Компьютерная модель ликвидации внутренних дефектов титановых отливок для определения оптимальной конфигурации компенсаторов
В среде Comsol 4.3a предложена компьютерная модель ликвидации внутренних дефектов титановых отливок, основанная на механизмах ползучести и растворения пор за счет диффузии вакансий. Представлены данные измерений результирующих углублений для пор различных размеров на разном расстоянии от поверхности...
Saved in:
| Published in: | Металл и литье Украины |
|---|---|
| Date: | 2014 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
2014
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/159694 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Компьютерная модель ликвидации внутренних дефектов титановых отливок для определения оптимальной конфигурации компенсаторов / О.С. Сергиенко, В.В. Лунев // Металл и литье Украины. — 2014. — № 7. — С. 29-32. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859793311592611840 |
|---|---|
| author | Сергиенко, О.С. Лунев, В.В. |
| author_facet | Сергиенко, О.С. Лунев, В.В. |
| citation_txt | Компьютерная модель ликвидации внутренних дефектов титановых отливок для определения оптимальной конфигурации компенсаторов / О.С. Сергиенко, В.В. Лунев // Металл и литье Украины. — 2014. — № 7. — С. 29-32. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Металл и литье Украины |
| description | В среде Comsol 4.3a предложена компьютерная модель ликвидации внутренних дефектов титановых отливок, основанная на механизмах ползучести и растворения пор за счет диффузии вакансий. Представлены данные измерений результирующих углублений для пор различных размеров на разном расстоянии от поверхности образца. Предложена методика определения оптимальной конфигурации компенсатора при разработке технологии производства новых отливок.
У середовищі Comsol 4.3a запропоновано комп’ютерну модель ліквідації внутрішніх дефектів титанових виливків, засновану на механізмах повзучості і розчинення пор за рахунок дифузії вакансій. Представлено дані вимірювань результуючих заглиблень для пор різних розмірів на різній відстані від поверхні зразка. Запропоновано методику визначення оптимальної конфігурації компенсатору при розробці технології виготовлення нових виливків.
Computer mathematical model for internal defects removal using Comsol 4.Za is described in the article. The model is based on mechanisms of creep flow and pore dissolution via vacancies diffusion. The data about resulting surface cavities for different pore sizes and depth is presented. The method for determining optimal compensator configuration while developing production technology of new castings is proposed.
|
| first_indexed | 2025-12-02T12:23:02Z |
| format | Article |
| fulltext |
29МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 7 (254) ’2014
где ( )tε – скорость ползучести; s(t) – напряжение,
действующее в зоне расположения поры; Q – энер-
гия активации процесса ползучести; R – универсаль-
ная газовая постоянная; T – температура ГИП; A –
коэффициент пропорциональности.
В работе [3] предложена модель поведения ша-
ровой поры в упругом пространстве под действием
всестороннего давления. Представлены также обла-
сти упругопластической деформации, возникающие
около пор различной формы, однако теоретические
исследования используют абстрактный материал без
заданных физико-механических свойств.
В данной работе предложена модель ликвидации
внутренних дефектов в титановых отливках, а так-
же разработана оптимальная форма компенсатора,
которая предотвращает нарушение геометрических
размеров отливки после ГИП.
Материалы и методика эксперимента. Для соз-
дания компьютерной математической модели ре-
зультатов ликвидации пор в титановых отливках по-
сле ГИП использована демо-версия Comsol 4.3a. Для
моделирования использован модуль SolidMechanics,
который позволяет объединить эффекты пластиче-
ской деформации и ползучести по механизму Набар-
ро-Херинга в нестационарных условиях, аналогично
модели, предложенной в работе [2].
Для упрощения математической модели принят ряд
допущений: не учитывается влияние легирующих эле-
ментов на физико-механические свойства бета-тита-
на; образцы нагреты равномерно по объему до темпе-
ратуры обработки ГИП; вместо изостатического давле-
ния рассматривается одностороннее воздействие на
поверхность образца, к которой пора находится ближе
всего; в порах отсутствует газ, потому не учитывается
процесс диффузии газа в твердом металле в процессе
ликвидации пор; вместо трехмерного образца рассма-
тривается двухмерная модель в плоскости, перпенди-
кулярной к поверхности приложения давления.
Для определения влияния ликвидации пор в про-
цессе ГИП на геометрию образца в моделировании
В
ведение. Горячее изостатическое прессование
(ГИП) – это прогрессивный метод ликвидации вну-
тренних дефектов в литых заготовках, однако вы-
сокая стоимость оборудования и большие энер-
гозатраты делают обработку ГИП нецелесообразной
для простых деталей из недорогих сплавов. Наиболее
рационально применение ГИП для отливок сложной
конфигурации из никелевых жаропрочных и титано-
вых сплавов, а также высоколегированных сталей.
