Моделирование металлургического аддитивного процесса создания конструкций из стали 09Г2С

Представлены результаты моделирования термических полей, напряжений, деформаций и перемещений при формировании аддитивной конструкции из стали 09Г2С на подложке. Для проведения компьютерного моделирования использовали расчетный пакет междисциплинарных исследований COMSOL Multiphysics. В работе учиты...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2017
Hauptverfasser:	Григоренко, Г.М., Костин, В.А., Жуков, В.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2017
Schriftenreihe:	Современная электрометаллургия
Schlagworte:	Общие вопросы металлургии
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/160332
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Моделирование металлургического аддитивного процесса создания конструкций из стали 09Г2С / Г.М. Григоренко, В.А. Костин, В.В. Жуков // Современная электрометаллургия. — 2017. — № 2 (127). — С. 35-44. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-160332
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1603322019-11-02T01:25:40Z Моделирование металлургического аддитивного процесса создания конструкций из стали 09Г2С Григоренко, Г.М. Костин, В.А. Жуков, В.В. Общие вопросы металлургии Представлены результаты моделирования термических полей, напряжений, деформаций и перемещений при формировании аддитивной конструкции из стали 09Г2С на подложке. Для проведения компьютерного моделирования использовали расчетный пакет междисциплинарных исследований COMSOL Multiphysics. В работе учитывалось влияние температуры на физико-химические параметры стали. Результаты для моделирования получены с использованием комплекса имитации термодеформационного состояния термического цикла сварки металла под действием растяжения Gleeble 3800 (коэффициент линейного расширения) и установки высокотемпературного термического анализа ВДТА-8М (теплоемкость, теплопроводность). Представлені результати моделювання термічних полів, напруг, деформацій і переміщень при формуванні адитивної конструкції із сталі 09Г2С на підложці. Для проведення комп’ютерного моделювання використовували розрахунковий пакет міждисциплінарних досліджень COMSOL Multiphysics. У роботі враховувався вплив температури на фізико-хімічні параметри сталі. Результати для моделювання були отримані з використанням комплексу імітації термодеформаційного стану термічного циклу зварювання металу під дією розтягування Gleeble 3800 (коефіцієнт лінійного розширення) і приладу високотемпературного термічного аналізу ВДТА-8М (теплоємність, теплопровідність). Представлені результати моделювання термічних полів, напруг, деформацій і переміщень при формуванні адитивної конструкції із сталі 09Г2С на підложці. Для проведення комп’ютерного моделювання використовували розрахунковий пакет міждисциплінарних досліджень COMSOL Multiphysics. У роботі враховувався вплив температури на фізико-хімічні параметри сталі. Результати для моделювання були отримані з використанням комплексу імітації термодеформаційного стану термічного циклу зварювання металу під дією розтягування Gleeble 3800 (коефіцієнт лінійного розширення) і приладу високотемпературного термічного аналізу ВДТА-8М (теплоємність, теплопровідність). 2017 Article Моделирование металлургического аддитивного процесса создания конструкций из стали 09Г2С / Г.М. Григоренко, В.А. Костин, В.В. Жуков // Современная электрометаллургия. — 2017. — № 2 (127). — С. 35-44. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 0233-7681 DOI: doi.org/10.15407/sem2017.02.06 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/160332 621.791.92 ru Современная электрометаллургия Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Общие вопросы металлургии Общие вопросы металлургии
spellingShingle	Общие вопросы металлургии Общие вопросы металлургии Григоренко, Г.М. Костин, В.А. Жуков, В.В. Моделирование металлургического аддитивного процесса создания конструкций из стали 09Г2С Современная электрометаллургия
description	Представлены результаты моделирования термических полей, напряжений, деформаций и перемещений при формировании аддитивной конструкции из стали 09Г2С на подложке. Для проведения компьютерного моделирования использовали расчетный пакет междисциплинарных исследований COMSOL Multiphysics. В работе учитывалось влияние температуры на физико-химические параметры стали. Результаты для моделирования получены с использованием комплекса имитации термодеформационного состояния термического цикла сварки металла под действием растяжения Gleeble 3800 (коэффициент линейного расширения) и установки высокотемпературного термического анализа ВДТА-8М (теплоемкость, теплопроводность).
format	Article
author	Григоренко, Г.М. Костин, В.А. Жуков, В.В.
author_facet	Григоренко, Г.М. Костин, В.А. Жуков, В.В.
author_sort	Григоренко, Г.М.
title	Моделирование металлургического аддитивного процесса создания конструкций из стали 09Г2С
title_short	Моделирование металлургического аддитивного процесса создания конструкций из стали 09Г2С
title_full	Моделирование металлургического аддитивного процесса создания конструкций из стали 09Г2С
title_fullStr	Моделирование металлургического аддитивного процесса создания конструкций из стали 09Г2С
title_full_unstemmed	Моделирование металлургического аддитивного процесса создания конструкций из стали 09Г2С
title_sort	моделирование металлургического аддитивного процесса создания конструкций из стали 09г2с
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2017
topic_facet	Общие вопросы металлургии
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/160332
citation_txt	Моделирование металлургического аддитивного процесса создания конструкций из стали 09Г2С / Г.М. Григоренко, В.А. Костин, В.В. Жуков // Современная электрометаллургия. — 2017. — № 2 (127). — С. 35-44. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.
