

15. Голод В.М. и др. САПР литейной технологии. Профильная ориентация и новые возможности // Литейное производство. 2000. No 7.

16. Голод В.М., Пулит В.В. и др. Системы автоматизированного моделирования: информационное обеспечение и адаптация математических моделей. // Литейное производство. 1992. No 6.

17. Beckermann С. A. Volume averaged two-phase model for transport phenomena during solidification. Metal. Tran.Vol. 22B. 1991. p. 349-361.

18. Giamei A. F., Erickson J. S. Computer applications in directional solidification processing. In: Superalloys: Metallurgy and Manufacture. Proc. of Third Intern. Simp. in Seven Spring. 1975 (12-15 Sept.).

19. Giamei A.F.,.Tschinkel J.SG. Liquid Metal Cooling: A new solidification Technique. Metallurgical Transactions. 1976. v.74A. N9. p.1427-1434.

20. Kurz W., Fisher D.J. Fundamentals of solidification. 4-th edition. Trans Tech Publications Ltd. Switzerland, Germany, Uk, USA. 1998. p.305

21. Rappaz M.,Gandin Ch.-A. Probabilistic Modelling of Microstructure Formation in Solidification Processes . Acta Metall.Mater. 1993. v.41. No 2. p.345-360.

22. Sahm P.R., Hansen P.N. Towards integrated modeling for intelligent castings . Modeling of casting, welding and advanced solidification processes (IX). Aachen. Shaker Verlag. 2000.

23. ProCAST. торговая марка ESI Group. France. www.esi-group.com.

24. ПолигонСофт. Система компьютерного моделирования литейных процессов (СКМ ЛП). АО «СиСофт Девелопмент». www.poligonsoft.ru.

25. Flow3D. Разработчик: Flow Science. США. www.flow3d.com.

26. LVMFlow. группа компаний «ПроМодель». Ижевск. www.lwmflow.ru

27. MagmaSoft. Торговая марка Magma Giesereitechnologie GmbH. Germany. www.magmasoft.com

28. Толораия В.Н., Зуев А.Г., Светлов И.Л. Влияние режимов направленной кристаллизации и термообработки на пористость в монокристаллах никелевых жаропрочных сплавов// Металлы. 1991. №5.

29. Каблов Е.Н. Литые лопатки газотурбинных двигателей: сплавы, технологии, покрытия // М. МИСиС. 2001. 632 с.

30. Гуляев А. П. Металловедение. Учебник для вузов. 6-е изд., перераб. и доп. // Металлургия. 1986. 544 с.

31. Кишкин С. Т., Сулима А. М., Строганов В. П. Исследование влияния наклёпа на механические свойства и структуру сплава ЭИ437А // М-во высш. образования СССР. Моск. ордена Ленина авиац. ин-т им. Серго Орджоникидзе. Москва : Оборонгиз. 1956. 85 с.

32. Попов А.А. Монокристаллические жаропрочные никелевые сплавы // Материаловедение.2024. 161 c.

33. Fehmi Diltemiz S., Zhang Sam, Aerospace Materials Handbook. Chapter 1. Superalloys for Super Jobs // CRC Press. Taylor & Francis Group. 201

34. Монастырский В.П. Тепловые условия и закономерности формирования направленной и композиционной структуры в отливках из жаропрочных сплавов // Литейное производство. 2010. №3.

35. В.Н. Толораия, Н.Г. Орехов Е.Н. Каблов Усовершенствованный метод монокристаллического литья турбинных лопаток ГТД и ГТУ Металловедение и термическая обраотка металлов // №7. 2002.

36. Quested P.N. McLean M. Soldification Morphologies in Directionally Solidified Superalloys. Materials Sinece and Engieering // 1984. No 65. р.171-180.

37. Толорайя В.Н., Каблов Е.Н., Демонис И.М. Технология получения монокристаллических отливок турбинных лопаток ГТД заданной кристаллографической ориентации из ренийсодержащих жаропрочных сплавов. // В сб. Литейные жаропрочные сплавы. Эффект С.Т. Кишкина. Под. Ред. Е.Н. Каблова. М.: Наука. 2006. c. 206-218.

38. Dai H.J., Dong H.B., D'Souza N., Gebelin J.-C., Reed R.C. Grain Selection in Spiral Selectors During Investment Casting of Single-Crystal Components: Part II. Numerical Modeling // Metallurgical and Materials Transactions A. 2011. V. 42A. p. 3439-3446.

