Введение к работе
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.
Актуальным является повышение выхода годного на основе ускоренной оценки влияния параметров технологического процесса на качество монокристаллических лопаток.
Целями диссертационной работы являются разработка математической модели теплофизики формирования монокристаллических отливок, пакета прикладных программ, моделирование влияния технологических параметров на структуру формирующегося монокристалла и рекомендация на основе многофакторного вычислительного эксперимента рациональных режимов охлаждения.
Объектом исследований в настоящей работе является процесс производства монокристаллических лопаток газотурбинных двигателей.
Предметом исследований выбран процесс направленной кристаллизации, влияние технологических параметров данного процесса на параметры, определяющие качество.
Научная задача заключается в установлении зависимостей между температурно-скоростными, геометрическими и тешюфизическими параметрами технологического процесса и параметрами, определяющими качество монокристалла.
Частные задачи
разработка многофакторной математической модели теплофизики формирования монокристалла: в условиях промышленного производства;
проектирование и создание компьютерных программ для математического моделирования теплопереноса в системе отливка-форма;
экспериментальное определение теплофизических характеристик материала электрокорундовой формы и жаропрочного сплава ЖС36;
моделирование формирования отливки в различных теплофизических условиях и разработка практических рекомендаций для увеличения выхода годного в технологии получения монокристаллических отливок.
Методы исследования. Для установления влияния технологических факторов на свойства монокристалла использованы методы вычислительного эксперимента. Для определения теплофизических характеристик материалов, используемых при производстве монокристаллических отливок, разработан
стенд, реализующий квазилинейный метод определения теплофизических характеристик.
Результаты исследования
Разработана многофакторная математическая модель теплофизики затвердевания монокристаллической отливки, описывающая влияние технологических условий на параметры, определяющие структуру и качество монокристаллической отливки.
Определены теплофизические характеристики материалов, используемых при производстве монокристаллических отливок: материала электрокорундовой формы и жаропрочного никелевого сплава ЖС36.
На основе вычислительного эксперимента определено количественное влияние параметров технологического процесса на характеристики монокристалла.
Разработана методика оценки разброса характеристик монокристалла, вызванных случайными отклонениями технологических параметров, позволяющая модифицировать процесс кристаллизации и уменьшить дефектность, возникающую в результате этих отклонений.
Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждены согласованием результатов численного моделирования с экспериментальными данными, а также тестированием численных алгоритмов и программного комплекса на модельных задачах, имеющих аналитические решения.
Новизна результатов
Разработана математическая модель теплофизики формирования монокристаллической отливки, учитывающая а) неоднородность теплофизических характеристик материалов жаропрочного сплава, керамической формы и жидкометаллического охладителя; б) анизотропию теплопроводности в затвердевшем монокристалле; в) конвекцию в жидкой фазе отливки, захватывающей часть двухфазной зоны, а также в расплавленном охладителе; г) радиационный механизм теплопередачи между оболочковой формой и печью подогрева формы, а также в усадочном зазоре.
На основе вычислительного эксперимента установлено количественное влияние технологических параметров процесса направленной кристаллизации на критерии качества.
На защиту выносится
Математическая модель теплофизики формирования монокристаллической отливки. Модель основана на уравнении переноса тепловой энергии с зависящими от температуры коэффициентами.
Численный алгоритм, основанный на неявной конечно-разностной схеме решения нелинейного уравнения переноса тепловой энергии в неоднородной анизотропной среде.
Результаты параметрических расчётов воздействия теплофизических факторов на затвердевание монокристаллической отливки.
Научная значимость результатов. Разработана математическая модель теплофизики формирования монокристаллической отливки, позволяю-
щая установить связь между параметрами технологического процесса и критериями качества формирующейся структуры монокристалла.
Практическая значимость результатов. 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».
Реализация результатов работы. 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 отливок, 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 чём свидетельствует акт внедрения, представленный в приложении 2.
Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы обсуждались на XII Всероссийской конференции молодых ученых «Математическое моделирование в естественных науках» (Пермь,2003); региональной научно-практической конференции «Высокие технологии в промышленности России и методические особенности преподавания в техническом вузе» (Бе-резники,2004); VIII Уральской региональной научно-практической конференции «Проблемы физико-математического образования в ВУЗах на современном этапе» (Магнитогорск,2004); VII Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмическая техника и высокие технологии» (Пермь, 2004); Межрегиональной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь Сибири - науке России» (Красноярск, 2004); 14-й Всероссийской конференции молодых ученых «Математическое моделирование в естественных науках» (Пермь,2005); XXVII Российской школе по проблемам науки и технологий, посвященной 150-летию К. Э. Циолковского, 100-летию С. П. Королёва и 60-летию Государственного ракетного центра «КБ им. Академика В. П. Макеева». - (Миасс, 2007), расширенном семинаре кафедры «Математическое моделирование систем и процессов» ГИТУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ в сборниках статей, материалах конференций и периодической центральной печати.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и библиографического списка из 109 источников, и списка публикаций, содержащих основные положения и результаты диссертации, и изложена на 158 страницах, включая 66 рисунка и 9 таблиц.