series	Современная электрометаллургия
work_keys_str_mv	AT grigorenkogm modelirovaniemetallurgičeskogoadditivnogoprocessasozdaniâkonstrukcijizstali09g2s AT kostinva modelirovaniemetallurgičeskogoadditivnogoprocessasozdaniâkonstrukcijizstali09g2s AT žukovvv modelirovaniemetallurgičeskogoadditivnogoprocessasozdaniâkonstrukcijizstali09g2s
first_indexed	2025-07-14T12:59:08Z
last_indexed	2025-07-14T12:59:08Z
_version_	1837627291056734208
fulltext	35ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 2 (127), 2017 ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МЕТАЛЛУРГИИ УДк 621.791.92 https://doi.org/10.15407/sem2017.02.06 МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО АДДИТИВНОГО ПРОЦЕССА СОЗДАНИя КОНСТРУКЦИй ИЗ СТАЛИ 09Г2С Г. М. Григоренко, В. А. Костин, В. В. Жуков институт электросварки им. Е. о. Патона НаН Украины. 03680, г. киев-150, ул. казимира Малевича, 11. Е-mail: office@paton.kiev.ua Представлены результаты моделирования термических полей, напряжений, деформаций и перемещений при формировании аддитивной конструкции из стали 09Г2С на подложке. Для проведения компьютерного моде- лирования использовали расчетный пакет междисциплинарных исследований COMSOL Multiphysics. В работе учитывалось влияние температуры на физико-химические параметры стали. Результаты для моделирования получены с использованием комплекса имитации термодеформационного состояния термического цикла свар- ки металла под действием растяжения Gleeble 3800 (коэффициент линейного расширения) и установки высоко- температурного термического анализа ВДТа-8М (теплоемкость, теплопроводность). Выполненные исследова- ния показали, что при аддитивном нанесении слоев стали 09Г2С на подложку наибольший уровень остаточных напряжений и деформаций достигается на границе первого слоя и подложки и составляют 280…320 МПа. Напряжения между слоями наплавленного металла существенно ниже (до 50 МПа). Установлено, что с увели- чением количества наносимых слоев уровень напряжений на границе аддитивный слой/подложка возрастает нелинейно и со временем не зависит от количества наносимых слоев. При аддитивном процессе для предот- вращения заметной деформации подложки следует использовать предварительный подогрев до температур не ниже 300…320 оС. Разработанное программное обеспечение может быть использовано для математического моделирования аддитивного процесса формирования конструкций из сталей, титановых и алюминиевых спла- вов. библиогр. 13, табл. 1, ил. 7. К л ю ч е в ы е с л о в а : аддитивное производство; моделирование; сталь; наплавление; напряжение; микро- структура Введение. аддитивные технологии — новый вы- сокоэффективный металлургический метод соз- дания конструкций в современном промышлен- ном производстве [1–3]. аддитивные технологии (аdditive мanufacturing) или технологии послой- ного нанесения материала путем наплавления, напыления или синтеза сегодня являются наи- более динамично развивающимся направлением «цифрового» производства. они позволяют зна- чительно ускорить научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки и обеспечить быстрое создание новой готовой продукции. Существует множество технологий, которые условно можно назвать аддитивными. Все эти тех- нологии объединяет процесс формирования дета- ли путем добавления нового материала (от англ. «аdd» — добавлять) в отличие от традиционных технологий, где создание детали происходит пу- тем удаления «лишнего» материала. Термином аддитивное производство (аП) при- нято называть группу технологических методов быстрого проектирования и создания изделий, которые позволяют создавать цельные, объемные изделия из различных материалов по трехмерной компьютерной модели [4]. Стандарт ASTM F2792- 12A дает определение термину аП как «метод соединения материалов, при котором происходит послойное создание объекта по заданной цифро- вой трехмерной модели». Первые методы адди- тивного производства появились в начале 80-х годов прошлого века. В основном они были ори- ентированы на производство изделий из полимер- ных материалов, пластиков и резин. В настоящее время эти методы нашли успешное коммерческое применение в металлургии, машиностроении, ар- хитектуре, космическом и аэрокосмическом про- изводстве, медицине, военной промышленности [5]. Помимо традиционных методов аддитивного производства развивались новые подходы, ис- пользующие для создания изделий металлические материалы и сплавы. По сравнению с классическими методами про- изводства методы аП имеют ряд преимуществ: возможность полной автоматизации процесса получения изделия (включая этап создания циф- ровой трехмерной модели), что снижает количе- ство времени необходимого на его изготовление в целом; высокая конкурентоспособность методов аП для изготовления изделий из дорогостоящих ти- тановых, никелевых сплавов и сплавов из туго-© Г. М. ГРиГоРЕНко, В. а. коСТиН, В. В. ЖУкоВ, 2017 36 ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 2 (127), 2017 ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МЕТАЛЛУРГИИ плавких материалов ввиду низкого коэффициента потерь материала. Это преимущество особенно важно в аэрокосмической промышленности, из- готовление деталей в которой зачастую связано с высоким коэффициентом расхода материала. Методы аП не лишены недостатков. они име- ют сравнительно низкую производительность, относительно низкую точность изготовления и характерную ребристость или «слоистость» по- верхности, требуют наличия вакуумной камеры или