Развитие методов моделирования процессов затвердевания отливок с направленной и равноосной структурой

• Автор: Монастырский, Валерий Петрович
• Шифр специальности: 05.16.04
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 300 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1. Теоретические основы направленной кристаллизации отливок с композиционной и дендритной структурой

1Л Современное состояние макроскопической теории

кристаллизации и ее практические приложения

1.2 Квазистационарная модель процесса направленной

кристаллизации

1.3 Условия создания высокого градиента температуры

1.4 Дрейф фронта кристаллизации

1.5 Анализ процесса направленной кристаллизации по методу

Бриджмена
1.6 Особенности направленной кристаллизации с охлаждением
в жидком металле (метод LMC)
Глава 2. Разработка моделей и исследование процесса направленной кристаллизации в промышленных установках
2.1 Введение
2.2 Нестационарная модель процесса направленной 58 кристаллизации для установок с водоохлаждаемым кристаллизатором
2.3 Модель печи периодического действия типа УВ1111-2
2.4 Модель проходной методической печи типа ПМП-2
2.5 Теплофизические особенности направленной
кристаллизации с применением опорного наполнителя
2.6 Теплофизические свойства опорного наполнителя
2.7 Регрессионная модель направленной кристаллизации в
промышленной установке типа УВНК
Глава 3. Разработка методов экспериментального исследования и оптимизации процесса направленной кристаллизации
3.1 Методика термометрирования
3.2 Погрешности определения параметров процесса 118 направленной кристаллизации
3.3 Автоматизация обработки результатов термометрирования
на основе решения обратной задачи теплопроводности
3.4 Метод экспресс - выбора оптимального режима
направленной кристаллизации рабочих лопаток ГТД
3.5 Определение скорости охлаждения отливки по параметрам

дендритной структуры
Глава 4. Разработка теоретических основ формирования усадочных дефектов в отливках с направленной и равноосной структурой
4.1 Микропористость
4.2 Макропористость и усадочная раковина
4.3 Имитационная модель образования усадочной раковины и
макропористости и реализация ее в составе СКМ ПОЛИГОН
4.4 Метод расчета микропористости монокристаллических
отливок, получаемых направленной кристаллизацией в промышленных установках
Глава 5. Развитие теоретических представлений о механизме формировании столбчатой и монокристаллической структуры при направленной кристаллизации
5.1 Критерий оценки условий конкурентного роста зерен
5.2 Образование паразитных зерен в переходных сечениях
монокристаллической отливки
Глава 6. Практическая реализация результатов работы
6.1 Разработка и опробование режима направленной
кристаллизации лопатки ГТД из сплава ВКЛС-
6.2 Применение CAD и САЕ систем в производстве литых
заготовок деталей газотурбинных двигателей
6.3 Методика разработки технологии литья с применением СКМ
ЛП «Полигон» и ProCAST
6.4 Разработка технологии литья крупногабаритных рабочих
лопаток энергетических газотурбинных установок
6.5 Разработка систем компьютерного моделирования для
промышленных установок
6.6 Практическая реализация моделей формирования усадочной
микро- и макропористости
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Литература .

ВВЕДЕНИЕ
Совершенствование технологии изготовления отливок ответственного назначения, а также сокращения затрат на разработку технологии и выпуск первого комплекта отливок для опытных изделий новой техники является важной научно-технической проблемой.
Актуальность этой проблемы постоянно возрастет в связи с ростом цен на металл, вспомогательные материалы и электроэнергию при одновременном стремлении к сокращению себестоимости продукции.
Постоянно растут требования, предъявляемые как к изделиям новой техники в целом, так и к важнейшим его компонентам - рабочим лопаткам газовых турбин, для изготовления которых необходимо повышать качество литых заготовок. Внедрение перспективных жаропрочных сплавов, применение которых обусловлено жесткими требованиями по макро - и микроструктуре, связано с созданием нового технологического
оборудования и выбором температурно-временных параметров технологического процесса. 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

Часто получение отливки с качественной и однородной структурой связывают со стабильным положением фронта кристаллизации

относительно установки, т.е. с отсутствием дрейфа фронта в процессе направленной кристаллизации.
В квазистационарном режиме кристаллизации существует только одна возможность подавить дрейф фронта роста - с помощью изменения температуры нагревателя. I
Предположим, что изменение температуры нагревателя в процессе НК в соответствии с графиком ^(Х) обеспечивает постоянное (оптимальное) £°р' положение фронта кристаллизации относительно установки. В этом смысле такое изменение температуры может быть названо оптимальным - С“СО- Отклонение от оптимума зависимости ?й(х(), имеющей место в реальном технологическом процессе, вызывает дрейф фронта кристаллизации.
Определим дрейф фронта кристаллизации как изменение во времени

положения фронта относительно оптимального положения ^°р‘ в системе координат, связанной с установкой. Дрейф фронта характеризуется координатой абсолютного отклонения фронта кристаллизации от оптимума Д£ - - £ и скоростью • отклонения
(дрейфа) УдрЛфа - V - IV, где V - скорость перемещения формы, IV -
скорость движения фронта кристаллизации.
Стационарное приближение, в котором получено распределение температуры в кристаллизуемом металле, позволяет рассматривать дрейф фронта кристаллизации, обусловленный только медленным изменением ! с (х,) относительно оптимума. Эти результаты не пригодны для анализа скачкообразных, быстропеременных изменений температуры нагревателя.
Положение фронта кристаллизации в слитке является сложной функцией положения формы £ в тепловом узле установки и температуры