Теория и технология производства тонкостенных протяженных отливок из жаропрочных сплавов с электронагревом металла

• Автор: Калюкин, Юрий Николаевич
• Шифр специальности: 05.16.04
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Рыбинск
• Количество страниц: 310 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОТЯЖННЫХ

ТОНКОСТЕННЫХ ОТЛИВОК ОТВЕТСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ.

1.1 Физические и технологические факторы, обусловливающие

формирование отливки с регламентированным размером зерна

1.2 Современный уровень техники и технологий литья отливок

ответственного назначения из жаропрочных

сплавов

1.3 Электромагнитное воздействие на затвердевающий сплав

Ф 1.4 Методы математического моделирования процессов

затвердевания отливок
1.4.1 Общие положения
1.4.2 Моделирование затвердевания трхмерных геометрических
объектов.
1.5 Выводы и постановка задачи исследования
2 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ЛИТЬЯ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА НА
ОТЛИВКУ
2.1 Определение температурной зависимости
электросопротивления промышленных сплавов
2.2 Методика экспериментального определения коэффициента теплопередачи от отливки в окружающую среду в условиях вакуума в процессе электронагрева
сплава.
2.3 Разработка способов литья и методики экспериментального
исследования затвердевания отливки под действием электрического тока на модельном сплаве
2.4 Разработка опытнопромышленного оборудования для
литья с направленным затвердеванием и направленной кристаллизацией при воздействии электрического тока на
отливку
2.5 Выводы
3 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ И
ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ РАСЧТА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЛИТЬЯ С ЭЛЕКТРОНАГРЕВОМ МЕТАЛЛА
3.1 Аналитическое решение задачи о температурном поле отливки с учтом внутренних источников джоулевой теплоты
для одномерного теплового потока.
3.2 Анализ процесса затвердевания с помощью критериальных
комплексов.
3.3. Условия реализации направленного затвердевания и
направленной кристаллизации при электронагреве сплава.
3.4 Математическое моделирование процессов затвердевания
ч отливок при воздействии электрического тока для
ф трхмерных геометрических
объектов.
3.4.1 Моделирование направленного затвердевания протяжнных
отливок
3.4.2 Моделирование направленной кристаллизации лопаток ГТД в
формах с температурным градиентом при воздействии электрического тока в процессе кристаллизации
3.4.3 Моделирование направленной кристаллизации
крупногабаритных отливок ГТД в формах с подвижной зоной охлаждения при воздействии электрического тока в процессе кристаллизации
3.5 Технологические варианты направленного затвердевания и
направленной кристаллизации методом электронагрева
3.5.1 Направленное затвердевание и направленная кристаллизация с использованием жидкометаллического
охладителя
3.5.2 Способ направленной кристаллизации с элекгронагревом
металла в формах, нагретых перед заливкой до температуры ниже солидуса сплава
3.6 Выводы
4 РАЗРАБОТКА ВАКУУМНОГО ПЛАВИЛЬНО
ЗАЛИВОЧНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ НАПРАВЛЕННОГО ЗАТВЕРДЕВАНИЯ И НАПРАВЛЕННОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ОТЛИВОК
4.1 Установка УПВ6НК для направленного затвердевания
крупногабаритных отливок высотой до 0 мм
4.2 Установка УППФ1АМ для направленной кристаллизации
лопаток ГТД высотой до 0 мм.
4.3 Выводы
ф 5 ПРОМЫШЛЕННОЕ ОПРОБОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
ИССЛЕДОВАНИЙ
5.1 Физикомеханические свойства отливок, полученных
методом направленного затвердевания и с использованием электронагрева отливки
5.2 Механические свойства отливок с направленной
кристаллизацией.
5.3 Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ .
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ


Наложение гидродинамических параметров на процессы роста кристаллов показало, что перераспределение ликвирующих элементов в неравновесных условиях происходит со скоростью на тричетыре порядка выше, чем молекулярная диффузия, существенно повышается интенсивность теплопередачи от конвективных потоков перегретого расплава, изменяются условия формирования двухфазной зоны и др. При производстве высоконагруженных отливок для газовых турбин наибольший интерес представляет разработка эффективных методов термодинамического воздействия на диффузионные, теплофизические и гидродинамические процессы затвердевания сплавов. Таким образом можно значительно повысить плотность отливки, равномерно распределить ликвирующие примеси в замкнутом объеме затвердевающего сплава, снизить дендритную и зональную неоднородность, увеличить скорость затвердевания и измельчить кристаллическую структуру литья. Понимание механизма этих явлений и их эффективного использования открывает большие возможности для создания новых процессов затвердевания. Процессы кристаллизации основаны на молекулярнокинетической теории и термодинамике фазовых переходов в затвердевающих сплавах. Затвердевание многокомпонентных металлических расплавов связано с протеканием ряда сложных процессов в жидком, твердожидком и твердом состояниях сплавов. Оно сопровождается тепломассопереносом фаз, взаимодействием химических элементов гетерогенных систем, перемещением макрообъмов многокомпонентных сред и развитием различного вида концентрационной неоднородности. При этом возникающая микронеоднородность литой структуры обусловлена не только молекулярной диффузией примесей, но и развитием конвективного перемещения микрообъемов, выделяющихся при кристаллизации фаз в замкнутом объеме при заданном подводе теплоты. Конвекция участвует в очень многих сложных процессах. В работе 6 приведена классификация макро и микроскопического движения различных фаз при затвердевании сплавов. Указанное перемещение фаз происходит под действием естественной и вынужденной конвекций. Указанные типы конвективного движения создают условия для развития всех видов неоднородности при кристаллизации сплавов и являются местами приложения различных видов физического воздействия на затвердевающий металл. Диффузионное перераспределение растворимых примесей при кристаллизации сплавов довольно полно изучено и представлено в фундаментальных работах и др. Внешние воздействия гравитация, давление и др. М. О. Флеминге считает, что различные виды ликвации примесей являются результатом протекания основного процесса перемещения ликвирующих примесей в микрообъемах, заключенных между ветвями дендритов, размеры которых ориентировочно могут быть определены из экспериментальных данных. Этот тип конвекции, по мнению авторов 9, является причиной зональной ликвации слитка. Следует отметить, что даже медленные усадочные потоки расплава вытесняют ликваты в устье междендритных каналов и создают условия для вертикального проплавления дендритов и всплывания их в прибыльную часть слитка. Перемещение ликватов из междендритных пространств происходит вследствие разности плотностей расплава и ликватов, вызывающих концентрационную ликвацию 5. Действие термоконцентрационных сил проявляется одновременно, а действующие силы массопереноса в приведенных уравнениях могут быть различными. Кроме перепадов температуры и концентрации этому переносу способствуют наложение внешних давлений, вибрации, разности электрических и химических потенциалов 0. Увеличение градиента межфазного натяжения и перепада температуры между поверхностью твердой и жидкой фаз увеличивает 1 термокапиллярные силы выталкивания ликватов из междендритных полостей. Если в горизонтальном капилляре твердожидкой зоны затвердевания объем жидкости имеет свободную поверхность и вдоль образца существует небольшой градиент температуры, то весь жидкий столб, по данным 2, движется к горячему концу. В работе 3 при изучении самопроизвольной пропитки пропитки только за счет межфазных сил смачивания установлено, что ее эффективность зависит прежде всего от межфазного поверхностного натяжения.