камеры с защитной атмосферой, в процессе наплавления деталей формируются высокие оста- точные напряжения и деформации. В таблице приведены современные методы аддитивного производства и их наиболее широко используемые в литературе названия. Стандарт ASTM F2792-12а предлагает подразделять мето- ды аП металлических изделий по используемым ими принципам, которые основанны на: сплав- лении (спекании) порошковой подложки; впры- скивании связующего материала на порошковую подложку; постоянном наплавлении концентриро- ванным источником энергии; ламинировании ли- стового металлического материала. Все методы аП, которые основаны на сплавле- нии, спекании или склеивании порошка условно могут рассматриваться как варианты одного и того же процесса. отличие заключается лишь в спосо- бе соединения частиц металлического порошка. В методах аП, основанных на сплавлении или спекании металлического порошка, используют в качестве нагревающего устройства высококон- центрированные источники энергии (лазер или электронный луч), которые непосредственно воз- действуют на слой порошковой подложки, произ- водя его выборочное сплавление. Смещаясь в вер- тикальном направлении происходит послойное наращивание монолитного изделия. Применение метода выборочного лазерного спекания позволяет создавать изделия из металли- ческих композиций различного химического со- става и физико-металлургических свойств. Методы аП, основанные на сплавлении метал- лических порошковых материалов, проводятся в камере с вакуумной или защитной атмосферой. На данный момент методы аП, при которых используют в качестве расходуемого материала порошок, более широко применяются по сравне- нию с методами, использующими металлическую проволоку. Применение металлического порошка в аП дает ряд преимуществ, которые присущи методам порошковой металлургии. Например, позволяет производить изделия из различных порошковых металлических композиций. Производительность порошковых методов аП достаточно низкая и составляет несколько грамм в минуту. Это сильно ограничивает возможности промышленного применения данных технологий при изготовлении крупноразмерных изделий. ис- пользование защитной камеры и особенности ра- боты с порошковыми материалами заметно сни- жают эффективность применения порошковых методов аП. Методы аП, в которых используют в каче- стве расходуемого материала проволоку, обла- дают большей эффективностью по сравнению с порошковыми. они имеют более высокую энер- Классификация методов АП Принцип формирования изделий Название метода / оригинальное название (англ.) Расходуемый материал Сплавление порошковой подложки Выборочное лазерное спекание / Selective laser sintering (SLS) Металлический порошок Выборочное лазерное оплавление / Selective laser melting (SLM) » Электронно-лучевое оплавление / Electron beam melting (EBM) » Впрыскивание связующего материала Струйная 3D печать на порошковой подложке / Powder bed and inkjet 3D printing (3DP) » Наплавление концентрированным источником энергии Лазерное изготовление конечных форм / Laser engineered net shaping (LENS) » Лазерная наплавка расходуемой проволокой / Wire fed laser beam (WFLB) Проволока изготовление форм электронным лучом / Electron beam freeform fabrication (EBF) » Дуговое аддитивное производство проволокой / Wire and arc additive manufacturing (WAAM) » Ламинирование металлических листов Ультразвуковое аддитивное производство / Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM) Листовой металл, фольга 37ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 2 (127), 2017 ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МЕТАЛЛУРГИИ гоэффективность, высокий коэффициент исполь- зования материала, дают большую массовую про- изводительность при создании крупногабаритных изделий. Микроструктуры образцов, выполненных раз- ными аддитивными методами, подобны [6]. Тем не менее, следует отметить более высокую пори- стость металла изделия, полученного порошковы- ми методами аП. В зависимости от типа использования источни- ка концентрированной энергии методы аП под- разделяются на лазерные, электронно-лучевые, электродуговые и дуговые. Лазерные и электронно-лучевые способы аП отличаются повышенной точностью создания изделий. По сравнению с лазерным и электрон- но-лучевым, электродуговое наплавление ме- таллических проволок обладает более высокой эффективностью использования расходных мате- риалов. Тем не менее, все методы аП проволокой имеют ряд общих особенностей, а именно: высо- кие остаточные напряжения и деформации, пере- грев подложки, относительно низкую точность формы изготовления детали. С точки зрения формирования структуры на- плавляемого металла применение аддитивных ме- тодов позволяет сформировать более однородную и дисперсную структуру металла по сравнению с традиционной литой. отсутствие химической не- однородности, дендритной и зональной ликвации связано с малым размером жидкой ванны и высо- кой скоростью кристаллизации наплавляемого ме- талла [7, 8]. Для получения оптимальных свойст адди- тивных конструкций необходимо выбрать соот- ветствующий способ нанесения и тип исполь- зуемого материала, предварительно создать математическую 3D модель. В процессе аддитив- ного наплавления необходимо контролировать формирующиеся температурные поля, деформа- ции и напряжения в наплавляемых слоях с целью обеспечения формирования необходимой формы изделия, его структурного состояния и механиче- ских свойств. Вместе с тем, непосредственное