39. Dai H.J., D'Souza N., Dong H.B. Grain Selection in Spiral Selectors During Investment Casting of Single-Crystal Turbine Blades: Part I. Experimental Investigation // Metallurgical and Materials Transactions A. 2011.V. 42A. p. 3430-3438.

40. Gao S.F., Liu L., Wang N., Zhao X.B., Zhang J. and Fu H.Z. /Grain Selection During Casting Ni-Base, Single-Crystal Superalloys with Spiral Grain Selector // Metallurgical and Materials Transactions A. 2012.V.43A. No10. p. 3767-3775.

41. Wang N., Liu L., Gao S.F., Zhao X.B., Huang T.W., Zhang J., Fu H.Z. Simulation of grain selection during single crystal casting of a Ni-base Superalloy // Journal of Alloys and Compounds. 2014. V. 586. p. 220-229.

42. Монастырский В.П., Поздняков А.Н., Ершов М.Ю., Монастырский А.В. Моделирование конкурентного роста зерен в криволинейном канале кристаллоотборника при направленной кристаллизации жаропрочного сплава на основе никеля // Физика металлов и металловедение. 2017. Т.118. No 7. c.686- 692.

43. Поздняков А.Н., Монастырский В.П., Ершов М.Ю., Монастырский А.В. Анализ условий конкурентного роста в геликоиде при направленной кристаллизации никелевого жаропрочного сплава // Материаловедение. 2015. No7. c.13-20.

44. Литейные жаропрочные сплавы. Эффект С.Т. Кишкина. // М. Изд. «Наука». 2006. 272 с.

45. Ершов М.Ю., Монастырский А.В., Монастырский В.П., Поздняков А.Н. Моделирование конкурентного роста зерен при направленной

кристаллизации никелевого жаропрочного сплава // Машиностроение. CADmaster. №5(78). 2014.

46. Rappaz M. in Encyclopedia of Materials // Science and Technology. 2001.

47. Монастырский В.П. Условия создания высокого градиента температуры при выращивании монокристаллов никелевых жаропрочных сплавов методом направленной кристаллизации //Физика и химия обработки материалов. 2004. No6. с.77-83

48. Каблов Е.Н. Направленная кристаллизация жаропрочных никелевых сплавов. // М. ВИАМ. 2006. 23 с.

49. Толорайя В.Н., Каблов Е.Н., Светлов И.Л. Ростовая структура при направленной кристаллизации никелевых жаропрочных сплавов // Металловедение и термическая обработка. 2006. №8. с. 25-32.

50. Elliot A.J., Tin S., King W.T., Huang S.C., Gigliotti M.F.X. and Pollock T.M.. Directional Solidification of Large Superalloy Castings with Radiation and Liquid-Metal Cooling // A Comparative Assessment 3228. 2004. October. 35.

51. Голод В.М., Емельянов К.И. Критериальный анализ или фильтрационное моделирование пористости в отливках: реализация потенциала // Прогрессивные литейные технологии: труды конференции.2015 с.325-329

52. Niyama E., Uchida T., Morikawa M., Saito S. A Method of Shrinkage Prediction and its Application to Steel Casting Practice // AFS International Cast Metals Journal.1982. vol.7. no. 3. p. 52-63

53. Hardin R.A., Ou S., Carlson K., Beckermann C. Relationship Between Niyama Criterion and Radiographic Testing in Steel Casting // AFS Transactions. 2000.V.108. p. 53-62.

54. Carlson K. D., Shouzhu Ou, And Beckermann C. Feeding of High-Nickel Alloy Castings // Metallurgical Transactions B. Dec.2005. V. 36B. p. 843-856.

55. Khaled I. Prediction of shrinkage porosity in ti-46al-8nb tilt-casting using the niyama criterion function // International Journal of Metalcasting.2013. V. 7, Issue 4. p. 35-41.

56. Carlson K. D., Ou Sh., Hardin R. A., And Beckermann C. Development of New Feeding- Distance Rules Using Casting Simulation: Part I. Methodology // Metallurgical Transactions B. Oct 2002.V.33B.P. 731-740

57. Ou S., Carlson K.D., Hardin R. Development of New Feeding-Distance Rules Using Casting Simulation: Part II. The new rules // Metallurgical Transactions B.2002.V.33B. p. 741-755.

