КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ПОВЕРХНОСТИ ФОРМЫ И ВНУТРИ ОТЛИВКИ ПРИ ВЫСОКОГРАДИЕНТНОЙ НАПРАВЛЕННОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

С целью определения температурного градиента в заготовках, получаемых методом направленной кристаллизации (НК) на установке УВНС-6 (производства ВИАМ, г. Москва), были получены монокристаллические заготовки из никелевого жаропрочного сплава ВЖМ3. При этом использовались технологии НК с жидкометаллическим охладителем (ЖМО) и без него (метод Бриджмена–Стокбаргера). В качестве жидкометаллического охладителя применялся расплав олова. В процессе получения заготовок велась запись показаний термопар, установленных на поверхности керамической формы. Моделирование процесса направленной кристаллизации заготовок из жаропрочного никелевого сплава ВЖМ3 на установке УВНС-6 проводилось в программе ProCast с использованием найденных в литературе теплофизических свойств исследуемого сплава, керамической формы и частей установки НК, а также граничных условий между ними (коэффициенты теплопередачи и теплоотдачи). Показано хорошее совпадение расчетных и экспериментальных значений распределения температуры в форме при кристаллизации с помощью ЖМО и методом Бриджмена-Стокбаргера, что позволяет использовать моделирование процесса получения заготовок в программе ProCast для прогнозирования значений температурного градиента на фронте кристаллизации, положения фронта кристаллизации, размера двухфазной области, где происходит формирование дендритной структуры сплава. Значение температурного градиента, достигаемого в заготовке в случае использования метода Бриджмена–Стокбаргера, по результатам моделирования составило 36 °С/см. В случае применения ЖМО температурный градиент составил 204 °С/см, т.е. оказался в 6 раз выше, чем достигаемый при использовании метода Бриджмена–Стокбаргера. Найденные теплофизические свойства и граничные условия могут быть востребованы при проведении компьютерного моделирования литья лопаток из жаропрочных никелевых сплавов.

1. Bridgman P.W. Certain physical properties of single crystals of tungsten, antimony, bismuth, tellurium, cadmium, zinc, and tin // Proc. Amer. Acad. Arts Sci. 1925. Vol. 60. P. 305—383.

2. Stockbarger D.C. The production of large single crystals of lithium fluoride // Rev. Sci. Instr. 1936. Vol. 7. P. 133—136.

3. Gell M., Duhl D.N., Giamei A.F. The development of single crystal superalloy turbine blades // Superalloys. 1980. Vol. 41. P. 205—214.

4. Бондаренко Ю.А. Перспективы и технология направленной кристаллизации крупногабаритных рабочих лопаток наземных газовых турбин // Материаловедение. 1998. No. 7. С. 21—25.

5. Fan J., Li X., Su Y., Chen R., Guo J., Fu H. Dependency of microstructure parameters and microhardness on the temperature gradient for directionally solidified Ti—49Al alloy // Mater. Chem. Phys. 2011. Vol. 130. P. 1232—1238.

6. Elliott A.J., Pollock T.M., Tin S., King W.T., Huang S.-C., Gigliotti M.F.X. Directional solidification of large super-alloy castings with radiation and liquid-metal cooling: a comparative assessment // Metal. Mater. Trans. A. 2004. Vol. 35 P. 3221—3231.

7. Bingming G., Lin L., Xinbao Z., Taiwen H., Jun Z., Hengzhi F. Effect of directional solidification methods on the cast microstructure and grain orientation of blade shaped DZ125 superalloy // Rare Metal Mater. Eng. 2013 Vol. 42. Is. 11. P. 2222—2227.

8. Hugo F., Betz U., Ren J., Huang S.-C., Bondarenko J. Casting of directionally solidified and single crystal components using liquid metal cooling (LMC): Results from experimental trials and computer simulations // Proc. Int. Symp. on Liquid Metal Processing and Casting. Santa Fe: VMD AVS, 1999. P. 16—30.

9. Brundidge C.L., Miller J.D., Pollock T.M. Development of dendritic structure in the liquid-metal-cooled, directional-solidification process // Metal. Mater. Trans. A. 2011. Vol. 42A. P. 2723—2732.

10. Miller J.D., Pollock T.M. Process Simulation for the directional solidification of a tri-crystal ring segment via the bridgman and liquid-metal-cooling processes // Metal. Mater. Trans. A. 2012. Vol. 43A. P. 2414—2425.

11. Kermanpur A., Mehrara M., Varahram N., Davami P. Improvement of grain structure and mechanical properties of a land based gas turbine blade directionally solidified with liquid metal cooling process // Mater. Sci. Technol. 2008. Vol. 24. Iss. 1. P. 100—106.

12. Монастырский В.П., Кондратьева М.С. Моделирование направленной кристаллизации отливок из никелевых жаропрочных сплавов в установке с водоохлаждаемым кристаллизатором // Литейщик России. 2013. No. 1. С. 23—27.

13. Монастырский В.П. Моделирование микропористости в отливках, затвердевающих в условиях направленного теплоотвода // Тепловые процессы в технике. 2011. Т. 3. No. 1. С. 20—27.

14. Монастырский В.П., Рожкова М.К. Регрессионная модель процесса направленной кристаллизации отливок из никелевых жаропрочных сплавов в установке УВНК-8П // Литейщик России. 2012. No. 1. С. 22—27.

15. Echin A., Bondarenko Y. Turbine blades production technique equipment built with a glance of high-gradient directional crystallization process nature // MATEC Web of Conferences. 2014. Vol. 14. P. 13001.

16. Caron P. High γ’ solvus new generation nickel-based superalloys for single crystal turbine blade applications // Superalloys. 2000. Vol. 2000. P. 737—746.

17. Liu G., Liu L., Ai C., Ge B., Zhang J., Fu H. Influence of withdrawal rate on the microstructure of Ni-base single-crystal superalloys containing Re and Ru // J. Alloys and Compnd. 2011. Vol. 509. P. 5866—5872.

18. Бондаренко Ю.А., Ечин А.Б. Направленная кристаллизация жаропрочного сплава с переменным управляемым градиентом // Вопросы материаловедения. 2016. No. 3. С. 50-58.

19. Мальцева Ю.Ю., Монастырский А.В. Моделирование процесса направленной кристаллизации отливок из жаропрочных никелевых сплавов // CADmaster. 2010. No. 1. С. 36—40.

20. Каблов Е.Н. Литые лопатки газотурбинных двигателей (Сплавы, технология, покрытия). М.: МИСиС, 2001.

21. Ечин А.Б. Влияние температурного градиента и скорости кристаллизации на структуру и свойства монокристаллических Re и Ru содержащих жаропрочных сплавов применительно к высокоградиентной технологии литья лопаток ГТД: Дис. … канд. техн. наук. М.: ВИАМ, 2016.

22. Пикунов М.В. Плавка металлов. Кристаллизация сплавов. Затвердевание отливок: Учеб. М.: МИСиС, 2005.

23. Жмуриков Е.И., Савченко И.В., Станкус С.В., Tecchio L. Измерения теплофизических свойств графитовых композитов для конвертора нейтронной мишени // Вестник НГУ. Сер. Физика. 2011. Т. 6. No. 2. С. 77—84.