эксперимен- тальное определение этих параметров в процессе наплавления является довольно сложной практи- ческой задачей. В решении ее могут помочь со- временные методы анализа металлургического производства — компьютерное моделирование 3D аддитивных процессов. Необходимо также учитывать высокие остаточ- ные напряжения и деформации, которые возника- ют при наплавлении металлической проволокой и могут значительно понижать эксплуатационные характеристики изделий. Цель настоящей работы заключалась в оптими- зации параметров аддитивного процесса послой- ного формирования заготовки из стали 09Г2С на основе расчета температурных полей, напряже- ний и деформаций, формирующихся в процессе наплавления. Материал и методика исследований. В качестве материала для компьютерного моделирования вы- брана хорошо известная сталь 09Г2С. Выбор дан- ной стали обусловлен как необходимостью учесть в процессе моделирования зависимость свойств стали (плотность, теплопроводность, теплоем- кость, коэффициент термического расширения) от температуры, так и отсутствием у этой стали в рассматриваемом температурно-временном ин- тервале охлаждения структурных превращений. Последнее обстоятельство важно в связи с тем, что в этом случае при моделировании достаточно решать только температурную и деформационную задачу. Это значительно упрощает расчетную мо- дель и сильно уменьшает время расчетов. одной из важных проблем, которые возника- ют при моделировании процессов, использовании новых материалов и сплавов, является отсутствие исходных экспериментальных данных о зависи- мости свойств материалов от температур, скоро- стей охлаждения, нагрузок. Наличие свойств но- вых материалов в открытом доступе достаточно ограничено. В представленной работе температурную за- висимость свойств моделируемой стали 09Г2С определяли экспериментально путем использова- ния комплекса имитации термодеформационного состояния термического цикла сварки металла под действием растяжения Gleeble 3800 (физические свойства) и метода высокотемпературного диф- ференциального термического анализа ВДТа-8М (термические свойства). коэффициент термического расширения и ха- рактер изменения плотности стали 09Г2С в за- висимости от температуры нагрева изучали с использованием комплекса иммитации термоде- формационного состояния металла Gleeble 3800, оснащенного быстродействующим дилатометром. комплекс Gleeble 3800 позволяет имитировать физические процессы, которым подвергается ме- талл в процессе обработки стали, — прокатку, штамповку, ковку, осадку (прессование), термиче- скую обработку и т. д. исследования выполняли на цилиндрических образцах диаметром 6 мм и длиной 80 мм, изго- 38 ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 2 (127), 2017 ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МЕТАЛЛУРГИИ товленных из листового проката стали 09Г2С тол- щиной 20 мм. В соответствии с разработанной в иЭС им. Е. о. Патона методикой, по заданной программе образцы нагревали в вакуумной ка- мере до температуры 1170 оС, выдерживали при этой температуре в течение 5 мин, а затем охла- ждали с разными скоростями. Скорости охлажде- ния составляли 1; 5; 10; 15; 20; 25 oС/с в интервале температур 500…800 оС. Выбор таких скоростей охлаждения позволяло достаточно точно воспро- изводить параметры охлаждения термических циклов при электродуговом наплавлении (тепло- вые и временные). Термическая система комплекса Gleeble 3800 позволяет проводить высокоточные дилатоме- трические измерения коэффициентов линейного расширения, температур фазовых превращений и расчет количества образующихся фаз. обработку данных эксперимента выполняли интерактивно в приложении Origin 9.0. коэффициенты теплоемкости и теплопроводности стали 09Г2С определяли с использованием уста- новки высокотемпературного дифференциального термического анализа ВДТа-8М, в которой образцы нагревали до расплавления и автоматически фикси- ровали величину эндотермических и экзотермиче- ских эффектов и температуру плавления стали. Влияние температуры нагрева на физико-тер- мические свойства стали 09Г2С представлены на рис. 1. Для проведения компьютерного моделирова- ния использовали расчетный пакет междисципли- нарных исследований COMSOL Multiphysics [9, 10], который позволяет объединить задачи диф- фузии, тепло- и массопереноса, гидродинамики, механики деформируемого твердого тела в одну взаимосвязанную задачу. Пакет COMSOL Multiphysics включает в себя набор предварительно сконфигурированных поль- зовательских интерфейсов, модулей и инструмен- тов моделирования, которые значительно облег- чают процесс создания математической модели и задания 3D модели расчетной области. Физическую модель аддитивного процесса на- несения слоев строили исходя из ряда допущений. Геометрия наплавки состоит из слоев материала из стали 09Г2С толщиной 1 мм, шириной 3 мм и дли- ной 28 мм. количество наплавляемых слоев опреде- лялось условием, при котором нанесение последу- ющих слоев материала уже не оказывало влияние на уровень напряжений на границе слои/подлож- ка, т. е. выходило на стационарный режим — «по- лочку». исходя из результатов эксперимента было Рис. 1. Влияние температуры нагрева на физико-термические свойства стали 09Г2С: а — теплопроводность; б — теплоем- кость; в — линейное расширение; г — плотность при различных скоростях охлаждения, oС/с: 1 — 0,1; 2 — 1; 3 — 5; 4 — 10; 5 — 15; 6 — 20; 7 — 25 39ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 2 (127), 2017 ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МЕТАЛЛУРГИИ принято, что в начальный момент времени капли расплавленного металла стали 09Г2С имели темпе- ратуру равную температуре плавления металла Тпл = 1823 к. Слои наносили на подложку из стали марки Ст3. Для упрощения геометрии построения модели предполагалось, что капли представляют собой эле- менты правильной формы в виде параллелепипедов размером 1×3×1 мм. Свойства исходного материала аддитивных слоев (плотность, теплоемкость, линей- ное расширение) однородны и зависят от температу- ры (рис. 1). Движение жидкой фазы не учитывали. В работе сделано предположение, что дуговой источ- ник нагрева или лазер не нагревают подложку. В расчетах принята модель линейно-упругого материала. Напряжения и деформации в модели возникают в результате развития усадочных яв- лений — уменьшения объема материала при ох- лаждении. Теплопередача в слоях осуществляется теплопроводностью, конвекцией и излучением в окружающую среду с температурой Твнеш. кинетика изменения температурных и дефор- мационных полей для рассматриваемого случая нанесения аддитивных слоев носит трехмерный характер, в результате чего нельзя ограничиться рассмотрением 2D модели. Математическая модель нанесения аддитив- ных слоев может быть описана рядом математи- ческих уравнений. Для численного анализа кинетики изменения температурных полей в наплавляемых слоях от времени использовали решение трехмерного не- стационарного уравнения теплопроводности: [ ]( ) ,p TC u T k T Tt ∂ ρ + ∇ =∇ ∇ ∂  (1) где ρСр — удельная теплоемкость; k — теплопро- водность материала. Граничные условия, необходимые для решения уравнения (1), определяются балансом подвода и стока тепла с поверхности наплавляемой детали. Так, в области контакта наплавляемого изделия с подложкой сток тепла может быть описан зако- ном Ньютона, тогда как на свободной поверхно- сти тепловое излучение подчиняется закону Сте- фана–больцмана. В случае достаточно близкого расположения источника нагрева (например дуго- вого) к торцу наплавляемого изделия необходимо учитывать дополнительный разогрев от источника нагрева. Граничные условия для решения уравнения те- плопроводности (1) имеют следующий вид: 4 4 0 ( ) ( ) , ( ) âíåø âíåø â îáëàñòè êîíòàêòà ñ ïîäëîæêîé íà ñâîáîäíûõ ïîâåðõíîñòÿõ h T T Tk T n T T q −  ∂ − = ∂ εs − −   (2) где n — нормаль к поверхности; h = 10 Вт/м2·K — коэффициент теплооотдачи [11]; ε = 0,8 — степень черноты материала; σ0 — константа Стефана– больцмана; Tвнеш = 293 к — температура окружаю- щей среды; q — поток тепла от источника нагрева. На данном этапе исследований этот поток не учи- тывался (q = 0 Вт/м2). В дальнейших работах пред- полагается учитывать этот дополнительный поток тепла и использовать в качестве источника нагрева лазерный, электронно-лучевой и электродуговой, которые характеризуются различным простран- ственным распределением тепловой мощности. Связь между компонентами тензоров напряже- ний и деформаций (закон Гука в тензорной форме) и перемещениями во времени может быть записа- на в следующем виде: 2 2 ( ) , : ,vol el u FS f S C E t ∂ ρ = ∇ + = ∂ (3) где u — перемещение; F — градиент деформа- ций; S — тензор напряжений кирхгофа; Eel — тен- зор упругих деформаций; C — тензор модулей упругости; fvol — объемные силы, связанные с термическим расширением материала на основе уравнений термоупругости для: малых дефор- маций — Eth = a(T – Tвнеш), больших — Jth = (1 + + a(T – Tвнеш))3, где α — коэффициент термическо- го расширения. В работе нанесение слоев рассматривали как последовательный процесс нанесения капель-«ку- биков». Реальную форму капель и действие сил поверхностного натяжения на ее поверхности пока не учитывали. Решение дифференциальных уравнений проводили методом конечных эле- ментов (МкЭ) путем построения неоднородной адаптивной сетки и задания в каждой ячейке сетки интерполяционного многочлена Лагранжа второго порядка. Максимальный размер элементов сетки составлял 0,1 мм. алгебраическую систему урав- нений, полученную дискретизацией обыкновен- ных дифференциальных уравнений, вычисляли в решателе MUMPS (time dependent solver), кото- рый является составной частью пакета COMSOL Multiphysics. Результаты моделирования. В результате про- веденных численных экспериментов рассчитано поле температур (рис. 2), напряжений (рис. 3, а), деформаций и перемещений (рис. 3, б) в каждый 40 ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 2 (127), 2017 ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МЕТАЛЛУРГИИ момент времени при последовательном наплавле- нии аддитивных слоев на подложку. По результатам решения температурной задачи (рис. 2) видно, что кинетика изменения темпера- турного поля имеет трехмерный характер, однако в наплавляемой тонкой стенке температура в по- перечном направлении распределена достаточно однородно. одной из важных задач, которые решали на данном этапе исследований, было изучение воз- можности достижения стационарного темпера- турного поля и поля напряжений при последова- тельном нанесении валиков. Решение этой задачи позволит оптимизировать технологический про- цесс, а также обеспечить равномерность струк- турного состояния наносимых аддитивных слоев по всему сечению изделия и, следовательно, обе- спечить однородность механических и эксплуата- ционных свойств. анализ кинетики изменения температурных полей (рис. 2) показал, что наносимый слой ока- зывает заметное влияние в основном на предыду- щий, что связано с малым