cvmetИзвестия вузов. Цветная металлургияIzvestiya. Non-Ferrous Metallurgy0021-34382412-8783НИТУ МИСИС10.17073/0021-3438-2025-2-55-65cvmet-1691Research ArticleЛитейное производствоFoundryМоделирование макроструктуры крупногабаритной отливки из жаропрочного никелевого сплава ВЖЛ14Н-ВИGrain structure simulation in a large-scale casting made of VZhL14N-VI nickel-base superalloyhttps://orcid.org/0000-0002-8376-0480КолтыгинА. В.KoltyginA. V.

Андрей Вадимович Колтыгин – к.т.н., доцент кафедры литейных технологий и художественной обработки материалов (ЛТиХОМ)

119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4, стр. 1

Andrey V. Koltygin – Cand. Sci. (Eng.), Assistant Prof., Department of Foundry Technologies and Material Art Working (FT&MAW)

1 Bld, 4 Leninskiy Prosp., Moscow 119049

misistlp@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5399-0330НикитинаА. А.NikitinaA. A.

Анна Андреевна Никитина – учебный мастер 1-й категории кафедры ЛТиХОМ

119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4, стр. 1

Anna A. Nikitina – Laboratory Assistant, Department of FT&MAW

1 Bld, 4 Leninskiy Prosp., Moscow 119049

nikitina.misis@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-6679-7126БеловаА. А.BelovaA. A.

Анастасия Андреевна Белова – учебный мастер кафедры ЛТиХОМ

119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4, стр. 1

Anastasia A. Belova – Postgraduate Student, Department of FT&MAW

1 Bld, 4 Leninskiy Prosp., Moscow 119049

belova@ic-ltm.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3214-1935БаженовВ. Е.BazhenovV. E.

Вячеслав Евгеньевич Баженов – к.т.н., доцент кафедры ЛТиХОМ

119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4, стр. 1

Viacheslav E. Bazhenov – Cand. Sci. (Eng.), Assistant Prof., Department of FT&MAW

1 Bld, 4 Leninskiy Prosp., Moscow 119049

V.E.Bagenov@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-3607-8144БеловВ. Д.BelovV. D.

Владимир Дмитриевич Белов – д.т.н., профессор,  зав. кафедрой ЛТиХОМ

119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4, стр. 1

Vladimir D. Belov – Dr. Sci. (Eng.), Prof., Head of the Department of FT&MAW

1 Bld, 4 Leninskiy Prosp., Moscow 119049

vdbelov@mail.ruЩедринЕ. Ю.ShchedrinE. Yu.

Евгений Юрьевич Щедрин – главный металлург

443009, г. Самара, Заводское шоссе, 29

Eugene Yu. Shchedrin – Chief Metallurgist

29 Zavodskoe Shosse, Samara 443009

ogmet@uec-kuznetsov.ruНациональный исследовательский технологический университет «МИСИС»РоссияNational University of Science and Technology “MISIS”Russian FederationПубличное акционерное общество «ОДК-Кузнецов»РоссияUEC-Kuznetsov Public Joint Stock CompanyRussian Federation2025270620253125565Copyright © Колтыгин А.В., Никитина А.А., Белова А.А., Баженов В.Е., Белов В.Д., Щедрин Е.Ю., 20252025Колтыгин А.В., Никитина А.А., Белова А.А., Баженов В.Е., Белов В.Д., Щедрин Е.Ю.Koltygin A.V., Nikitina A.A., Belova A.A., Bazhenov V.E., Belov V.D., Shchedrin E.Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://cvmet.misis.ru/jour/article/view/1691