58. Ou S., Carlson K.D., Beckermann C. Feeding and risering of high-alloy steel castings //Metallurgical Transactions B. 2005. V.36B. p. 97-116.

59. Carlson K.D., Ou S.,Beckermann C. Feeding and risering of high nickel-alloy castings // Metallurgical Transactions B. 2005.V.36B. p. 843-856.

60. Jain N., Carlson K.D., and Beckermann C.Round Robin Study to Assess Variations in Casting Simulation Niyama Criterion Predictions//Proceedings of the

61stSFSA Technical and Operating Conference. Paper No. 5.5. Steel Founders' Society of America. Chicago. IL 2007.

61. Tavakoli R. On the prediction of shrinkage defects by thermal criterion functions// International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2014.No74. р. 569-579.

62. Carlson K. D. and Beckermann C.. Prediction of Shrinkage Pore Volume Fraction Using a Dimensionless Niyama Criterion // MetallurgicalTransactions A. 2009. V. 40A. р. 163-175.

63. Lee Y.W., Chang E., and Chieu C.F. Modeling of Feeding Behavior of Solidifying AI- 7Si-0.3Mg Alloy Plate Casting // MetallurgicalTransactionsB. Aug. 1990. V. 21. р. 715-722.

64. 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. 2007. No9. с. 29-34.

65. 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. 2007. No8. с. 6-8, 15-17.

66. СКМ ЛП «Полигон». Система компьютерного моделирования литейных процессов // [Электронный ресурс]. ООО Фокад. С.-Петербург. www.focad.ru.

67. Голод В.М. Савельев К.Д. Компьютерный анализ и диагностика литейной технологии: опыт применения, проблемы и перспективы. // Труды восьмого съезда литейщиков России, том II. Ростов-на-Дону. 2007.

68. Мальцева Ю.Ю., Монастырский А.В. Моделирование процесса направленной кристаллизации отливок из жаропрочных никелевых сплавов // 2010. CADmaster №1(51). Машиностроение.

69. Монастырский А.В. Моделирование литейных процессов. Работаем в ProCAST // CADmaster. 2007. №1 (46)

70. Монастырский В.П., Монастырский А.В., Левитан Е.М. Разработка технологии литья крупногабаритных лопаток гтд для энергетических установок с применением систем «Полигон» и «Procast» // ФГУП ММПП «Салют» Литейное Производство. 2007. No 9. с.29-34

71. NX («Unigraphics»). CAD/CAM/CAE-система. Siemens PLM Software.

72. Altair HyperMesh. многофункциональный препроцессор для создания конечно-элементных сеток. Altair Engineering.

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

74. Монастырский В.П., Поздняков А.Н., Ершов М.Ю. Анализ направленной кристаллизации отливок из никелевых жаропрочных сплавов в установке УВНК-8П при радиационном охлаждении формы // Материаловедение. 2016. №8. c.3-10.

75. Монастырский В.П., Иванина Е.С., Ершов М.Ю. Анализ направленной кристаллизации крупногабаритных лопаток ГТД из никелевых жаропрочных

сплавов в промышленной установке УВНК-8П // Научно-техническая конференция «Пром-Инжиниринг» . Санкт Петербург. 2017г.

76. Батышев К.А., Иванина Е.С. Направленная кристаллизация отливок из никелевых жаропрочных сплавов // Материалы 3-ей Всероссийской научно-практической конференции «Проектирование и перспективные технологии в машиностроении, металлургии и их кадровое обеспечение». (Чебоксары. 20-21 апреля 2017г.) Издательство: ЧГУ. 2017. с. 60-62.

77. Зедгинидзе И.Г. Планирование эксперимента для исследования многофакторных систем // Наука. 1976. с. 12-32.

78. Иванина Е.С., Монастырский В.П. Анализ формирования макро- и микростуктуры при направленной кристаллизации отливок из никелевых жаропрочных сплавов в условиях конвективного и радиационного охлаждения формы. // Прогрессивные литейные технологии 2017: материалы Международной научно-практической конференции (г.Москва, 13-17 ноября 2017 г.). МИСиС. 2017.

79. Иванина Е.С., Монастырский В.П Анализ условий получения монокристаллических отливок с применением плоского кристаллоотборника // Материалы всероссийской научно-технической конференции «Студенческая весна: машиностроительные технологии». МГТУ им.Н.Э.Баумана. 2018.

