Математическое моделирование теплофизики формирования монокристаллической отливки

• Автор: Никулин, Илларион Леонидович
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Пермь
• Количество страниц: 158 с. : ил.

Введение
1. Современное состояние технологии производства деталей из металлических монокристаллов

1.1. Производство деталей с монокристаллической структурой

1.2. Структура металлического монокристалла,

получаемого методом направленной кристаллизации

1.3. Дефекты структуры монокристаллических отливок

1.4. Математические модели теплофизики формирования монокристаллической отливки

1.5. Выводы к главе 1

2. Математическая модель теплофизики формирования монокристаллической отливки

2.1. Основные допущения

2.2. Уравнение переноса тепловой энергии в неоднородной анизотропной среде

2.3. Краевые условия
2.4. Метод эффективной теплопроводности в усадочном зазоре
2.5. Численная реализация математической модели
3. Экспериментальное определение теплофизических характеристик материалов
3.1. Стенд для комплексного определения теплофизических характеристик
3.2. Квазилинейный метод определения теплофизических характеристик
3.3. Результаты измерений
3.4. Оценка погрешности эксперимента
4. Проверка адекватности математической модели и верификация алгоритма
4.1. Проверка адекватности математической модели
4.2. Проверка реализации метода продольнопоперечных прогонок
4.3. Применение сквозного счета для анализа температурного поля системы, имеющей участки с радиационным механизмом теплопередачи
4.4. Выводы к главе 4
5. Анализ влияния технологических факторов
на формирование структуры монокристалла
5.1. Тепловой узел
5.1.1. Влияние температуры печи подогрева формы
и скорости выдвижения формы
5.1.2. Влияние температуры жидкометаллического охладителя
5.1.3. Влияние высоты графитового экрана
5.1.4. Влияние высоты зазора между графитовым экраном
и жидкометаллическим охладителем
5.2. Геометрические параметры отливки и оболочковой формы
5.2.1. Влияние толщины стенки оболочковой формы
5.2.2. Влияние высоты дна оболочковой формы
5.2.3. Влияние радиуса отливки
5.3. Влияние теплофизических свойств оболочковой формы
5.3.1. Коэффициент теплопроводности
5.3.2. Степень черноты
5.4. Радиационное охлаждение
5.5. Практические рекомендации
5.6. Оценка эффекта применения математической модели
5.7. Выводы к главе 5
Заключение
Приложение 1. Определение угловых коэффициентов для расчета радиационного теплообмена
в цилиндрической полости
Приложение 2. Акт внедрения результатов диссертационной работы
Библиографический список
Список публикаций
Основные обозначения
Физические константы
9, мс ускорение свободного падения
а0 5,8 ВтмК4 постоянная СтефанаБольцмана.
Физические свойства
X коэффициент теплопроводности, Втм1К1
а коэффициент температуропроводности, м с р плотность, кгм3 с удельная теплоемкость, ДжкгК1 е степень черноты материала,
V кинематическая вязкость, м2сч
Ь удельная теплота плавления, Джкг
3 коэффициент объемного расширения, К1.
Другие обозначения
т время, с
Г абсолютная температура, К
плотность теплового потока, Вт м2
а коэффициент теплоотдачи, Втм К ь приведенная степень черноты
1 относительная доля твердой фазы
Ькр толщина двухфазной зоны, м
5 толщина усадочного зазора между отливкой и формой, м
9 угол отклонения фронта кристаллизации от горизонтали, град 7 градиент температуры на фронте кристаллизации
и скорость продвижения фронта кристаллизации, мс скорость выдвижения оболочковой формы из зоны нагрева, мс1.
Геометрические характеристики
Г граница
г, , ф цилиндрические координаты
радиус
Н высота
2 радиальный и аксиальный шаги разностной сетки, м.
Индексы
ван ванна с жидкометаллическим охладителем эфф эффективный о отливка ф форма пр прибыль
охл жидкометаллический охладитель экр экран
кам вакуумная камера
сол иду с
ликвидус i жидкая фаза твердая фаза.
Аббревиатуры
ГТД газотурбинный двигатель
ППФ печь подогрева форм
САПР система автоматического проектирования
ТФХ теплофизические характеристики.
Введение
Технический прогресс в области авиационных газотурбинных двигателей в значительной степени определяется качеством и эксплуатационными характеристиками наиболее ответственных деталей лопаток, которые в настоящее время изготавливают методами литья по выплавляемым моделям из специальных никелевых жаропрочных сплавов. Практика изготовления лопаток показала, что в отливках, получаемых данным способом, обнаруживается более десятка различных дефектов. Существующие методы термической обработки годных лопаток не обеспечивают получение стабильного фазового состава и структуры. При неудачно выбранных параметрах процесса кристаллизации возникают дефекты кристаллической структуры, которые приводят к снижению выхода годного.
Актуальность