В работе рассмотрена проблема прогнозирования зеренной структуры в крупногабаритных отливках из никелевого жаропрочного сплава ВЖЛ14Н-ВИ, представляющих собой тела вращения с весьма тонкими литыми стенками. Для этого использовалась система компьютерного моделирования литейных процессов ProCast с модулем для расчета зеренной структуры CAFE. Путем компьютерного моделирования определена скорость охлаждения в различных частях отливки, после чего на реальных образцах, полученных в условиях промышленного производства в ПАО «ОДК-Кузнецов» (г. Самара, Россия), определены размеры зерен и построена их зависимость от скорости охлаждения отливки. Установлено влияние на размер зерна не только скорости охлаждения, но и геометрических особенностей отливки, в частности ее термический модуль (приведенная толщина). Показано, что система ProCast может быть эффективно использована для прогнозирования литейных дефектов в крупногабаритных отливках из жаропрочных никелевых сплавов. При этом путем сравнения температурных зависимостей плотности, теплоемкости и теплопроводности сплава ВЖЛ14Н-ВИ, полученных прямыми измерениями и расчетом с использованием термодинамической базы ProCast, выявлено, что расчетные данные достаточно точны для использования их в компьютерном моделировании литейных процессов. Установлено, что модуль CAFE может быть востребован для прогнозирования зеренной структуры в отливке, однако для его корректного применения необходимо установление параметров моделирования, прежде всего величины переохлаждения при затвердевании и количества зародышей зерен в сплаве. Поскольку эти параметры не поддаются прямому измерению, их определение потребует дополнительных исследований.

The study addresses the problem of predicting the grain structure in large-scale castings made of the VZhL14N-VI nickel-base superalloy, which are bodies of revolution with very thin walls. To this end, the ProCast casting simulation software was used, including its CAFE module for grain structure prediction. Cooling rates in various areas of the casting were determined by computer simulation. Grain size measurements were then performed on real samples produced under industrial conditions at PJSC UEC Kuznetsov (Samara, Russia), and the correlation between grain size and cooling rate was established. It was found that grain size is affected not only by the cooling rate, but also by the geometric features of the casting, particularly its thermal modulus (according to Chvorinov’s rule). The results show that ProCast can be effectively used to predict casting defects in large-scale castings made of nickel-base superalloys. A comparison of the temperature-dependent density, specific heat capacity, and thermal conductivity of the VZhL14N-VI alloy – obtained through both direct measurements and ProCast thermodynamic database calculations – showed that the computed data are sufficiently accurate for use in casting process simulations. The CAFE module was found to be applicable for predicting grain structure in castings; however, accurate simulation requires the specification of key parameters, primarily the degree of undercooling during solidification and the number of grain nuclei in the alloy. Since these parameters cannot be measured directly, further research is required to determine them.