80. 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. 1990. №1. с.86-93.

81. Бондаренко Ю.А., Ечин А.Б., Сурова В.А., Нарский А.Р. О направленной кристаллизации жаропрочных сплавов с использованием охладителя // Литейное производство. 2011. №5.

82. Монастырский В.П. Моделирование микропористости в отливках, затвердевающих в условиях направленного теплоотвода // Тепловые процессы в технике. Т.З. 2011. №1. с.20-27.

83. Иванина Е.С., Батышев К.А. Модернизация установки УВНК-8П для направленной кристаллизации отливок из жаропрочных Ni-сплавов // Литейное производство. 2017. №1. С. 34-36.

84. Монастырский В.П. , Иванина Е.С. , Ершов М.Ю. Особенности конкурентного роста зерен в криволинейном канале кристаллоотборника при направленной кристаллизации никелевого жаропрочного сплава // Фундаментальные и прикладные исследования в области создания литейных жаропрочных сплавов и высокоэффективных технологий изготовления деталей ГТД: материалы Всероссийской научно-технической конференции (г.Москва, 9 нояб. 2017г.) ФГУП «ВИАМ». 2017. с. 227-241.

85. Ivanina E.S., Monastyrskiy V.P.,.Ershov M.Yu. Mechanism of Grain Selection in the Channel of a Grystal Selector to Obtain Single Crystal Castings of NickelBase Heat- Resistant Alloys // The Physics of Metals and Metallography. 2019. Vol. 120. No. 11. p. 1063-1070. (Е. С. Иванина, В. П. Монастырский, М. Ю. Ершов Механизм отбора одного зерна в канале кристаллоотборника для получения монокристаллических отливок из никелевых жаропрочных сплавов // Физика металлов и металловедение. 2019. том 120. No11. с. 1159-1166.)

86. Niyama E., Uchida T., Morikawa M., Saito S. A Method of Shrinkage Prediction and its Application to Steel Casting Practice. AFS International Cast Metals Journal. 1982. vol. 7. no. 3. p. 52-63.

87. Голенок В.М., Иванина Е.С. Прогнозирование объемной доли усадочной пористости с использованием критерия Ниямы. // Материалы всероссийской научно- технической конференции «Студенческая весна:машиностроительные технологии » МГТУ им.Н.Э.Баумана. 2019.

88. Иванина Е.С., Монастырский В.П . Оценка возможности прогнозирования пористости в отливках из сплава МЛ10 с помощью критерия Ниямы // Гагаринские чтения. Сборник тезисов докладов XLVI Международной молодёжной научной конференции. 2020.

89. Иванина Е.С., Монастырский В.П прогнозирование пористости в отливках из сплава мл10 по тепловым условиям кристаллизации // Материалы

всероссийской научно-технической конференции «Студенческая весна: машиностроительные технологии». МГТУ им.Н.Э.Баумана. 2020.

90. Иванина Е.С., Монастырский В.П. Прогнозирование усадочной пористости в отливках из сплава мл10 с помощью критерия Ниямы // Материалы Х Международной научно-практической конференции «Прогрессивные литейные технологии». НИТУ «МИСиС. 2020.

91. Иванина Е.С., Ершов М.Ю. Методика вычислительного эксперимента для прогнозирования микропористости в отливках с равноосной структурой (на основе критерия Ниямы) // Материалы Всероссийской (национальной) научно-практической конференции Ростов-на-Дону. 2024. С 1074-1075.

92. Ivanina E.S., Monastyrskiy V.P., Ershov M.Yu. Quantitative Estimation of Formation of Shrinkage Porosity by the Niyama Criterion // Inorganic Materials: Applied Research. 2022. Vol. 13. No. 1. pp. 100-105. (Е. С. Иванина, В. П. Монастырский, М. Ю. Ершов Количественная оценка образования усадочной пористости по критерию Ниямы // Материаловедение No5. 2021. с. 19-24

93. Иванина Е.С., Монастырский В.П. Применение критерия Ниямы для прогнозирования усадочной пористости// Заготовительные производства в машиностроении. 2021. No12. с. 531-536

94. Walton D., Chalmers B. The origin of the preferred orientation in the columnar zone of ingots // Transaction of AIME. 1959. V. 215. P. 447-452.