размером толщины слоя и его быстрым охлаждением. Проведенный анализ результатов моделиро- вания аддитивного процесса нанесения слоев из стали 09Г2С показал, что уровень напряжений на границе аддитивный слой/подложка изменяется от 280 до 320 МПа. На границах наносимых аддитив- ных слоев напряжения практически отсутствуют (не превышают 50 МПа) и, следовательно, исполь- Рис. 2. Расчетная кинетика изменения темпера- турных полей при наплавлении стали 09Г2С на подложку во времени, с: а — 20; б — 50; в — 110; г — 160; д — 210 Рис. 3. Расчетные значения напряжений (а) и суммарных перемещений (б) при нанесении 7-ми аддитивных слоев из стали 09Г2С 41ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 2 (127), 2017 ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МЕТАЛЛУРГИИ зуемая в расчетах модель линейно-упругого мате- риала дает достаточно достоверные результаты. анализ влияния количества наносимых слоев на уровень напряжений и деформаций на границе слой/подложка показал (рис. 4), что с увеличени- ем количества слоев эти параметры постепенно возрастают, однако величина приращения напря- жений и перемещений постепенно снижается. В ходе моделирования установлено, что после 50…60 с от начала процесса наплавления сло- ев, т. е. после нанесения 3-го слоя, дальнейшего возрастания напряжений на границе аддитивная стенка/подложка не происходит. Это позволяет ограничиться расчетом первых 3–4-х слоев и за- метно снизить ресурсоемкость численных иссле- дований. Несмотря на это, полученные результаты с достаточной точностью и достоверностью опи- сывают процесс аддитивного наплавления. В работе моделировали оснастку изделия, при которой фиксировались оба края пластины. Та- кой вид оснастки приводит к тому, что изделие в результате послойной наплавки получает оста- точную изгибную деформацию в продольном направлении в результате развития усадочных явлений — сокращения объема материала при ох- лаждении. Расчеты показали заметную деформа- цию подложки в ходе последовательного нанесе- ния слоев. Максимальный прогиб в средней части подложки составил 0,32 мм (рис. 4, б). Для предотвращения заметной деформации конструкции, по-видимому, следует использовать предварительный подогрев подложки или выпол- нять ее предварительный прогиб. Расчеты пока- зывают (рис. 5, кривые 3, 4), что чем выше тем- пература предварительного подогрева подложки, тем ниже напряжения на границе слой/подложка и меньше ее изгиб. анализ полученных результатов показывает (рис. 5), что повышение температуры предвари- тельного подогрева на 300 оС позволяет снизить уровень напряжений на границе аддитивный слой/подложка в 2,5 раза и уменьшить изгиб кон- струкции в 2…3 раза. Уровень напряжений сни- жается с 300...320 МПа при 20 оС (без подогрева) до 90...100 МПа при температуре предваритель- ного подогрева 320 оС (рис. 5, а, кривая 3, 4). Де- формация конструкции снижается с 0,30...0,32 до 0,12…0,14 мм. Дальнейшее повышение тем- пературы предварительного подогрева подложки Рис. 4. Влияние времени (t) нанесения аддитивных слоев стали 09Г2С на: а — термический цикл; б — общий прогиб подлож- ки в центральной части Рис. 5. Влияние температуры предварительного подогрева подложки на величину: а — напряжений по границе слой/подлож- ка; б — перемещений; температура предварительного подогрева: 1 — 20; 2 — 120; 3 — 320; 4 — 420 оС 42 ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 2 (127), 2017 ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МЕТАЛЛУРГИИ выше 320 оС не влияет на величину напряжений и перемещений аддитивной конструкции. одна из задач, которую решали в процессе мо- делирования, состояла в том, чтобы установить влияние толщины наплавляемого слоя на параме- тры аддитивной конструкции. С одной стороны, эффективность аддитивного процесса связана с количеством материала, нане- сенного в единицу времени. исходя из этого жела- тельно увеличивать толщину слоя одного прохода. Это достигается либо за счет увеличения количе- ства расплавленного металла, либо за счет сниже- ния скорости процесса. С другой стороны, увеличение количества расплавленного металла ограничивается теплов- ложением, получаемым от источника нагрева, а снижение скорости будет заметно сказываться на величине перегрева жидкого металла, что отрица- тельно повлияет на свойства изделия. В процессе наплавления слоев желательно добиваться созда- ния температурного режима, который максималь- но приближен к стационарному, для получения однородных свойств изделия по высоте наплавки. Поэтому в работе определяли влияние тол- щины слоя, которая в процессе моделирования составляла 0,5, 1,0 и 5,0 мм, на величину напря- жений на границе слой/подложка, деформаций и средней температуры аддитивной конструкции. авторами работы [12] показано, что стационар- ный температурный режим в центральной части таврового профиля достигается после нанесения на подложку 8-го слоя. Установлено, что достижение стационарного режима аддитивного наплавления зависит от тол- щины наплавки. Для тонких слоев (0,5 мм) ста- ционарный режим достигается после нанесения 3-го слоя (рис. 6, а, кривая 3), тогда как для более толстых слоев (1,0 и 5,0 мм) стационарный режим достигается после нанесения 6-ти, 7-ми слоев (рис. 6, а, кривая 1, 2). использование в расчетах модели поведения упруго-пластического материала вместо модели поведения линейно-упругого позволяет опреде- лить формоизменение наплавленных слоев при охлаждении вследствие пластической деформа- ции (рис. 7). Расчеты показывают, что сужение подложки по длине составляет 2,17, а по высо- те — до 0,5 мм. При моделировании аддитивного процесса по- лучения изделий из сталей с более сложным хими- ческим составом необходимо учитывать структур- ные превращения. Это связано с тем, что, с одной стороны, в процессе охлаждения выделяется те- плота превращения, что приводит к локальному повышению температуры, а, с другой стороны, превращение аустенита в бейнит или мартенсит сопровождается изменением свойств моделиру- емого слоя и заметным изменением его объема. образование в наплавляемых слоях закалочных (мартенситных) структур может привести к их значительной деформации и даже разрушению. В результате при моделировании аддитивных слоев к двум выше перечисленным дифференци- альным уравнениям необходимо добавить урав- нения структурных превращений: аустенит→фер- рит, аустенит→бейнит и аустенит→мартенсит. Полученные результаты моделирования темпе- ратурных полей, напряжений и деформаций могут быть использованы для решения практической задачи улучшения технологических параметров Рис. 6. Влияние толщины слоя на величину напряжений (а) и деформаций (б) аддитивной конструкции: 1 — 5,0; 2 — 1,0; 3 — 0,5 мм Рис. 7. Геометрия аддитивных слоев стали 09Г2С с учетом пластической деформации 43ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 2 (127), 2017 ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МЕТАЛЛУРГИИ аддитивного процесса формирования заготовок деталей и конструкций. Выводы 1. При аддитивном процессе наплавления стали 09Г2С на подложку наибольший уровень оста- точных напряжений и деформаций достигается на границе первого слоя и подложки и составляют от 280 до 320 МПа. Напряжения между наплавляе- мыми слоями существенно ниже (до 50 МПа). 2. Установлено, что с увеличением количества наносимых слоев уровень напряжений на границе аддитивный слой/подложка постепенно возрас- тает и со временем становится независимым от количества наносимых слоев. Достижение стаци- онарного режима наплавления достигается после нанесения 6-ти, 7-ми слоев. 3. При нанесении слоев для предотвращения заметной деформации аддитивной конструкции следует использовать предварительный подогрев подложки до температур не ниже 300…320 оС. 4. В случае моделирования аддитивного про- цесса формирования изделий из сплавов (сталей) более сложного химического и структурного со- ставов необходимо в математическую модель вве- сти уравнения структурных превращений. Список литературы 1. Жуков В. В., Григоренко Г. М., Шаповалов В. а. (2016) аддитивное производство металлических изделий (об- зор). Автоматическая сварка, 5–6, 148–153. 2. ахонин С. В., Вржижевский Э. Л., белоус В. Ю., Петри- ченко и. к. (2016) 3D электронно-лучевая наплавка тита- новых деталей. Там же, 5–6, 141–144. 3. коржик В. Н., Хаскин В. Ю., Гринюк а. а. и др. (2016) Трехмерная печать металлических объемных изделий сложной формы на основе сварочных плазменно-дуговых технологий (обзор). Там же, 5–6, 127–134. 4. Kaufui V. Wong, Aldo Hernandez (2012) A review of ad- ditive manufacturing. International Scholarly Research Network. Mechanical Engineering, 2012, 10 p. doi 10.5402/2012/208760. 5. Rizwan P. M. Ali, Hara Theja C. R., Syed Saheb S. M., Yavaraj C. (2015) Review on diverse materials applied for additive manufacturing. International Journal for Research in Applied Science & Engineering Technology, 3, July, 16–20. 6. Ding D., Pan Z., Cuiuri D., Li H. (2015) Wire-feed additive manufacturing of metal components: technologies, developments and future interests. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 81, 465–481. 7. Шаповалов В. а., Григоренко Г. М. (2015) Управление структурой металла в процессе кристаллизации. Совре- менная электрометаллургия, 2, 51–54. 8. Шаповалов В. а., Григоренко Г. М. (2015) Подавление ликвационных процессов в крупных слитках. Современ- ная электрометаллургия, 1, 26–30. 9. https://www.comsol.com/. 10. костин В. а., Жуков В. В. (2016) Моделирование про- цессов получения металлических изделий методами аддитивных технологий. Сб. трудов 8-й Межд. конф. «Математическое моделирование и информационные технологии в сварке и родственных процессах», 19–23 сентября 2016 г., Одесса, Украина. 11. http://tehtab.ru/Guide/GuidePhysics/GuidePhysicsHeatAnd Temperature/ConvectionHeatTransfer1/Overa.llHeat TransferCoefficients/ 12. Махненко о. В., Миленин а. С., Великоиваненко Е. а. и др. (2017) Моделирование температурных полей и напря- женно-деформированного состояния малого трехмерного образца при его послойном формировании. Автоматиче- ская сварка, 3, 11–19. References 1. Zhukov V. V., Grigorenko G. M., Shapovalov V. A. (2016) Additive manufacturing of metal products (Review). The Pa- ton Welding Journal, 5–6, 137–142. [in Russian]. 2. Akhonin S. V., Vrzhizhevsky E. L., Belous V. Yu., Petrichen- ko I. K. (2016) Electron beam 3D-deposition of titanium parts. The Paton Welding Journal, 5–6, 130–133. [in Russian]. 3. Korzhik V. N., Khaskin V. Yu., Grinyuk A. A. et al. (2016) 3D-printing of metallic volumetric parts of complex shape based on welding plasma-arc technologies (Review). The Pa- ton Welding Journal, 5–6, 117–129. [in Russian]. 4. Kaufui V. Wong, Aldo Hernandez (2012) A review of additive manufacturing / International Scholarly Re- search Network. Mechanical Engineering, 2012, 10 p. doi 10.5402/2012/208760. 