жаропрочные никелевые сплавыВЖЛ14Н-ВИлитье по выплавляемым моделямразмер зернамоделирование литейных процессовProCastCAFEnickel-base superalloysVZhL14N-VIinvestment castinggrain sizecasting simulationProCastCAFE modulethermal modulusРабота выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках Постановления Правительства № 218 по соглашению о предоставлении субсидии № 075-11-2022-023 от 06.04.2022 г. «Создание технологии изготовления уникальных крупногабаритных отливок из жаропрочных сплавов для газотурбинных двигателей, ориентированной на использование отечественного оборудования и организацию современного ресурсоэффективного, компьютероориентированного литейного производства».This study was supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation under Government Decree No. 218, in accordance with Subsidy Agreement No. 075-11-2022-023 dated April 6, 2022, titled: “Development of a manufacturing technology for unique large-scale castings made of heat-resistant alloys for gas turbine engines, aimed at the use of domestically produced equipment and the establishment of a modern, resource-efficient, computer-aided casting production”.ReferencesЛогунов А.В., Шмотин Ю.Н. Современные жаропрочные никелевые сплавы для дисков газовых турбин (материалы и технологии). М.: Наука и технологии, 2013. 264 с.Логунов А.В., Шмотин Ю.Н. Современные жаропрочные никелевые сплавы для дисков газовых турбин (материалы и технологии). М.: Наука и технологии, 2013. 264 с.Hassan B., Corney J. Grain boundary precipitation in Inconel 718 and ATI 718Plus. Materials Science and Technology. 2017;33(16):1879—1889. https://doi.org/10.1080/02670836.2017.1333222Hassan B., Corney J. Grain boundary precipitation in Inconel 718 and ATI 718Plus. Materials Science and Technology. 2017;33(16):1879—1889. https://doi.org/10.1080/02670836.2017.1333222Cemal M., Cevik S., Uzunonat Y., Diltemiz F. ALLVAC 718 Plus™ superalloy for aircraft engine applications. In: Recent Advances in Aircraft Technology. Agarwal R. (Ed.). 2012. Р. 75—96. https://doi.org/10.5772/38433Cemal M., Cevik S., Uzunonat Y., Diltemiz F. ALLVAC 718 Plus™ superalloy for aircraft engine applications. In: Recent Advances in Aircraft Technology. Agarwal R. (Ed.). 2012. Р. 75—96. https://doi.org/10.5772/38433Kirchmayer A., Pröbstle M., Huenert D., Neumeier S., Göken M. Influence of grain size and volume fraction of η/δ precipitates on the dwell fatigue crack propagation rate and creep resistance of the nickel-base superalloy ATI 718Plus. Metallurgical and Materials Transactions: A. 2023;54:2219—2226. https://doi.org/10.1007/s11661-023-07001-3Kirchmayer A., Pröbstle M., Huenert D., Neumeier S., Göken M. Influence of grain size and volume fraction of η/δ precipitates on the dwell fatigue crack propagation rate and creep resistance of the nickel-base superalloy ATI 718Plus. Metallurgical and Materials Transactions: A. 2023;54:2219—2226. https://doi.org/10.1007/s11661-023-07001-3Donachie M.J., Donachie S.J. Superalloys: A technical guide. 2nd ed. Materials Park, Ohio: ASM International, 2002. 408 р.Donachie M.J., Donachie S.J. Superalloys: A technical guide. 2nd ed. Materials Park, Ohio: ASM International, 2002. 408 р.Chen Y.T., Yeh A.C., Li M.Y., Kuo, S.M. Effects of processing routes on room temperature tensile strength and elongation for Inconel 718. Materials & Design. 2017;119:235—243. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2017.01.069Chen Y.T., Yeh A.C., Li M.Y., Kuo, S.M. Effects of processing routes on room temperature tensile strength and elongation for Inconel 718. Materials & Design. 2017;119:235—243. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2017.01.069Geddes B., Leon H., Huang X. Superalloys: alloying and performance. Ohio, Materials Park: ASM International, 2010. 176 р.Geddes B., Leon H., Huang X. Superalloys: alloying and performance. Ohio, Materials Park: ASM International, 2010. 176 р.Reed R.C. The superalloys: Fundamentals and applications. Cambridge: Cambridge University Press, 2006. 