Модель основана на уравнении переноса тепловой энергии с зависящими от температуры коэффициентами. Численный алгоритм, основанный на неявной конечноразностной схеме решения нелинейного уравнения переноса тепловой энергии в неоднородной анизотропной среде. Результаты параметрических расчтов воздействия теплофизических факторов на затвердевание монокристаллической отливки. Разработана математическая модель теплофизики формирования монокристаллической отливки, позволяющая установить связь между параметрами технологического процесса и критериями качества формирующейся структуры монокристалла. Основные результаты диссертации применяются на ОАО Авиадвигатель при проектировании технологических режимов охлаждения монокристаллических лопаток газотурбинных двигателей и в учебном процессе при подготовке бакалавров по направлению металлургия. Настоящая работа построена на основе анализа проблем технологического процесса производства монокристаллических лопаток газотурбинных двигателей на ОАО Авиадвигатель г. Пермь. Предложены новые параметры технологических режимов кристаллизации монокристаллических лопаток, позволяющие уменьшить дефектность, обусловленную случайными отклонениями температуры печи подогрева формы и толщины стенки формы, позволяющие увеличить выход годного на 6. Основные результаты диссертационной работы применяются на ОАО Авиадвигатель г. Пермь, о чм свидетельствует акт внедрения, представленный в приложении 2. Аэрокосмическая техника и высокие технологии Пермь, Межрегиональной научнотехнической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Молодежь Сибири науке России Красноярск, й Всероссийской конференции молодых ученых Математическое моделирование в естественных науках Пермь, XXVII Российской школе по проблемам науки и технологий, посвященной 0летию К. Э. Циолковского, 0летию С. П. Королва и летию Государственного ракетного центра КБ им. Академика В. П. Макеева. Миасс, . По теме диссертации опубликовано печатных работ в различных сборниках статей, материалах конференций и периодической центральной печати в том числе 1 в журнале из Перечня ВАК. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и библиографического списка из 9 источников, и списка публикаций, содержащих основные положения и результаты диссертации, и изложена на 8 страницах, включая рисунка и 9 таблиц. Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и задачи исследований, приведены основные научные положения и результаты, вынесенные на защиту. В первой главе проведн анализ литературных данных по вопросам производства монокристаллических лопаток ГТД, структуры и дефектов металлических монокристаллов, а также существующих математических моделей, описывающих формирование монокристалла. Во второй главе разработана математическая модель теплофизики формирования монокристаллической отливки, подробно описаны уравнения переноса тепловой энергии и краевые условия. В третьей главе приводится описание стенда для определения теплофизических характеристик ТФХ твердых материалов, основанного на квазилинейном методе. Приведены результаты измерений ТФХ материалов, участвующих в теплообмене отливки с формы, проведена оценка погрешности экспериментов. В четверной главе представлены результаты верификации алгоритма, проверки адекватности математической модели и определяется погрешность вычислительного эксперимента. В пятой главе представлены результаты вычислительных экспериментов, моделирующих влияние технологических параметров на установившиеся значения аксиального градиента температуры и угла отклонения кристаллографических осей монокристалла от оси отливки. Предложена методика оценки разбросов угла разориептации и градиента температуры, вызванных случайными отклонениями технологических параметров. В приложении 1 приводится расчт угловых коэффициентов между внешней поверхностью цилиндра и соосной неприлегающей к ней кольцевой поверхностью и между внешней и внутренней поверхностями коаксиальных цилиндров. В приложении 2 представлен акт внедрения результатов диссертационной работы на ОАО Авиадвигатель, г. Пермь.