5. Rizwan P. M. Ali, Hara Theja C. R., Syed Saheb S. M., Yavaraj C. (2015) Review on diverse materials applied for additive manufacturing. International Journal for Research in Applied Science & Engineering Technology, 3, July, 16–20. 6. Ding D., Pan Z., Cuiuri D., Li H. (2015) Wire-feed additive manufacturing of metal components: technologies, developments and future interests. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 81, 465–481. 7. Shapovalv V. A., Grigorenko G. M. (2015) Metal structure control during solidification. Sovremennaya elektrometallur- giya, 2, 51–54. [in Russian]. 8. Shapovalov V. A., Grigorenko G. M. (2015) Supression of liquation processes in large ingots. Sovremennaya elektrome- tallurgiya, 1, 26–30. [in Russian]. 9. https://www.comsol.com/. 10. Kostin V. A., Zhukov V. V. (2016) Modelling the processes of metallic parts production using additive technology methods. Proceedings of Eighth Inter. Conf. «Mathematical Modeling And Information Technologies in Welding and Related Pro- cesses», 19–23 September 2016, Odessa, Ukraine. [in Rus- sian]. 11. http://tehtab.ru/Guide/GuidePhysics/GuidePhysicsHeatAnd Temperature/ConvectionHeatTransfer1/Overa.llHeat TransferCoefficients/ 12. Makhnenko O. V., Milenin A. S., Velikoivanenko E. A. et al. (2017) Modelling of temperature fields and stress-strain state of small 3D sample in its layer-by-layer forming. The Paton Welding Journal, 3, 7–14. [in Russian]. 44 ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 2 (127), 2017 ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МЕТАЛЛУРГИИ МОДЕЛЮВАННя МЕТАЛУРГІйНОГО АДИТИВНОГО ПРОЦЕСУ СТВОРЕННя КОНСТРУКЦІй ІЗ СТАЛІ 09Г2С Г. М. Григоренко, В. А. Костін, В. В. Жуков Інститут електрозварювання ім. Є. о. Патона НаН України. 03680, м. київ-150, вул. казимира Малевича, 11. Е-mail: office@paton.kiev.ua Представлені результати моделювання термічних полів, напруг, деформацій і переміщень при формуванні ади- тивної конструкції із сталі 09Г2С на підложці. Для проведення комп’ютерного моделювання використовува- ли розрахунковий пакет міждисциплінарних досліджень COMSOL Multiphysics. У роботі враховувався вплив температури на фізико-хімічні параметри сталі. Результати для моделювання були отримані з використанням комплексу імітації термодеформаційного стану термічного циклу зварювання металу під дією розтягування Gleeble 3800 (коефіцієнт лінійного розширення) і приладу високотемпературного термічного аналізу ВДТа-8М (теплоємність, теплопровідність). Виконані дослідження показали, що при адитивному нанесенні шарів сталі 09Г2С на підложку найбільший рівень залишкових напружень і деформацій досягається на границі першого шару і підложки і складають 280...320 МПа. Напруження між шарами наплавленого металу істотно нижче (до 50 МПа). Встановлено, що зі збільшенням кількості шарів які наносяться, рівень напружень на границі ади- тивний шар/підложка зростає нелінійно і з часом перестає залежати від кількості шарів, що наносяться. При адитивному процесі для запобігання помітної деформації підложки слід використовувати попередній підігрів до температур не нижче 300...320 оС. Розроблене програмне забезпечення може бути використане для матема- тичного моделювання адитивного процесу формування конструкцій із сталей, титанових і алюмінієвих сплавів. бібліогр. 13, табл. 1, іл. 7. К л ю ч о в і с л о в а : адитивне виробництво; моделювання; сталь; наплавлення; напруження; мікрострук- тура MODELING OF METALLURGICAL ADDITIVE PROCESS OF MANUFACTURE OF 09G2S STEEL STRUCTURES G.M. Grigorenko, V.A. Kostin, V.V. Zhukov E.O. Paton Electric Welding Institute, NASU. 11 Kazimir Malevich Str., 03680, Kiev, Ukraine. E-mail: office@paton.kiev.ua Presented are the results of modeling the thermal fields, stresses, deformations and displacements in formation of additive structures of steel 09G2S on substrate. To carry out the computer modeling, a calculation package of inter- disciplinary investigations COMSOL Multiphysics was used. In the work the effect of temperature on steel physical- chemical parameters was taken into account. Results for modeling were obtained by using a complex Gleeble 3800 of simulation of thermodeformational state of a thermal cycle of metal welding under the action of tension (coefficient of linear expansion) and unit VDTA-8M of high-temperature thermal analysis (heat capacity, heat conductivity). The carried out investigations showed that at the additive deposition of steel 09G2S layers on substrate the highest level of residual stresses and deformations is reached at the interface of the first layer and substrate and amounts to 280…320 MPa. The stresses between the deposited metal layers are significantly lower (to 50 MPa). It was found that with increase in the number of depositing layers the level of stresses at the additive layer/substrate interface is increased and does not depend with time on the deposited layer number. During the additive process it is necessary to apply the preheating up to temperatures of not lower than 300…320 oC to prevent a noticeable deformation of the substrate. The developed software can be used for the mathematical modeling of the additive process of formation of structures of steels, titanium and aluminium alloys. Ref. 13, Table 1, Figures 7. K e y w o r d s : additive production; modeling; steel; deposition; stress; microstructure Поступила 14.03.2017

Моделирование металлургического аддитивного процесса создания конструкций из стали 09Г2С

Institution

Ähnliche Einträge