392 р.Reed R.C. The superalloys: Fundamentals and applications. Cambridge: Cambridge University Press, 2006. 392 р.Гадалов В.Н., Ворначева И.В., Паньков Д.Н., Бугорский И.А., Загидуллин Р.Р., Сабитов Л.С., Иванов А.А. Изучение влияния структуры жаропрочных никельхромовых сплавов на их механические свойства. Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022;10:463—471. https://doi.org/10.24412/2071-6168-2022-10-463-471Gadalov V.N., Vornacheva I.V., Pankov D.N., Bugorsky I.A., Zagidullin R.R., Sabitov L.S., Ivanov A.A. Study of the influence of the structure of nickelchromium superalloys on their mechanical properties. Izvestiya Tul’skogo gosudarstvennogo universiteta. Tekhnicheskie nauki. 2022;10:463—471. (In. Russ.). https://doi.org/10.24412/2071-6168-2022-10-463-471Lv J. Effect of grain size on mechanical property and corrosion resistance of the Ni-based alloy 690. Journal of Materials Science & Technology. 2018;34:1685—1691. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2017.12.017Lv J. Effect of grain size on mechanical property and corrosion resistance of the Ni-based alloy 690. Journal of Materials Science & Technology. 2018;34:1685—1691. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2017.12.017Cantor B., O’Reilly K. Solidification and casting. 1st ed. CRC Press. 2002. 428 р. https://doi.org/10.1201/9781420033502Cantor B., O’Reilly K. Solidification and casting. 1st ed. CRC Press. 2002. 428 р. https://doi.org/10.1201/9781420033502Пикунов М.В. Плавка металлов. Кристаллизация сплавов. Затвердевание отливок. М.: МИСИС, 2005. 416 с.Пикунов М.В. Плавка металлов. Кристаллизация сплавов. Затвердевание отливок. М.: МИСИС, 2005. 416 с.Никитина А.А., Баженов В.Е., Колтыгин А.В., Белов В.Д. Влияние температуры оболочковой керамической формы перед заливкой и температуры заливки на дефекты в отливке «корпус внутренний камеры сгорания» из никелевого жаропрочного сплава ВЖЛ14Н-ВИ. Цветные металлы. 2024;1:79—85. https://doi.org/10.17580/tsm.2024.01.10Nikitina A.A., Bazhenov V.E., Koltygin A.V., Belov V.D. Effect of the temperature of the shell ceramic mold before pouring and the pouring temperature on defects in the casting “inner body of the combustion chamber” from nickel heat-resistant alloy VZhL14N-VI. Tsvetnyye metally. 2024;1:79—85. (In. Russ.). https://doi.org/10.17580/tsm.2024.01.10Gandin Ch.A., Rappaz M.A. 3D Cellular automaton algorithm for the prediction of dendritic grain growth. Acta Materialia. 1997;45(5):2187—2195. https://doi.org/10.1016/S1359-6454(96)00303-5Gandin Ch.A., Rappaz M.A. 3D Cellular automaton algorithm for the prediction of dendritic grain growth. Acta Materialia. 1997;45(5):2187—2195. https://doi.org/10.1016/S1359-6454(96)00303-5Rappaz M., Gandin Ch.A. Probabilistic modelling of microstructure formation in solidification processes. Acta Metallurgica et Materialia. 1993;41(2):3450—3460. https://doi.org/10.1016/0956-7151(93)90065-ZRappaz M., Gandin Ch.A. Probabilistic modelling of microstructure formation in solidification processes. Acta Metallurgica et Materialia. 1993;41(2):3450—3460. https://doi.org/10.1016/0956-7151(93)90065-ZKavoosi V., Abbasi S.M., Mirsaed S.M. Ghazi, Mostafaei M. Influence of cooling rate on the solidification behavior and microstructure of IN738LC superalloy. Journal of Alloys and Compounds. 2016;680:291—300. http://dx.doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.04.099Kavoosi V., Abbasi S.M., Mirsaed S.M. Ghazi, Mostafaei M. Influence of cooling rate on the solidification behavior and microstructure of IN738LC superalloy. Journal of Alloys and Compounds. 2016;680:291—300. http://dx.doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.04.099Беккерт М., Клемм Х. Способы металлографического травления: Справ. изд.: Пер. с нем. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия. 1988. 400 с.Беккерт М., Клемм Х. Способы металлографического травления: Справ. изд.: Пер. с нем. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия. 1988. 400 с.Баженов В.Е., Колтыгин А.