Применение ГИП увеличивает стоимость разра-
ботки технологии для новых деталей сложной геоме-
трии из-за необходимости обработки многочислен-
ных пробных партий отливок в процессе подбора
оптимальной конфигурации компенсатора.
Для сокращения затрат на разработку новой тех-
нологии рационально использовать математическое
моделирование. По результатам компьютерного ма-
тематического моделирования можно определить:
размеры результирующего углубления после ГИП;
оптимальное место размещения компенсатора; оп-
тимальные размеры компенсатора для сокращения
затрат металла; оптимальную форму компенсатора
для сокращения затрат на удаление излишков мате-
риала после ГИП.
Анализ состояния проблемы. В различных лите-
ратурных источниках рассматриваются математиче-
ские модели устранения внутренних пор в отливках
и изделиях порошковой металлургии. В работах [1, 2]
представлены кинетические модели ликвидации вну-
тренних дефектов, основанные на сочетании принци-
пов пластической деформации и механизма раство-
рения пор в результате диффузии вакансий. Иссле-
дователи используют линейные законы ползучести
для расчета времени ликвидации пор. Однако расчет
по формуле (1) затруднен определением значений
энергии активации процесса ползучести и коэффи-
циента пропорциональности.
УДК 669.295-131.4
О. С. Сергиенко, В. В. Лунев
Запорожский национальный технический университет, Запорожье
Компьютерная модель ликвидации внутренних дефектов
титановых отливок для определения оптимальной
конфигурации компенсаторов*
В среде Comsol 4.3a предложена компьютерная модель ликвидации внутренних дефектов титановых отливок,
основанная на механизмах ползучести и растворения пор за счет диффузии вакансий. Представлены данные
измерений результирующих углублений для пор различных размеров на разном расстоянии от поверхности
образца. Предложена методика определения оптимальной конфигурации компенсатора при разработке
технологии производства новых отливок.
Ключевые слова: горячее изостатическое прессование, компьютерная математическая модель, внутренний
дефект, титан, компенсатор
* По материалам Х Международной специализированной выставки-конференции «Литье-2014» (27-29 мая, г. Запорожье)
(1)( ) ( )
Q
RTt A t eε = ⋅ σ ⋅
30 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 7 (254) ’2014
применяются образцы с единственной порой. Пу-
стоты располагаются в центрах образцов длиной
100 мм каждый на различной глубине. Для сравнения
результатов математического моделирования с дан-
ными реальных испытаний образцов из сплава ВТ5Л
использованы поры диаметрами 2, 4 и 6 мм, располо-
женные на глубинах 2, 4, 6 и 8 мм.
По условиям математического моделирования
образец имеет свойства бета-титана и нагрет до
температуры 1050 °С. Три стороны образца зафик-
сированы в пространстве, а к четвертой приклады-
вается давление 140 МПа. Для повышения точности
расчета использована сетка конечных элементов
Extrafine, общее число которых по площади образца
составляет 12400.
После окончания моделирования измерена высо-
та результирующих углублений h, данные измерений
приведены в таблице. Полученные в результате за-
висимости высоты результирующего углубления от
расстояния H от поры до поверхности образца для
пор разного диаметра D представлены на рис. 1.
Конфигурация результирующего углубления после
ликвидации поры диаметром 2 мм и на глубине 2 мм
представлена на рис. 2.
Обсуждение результатов экс-
перимента. Результаты компью-
терного математического модели-
рования подтверждают, что при
увеличении расстояния от поры
до поверхности образца высо-
та результирующего углубления
уменьшается, а его диаметр уве-
личивается. Моделирование по-
зволяет сделать вывод, что металл
поддается сдвигу под давлением
по большей части поверхности,
потому точно измерить диаметр
результирующего углубления не-
возможно.
Размеры результирующих углу-
блений по результатам компью-
терного математического модели-
рования отличаются от результа-
тов, полученных в экспериментах
с образцами из сплава ВТ5Л. С
учетом принятых при моделиро-
Зависимость высоты результирующего углубления после ГИП от рассто-
яния поры до поверхности образца для пор разного диаметра
Рис. 1.
вании упрощений, необходимо ввести поправочный
коэффициент K = 0,1. Коэффициент рассчитан как
соотношение результатов измерений размеров ре-
зультирующих углублений в образцах из титанового
сплава и компьютерного моделирования.
