Моделирование макроструктуры крупногабаритной отливки из жаропрочного никелевого сплава ВЖЛ14Н-ВИ

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.

1. Логунов А.В., Шмотин Ю.Н. Современные жаропрочные никелевые сплавы для дисков газовых турбин (материалы и технологии). М.: Наука и технологии, 2013. 264 с.

2. 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/10.1080/02670836.2017.1333222

3. Cemal 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/10.5772/38433

4. Kirchmayer 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/s11661-023-07001-3

5. Donachie M.J., Donachie S.J. Superalloys: A technical guide. 2nd ed. Materials Park, Ohio: ASM International, 2002. 408 р.

6. 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.2017.01.069

7. Geddes B., Leon H., Huang X. Superalloys: alloying and performance. Ohio, Materials Park: ASM International, 2010. 176 р.

8. Reed R.C. The superalloys: Fundamentals and applications. Cambridge: Cambridge University Press, 2006. 392 р.

9. 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/10.24412/2071-6168-2022-10-463-471

10. Lv 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.2017.12.017

11. Cantor B., O’Reilly K. Solidification and casting. 1st ed. CRC Press. 2002. 428 р. https://doi.org/10.1201/9781420033502

12. Пикунов М.В. Плавка металлов. Кристаллизация сплавов. Затвердевание отливок. М.: МИСИС, 2005. 416 с.

13. 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.2024.01.10

14. Gandin 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)00303-5

15. Rappaz 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-Z

16. Kavoosi 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.2016.04.099

17. Беккерт М., Клемм Х. Способы металлографического травления: Справ. изд.: Пер. с нем. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия. 1988. 400 с.

18. 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/10.17073/0021-3438-2013-6-9-13

19. Yu 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/10.1080/10426914.2019.1666989

20. Guo 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/84/1/012003

21. Xu 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/s40962-016-0052-4

22. Torroba 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/s40192-014-0025-5

23. Szeliga 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.197.83

24. Kermanpur 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-z

25. Dantzig J.A., Rappaz M. Solidification: Revised & Expanded. EPFL press, 2016. 700 р.