В., Фадеев А.В. Использование программы ProCast для моделирования процесса получения отливок из сплава TNM-B1 на основе алюминида титана литьем в керамические формы. Известия вузов. Цветная металлургия. 2013;(6):9—13. https://doi.org/10.17073/0021-3438-2013-6-9-13Bazhenov V.E., Koltygin A.V., Fadeev A.V. The use of the ProCast software to simulate the process of investment casting of alloy based on titanium aluminide TNM-B1 into ceramic molds. Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2014;55(1):15—19. https://doi.org/10.3103/S1067821214010039Yu J., Wang D., Li D., Tang D., Zhu G., Dong A., Shu D., Peng Y. Process parameter effects on solidification behavior of the superalloy during investment casting. Materials and Manufacturing Processes. 2019;34(15):1726—1736. https://doi.org/10.1080/10426914.2019.1666989Yu J., Wang D., Li D., Tang D., Zhu G., Dong A., Shu D., Peng Y. Process parameter effects on solidification behavior of the superalloy during investment casting. Materials and Manufacturing Processes. 2019;34(15):1726—1736. https://doi.org/10.1080/10426914.2019.1666989Guo J., Beckermann C., Carlson K., Hirvo D., Bell K., Moreland T., Gu J., Clews J., Scott S., Couturier G., Backman D. Microporosity prediction and validation for Nibased superalloy castings. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2015;84:012003. https://doi.org/10.1088/1757-899X/84/1/012003Guo J., Beckermann C., Carlson K., Hirvo D., Bell K., Moreland T., Gu J., Clews J., Scott S., Couturier G., Backman D. Microporosity prediction and validation for Nibased superalloy castings. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2015;84:012003. https://doi.org/10.1088/1757-899X/84/1/012003Xu M., Lekakh S.N., Richards V.L. Thermal property database for investment casting shells. International Journal of Metalcasting. 2016;10(3):329—337. https://doi.org/10.1007/s40962-016-0052-4Xu M., Lekakh S.N., Richards V.L. Thermal property database for investment casting shells. International Journal of Metalcasting. 2016;10(3):329—337. https://doi.org/10.1007/s40962-016-0052-4Torroba A.J., Koeser O., Calba L., Maestro L., Carreño-Morelli E., Rahimian M., Milenkovic S., Sabirov I., LLorca J. Investment casting of nozzle guide vanes from nickel-based superalloys: Part I. Thermal calibration and porosity prediction. Integrating Materials and Manufacturing Innovation. 2014;3(1):344—368. https://doi.org/10.1186/s40192-014-0025-5Torroba A.J., Koeser O., Calba L., Maestro L., Carreño-Morelli E., Rahimian M., Milenkovic S., Sabirov I., LLorca J. Investment casting of nozzle guide vanes from nickel-based superalloys: Part I. Thermal calibration and porosity prediction. Integrating Materials and Manufacturing Innovation. 2014;3(1):344—368. https://doi.org/10.1186/s40192-014-0025-5Szeliga D., Kubiak K., Burbelko A.A., Cygan R., Ziaja W. Modelling of grain microstructure of IN-713C castings. Solid State Phenomena. 2013;197:83—88. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.197.83Szeliga D., Kubiak K., Burbelko A.A., Cygan R., Ziaja W. Modelling of grain microstructure of IN-713C castings. Solid State Phenomena. 2013;197:83—88. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.197.83Kermanpur A., Rappaz M., Varahram N., Davami P. Thermal and grain-structure simulation in a land-based turbine blade directionally solidified with the liquid metal cooling process. Metallurgical and Materials Transactions B. 2000;31(6):1293—1304. https://doi.org/10.1007/s11663-000-0017-zKermanpur A., Rappaz M., Varahram N., Davami P. Thermal and grain-structure simulation in a land-based turbine blade directionally solidified with the liquid metal cooling process. Metallurgical and Materials Transactions B. 2000;31(6):1293—1304. https://doi.org/10.1007/s11663-000-0017-zDantzig J.A., Rappaz M. Solidification: Revised & Expanded. EPFL press, 2016. 700 р.Dantzig J.A., Rappaz M. Solidification: Revised & Expanded. EPFL press, 2016. 700 р.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.