На основании полученной компьютерной мате-
матической модели определили оптимальную кон-
фигурацию компенсаторов. В работе [4] предлага-
ется использовать компенсатор, размеры которого
по вертикали в два раза превышают размеры поры,
а по горизонтали превышают их в шесть раз. Ком-
пьютерная математическая модель позволяет по-
добрать более точные габариты компенсатора для
каждой отливки.
По результатам компьютерного математического
моделирования определили:
– высоту компенсатора нецелесообразно делать
одинаковой по всей площади;
– компенсатор имеет максимальную высоту над
центром поры, а к его краям высота плавно снижа-
ется до нуля;
– максимальная высота компенсатора превышает
высоту поры не больше, чем в 1,5 раза; диаметр
компенсатора должен быть максимальным, в
Результаты математического моделирования ликвидации поры диаметром 2 мм и на глубине 2 ммРис. 2.
-20
-15
-10
-5
0
5
10
Размеры результирующих углублений после ликвидации пор
D, мм 2 4 6
H, мм 2 4 6 8 2 4 6 8 2 4 6 8
h, мм 2,9 2,1 1,5 1,3 3,9 3,2 2,6 2,2 4,9 3,9 3,3 2,9
31МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 7 (254) ’2014
некоторых случаях он в 10-15 раз может превышать
размеры поры.
В ходе исследования испытывали компенсаторы
в форме полусферы, параллелепипеда, конуса, пи-
рамиды, но оптимальной оказалась «зеркальная»
конфигурация, размеры которой определяются па-
раметрами результирующего углубления после ГИП
отливки или образца (рис. 3).
По сравнению с компенсаторами других форм,
«зеркальный» компенсатор имеет минимальный
расход металла, оставляет после ГИП минимальный
объем для удаления с поверхности отливки. С другой
стороны, максимальная эффективность зеркального
компенсатора достигается при точном размещении
над порой, что не всегда осуществимо.
Предложен следующий алгоритм получения оп-
тимальной конфигурации зеркального компенсатора
при разработке технологии для новых отливок, изго-
тавливаемых по выплавляемым моделям:
– рентгеновский контроль тестовой партии отливок;
– определение расположения и размеров пор
в отливках;
– ГИП тестовой партии отливок;
– компьютерное математическое моделирование
ликвидации пор заданных размеров в отливках;
– изготовление модели компенсатора по форме
результирующего углубления после ГИП;
– компьютерное моделирование ГИП с зеркаль-
ным компенсатором;
– корректировка размеров и формы компенсатора
при помощи компьютерной математической модели;
– изготовление модели зеркального компенсатора
для крепления на модели отливок.
Выводы
Предложенная компьютерная математическая
модель предназначена для ускорения и упрощения
разработки технологии изготовления новых отливок.
С учетом поправочного коэффициента математиче-
ская модель позволяет спрогнозировать размеры ре-
зультирующих углублений после ГИП и разработать
оптимальную конфигурацию компенсатора. Предло-
женная форма зеркального компенсатора теоретиче-
ски является наиболее рациональной с точки зрения
использования металла, а также экономии ресурсов
и времени на удаление излишков металла с поверх-
ности отливок.
1. P. L. Antona, C. Mapelli Hot isostatic pressing (HIP): the state of the art & improvement of two steels // Metallurgical science
and technology. –2001. – № 2. – С. 3-7.
2. М. Р. Орлов Кинетика устранения пор в турбинных лопатках из жаропрочных никелевых сплавов методом горячего
изостатического прессования // Всероссийская научная школа для молодежи «Материалы и энергосберегающие тех-
нологии для производства ответственных деталей высокоэффективных газотурбинных двигателей промышленных
энергетических силовых установок и приводов». – Москва, 2010. – С. 55-60.
3. Теоретическое и экспериментальное исследование влияния внешней нагрузки на поры в твердых телах / В. И. Бетех-
тин, С. Ю. Веселков, Ю. М. Даль и др. // Физика твердого тела. – 2003. – Т. 45. – Вып. 4. – С. 618-624.
4. Пат. № 18702, Україна, В22В 1/00. Спосіб виготовлення відливків по моделях, що виплавляються, з титанових сплавів /
І. Д. Биков, В. Г. Клочихін, І. А. Розбігаєв, О. І Биков, І. Я. Кондратов. – Опубл. 25.12.1997, Бюл. № 6.
ЛИТЕРАТУРА
Результаты ликвидации поры диаметром 2 мм и на глубине 2 мм с зеркальным компенсаторомРис. 3.
-10
-5
0
5
10
-20-25 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25
32 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 7 (254) ’2014
У середовищі Comsol 4.3a запропоновано комп’ютерну модель ліквідації внутрішніх дефектів титанових виливків,
засновану на механізмах повзучості і розчинення пор за рахунок дифузії вакансій. Представлено дані вимірювань
результуючих заглиблень для пор різних розмірів на різній відстані від поверхні зразка. Запропоновано методику
визначення оптимальної конфігурації компенсатору при розробці технології виготовлення нових виливків.
Сергієнко О. С., Лунєв В. В.
Комп’ютерна модель ліквідації внутрішніх дефектів титанових виливків
для визначення оптимальної конфігурації компенсаторів
Анотація
Ключові слова
гаряче ізостатичне пресування, комп’ютерна математична модель, внутрішній дефект,
титан, компенсатор
Sergiienko O. S., Luniev V. V.
The computer removal internal titanium casts defects model for optimal
configuration compensator test
Summary
Computer mathematical model for internal defects removal using Comsol 4.Za is described in the article. The model is based
on mechanisms of creep flow and pore dissolution via vacancies diffusion. The data about resulting surface cavities for
different pore sizes and depth is presented. The method for determining optimal compensator configuration while developing
production technology of new castings is proposed.
hot isostatic pressing, computer mathematical model, internal defect, titanium, compensatorKeywords
Поступила 26.03.14
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-159694 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 2077-1304 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-02T12:23:02Z |
| publishDate | 2014 |
| publisher | Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Сергиенко, О.С. Лунев, В.В. 2019-10-12T15:05:46Z 2019-10-12T15:05:46Z 2014 Компьютерная модель ликвидации внутренних дефектов титановых отливок для определения оптимальной конфигурации компенсаторов / О.С. Сергиенко, В.В. Лунев // Металл и литье Украины. — 2014. — № 7. — С. 29-32. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 2077-1304 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/159694 669.295-131.4 В среде Comsol 4.3a предложена компьютерная модель ликвидации внутренних дефектов титановых отливок, основанная на механизмах ползучести и растворения пор за счет диффузии вакансий. Представлены данные измерений результирующих углублений для пор различных размеров на разном расстоянии от поверхности образца. Предложена методика определения оптимальной конфигурации компенсатора при разработке технологии производства новых отливок. У середовищі Comsol 4.3a запропоновано комп’ютерну модель ліквідації внутрішніх дефектів титанових виливків, засновану на механізмах повзучості і розчинення пор за рахунок дифузії вакансій. Представлено дані вимірювань результуючих заглиблень для пор різних розмірів на різній відстані від поверхні зразка. Запропоновано методику визначення оптимальної конфігурації компенсатору при розробці технології виготовлення нових виливків. Computer mathematical model for internal defects removal using Comsol 4.Za is described in the article. The model is based on mechanisms of creep flow and pore dissolution via vacancies diffusion. The data about resulting surface cavities for different pore sizes and depth is presented. The method for determining optimal compensator configuration while developing production technology of new castings is proposed. По материалам Х Международной специализированной выставки-конференции «Литье-2014» (27-29 мая, г. Запорожье) ru Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України Металл и литье Украины Компьютерная модель ликвидации внутренних дефектов титановых отливок для определения оптимальной конфигурации компенсаторов Комп’ютерна модель ліквідації внутрішніх дефектів титанових виливків для визначення оптимальної конфігурації компенсаторів The computer removal internal titanium casts defects model for optimal configuration compensator test Article published earlier |
| spellingShingle | Компьютерная модель ликвидации внутренних дефектов титановых отливок для определения оптимальной конфигурации компенсаторов Сергиенко, О.С. Лунев, В.В. |
| title | Компьютерная модель ликвидации внутренних дефектов титановых отливок для определения оптимальной конфигурации компенсаторов |
| title_alt | Комп’ютерна модель ліквідації внутрішніх дефектів титанових виливків для визначення оптимальної конфігурації компенсаторів The computer removal internal titanium casts defects model for optimal configuration compensator test |
| title_full | Компьютерная модель ликвидации внутренних дефектов титановых отливок для определения оптимальной конфигурации компенсаторов |
| title_fullStr | Компьютерная модель ликвидации внутренних дефектов титановых отливок для определения оптимальной конфигурации компенсаторов |
| title_full_unstemmed | Компьютерная модель ликвидации внутренних дефектов титановых отливок для определения оптимальной конфигурации компенсаторов |
| title_short | Компьютерная модель ликвидации внутренних дефектов титановых отливок для определения оптимальной конфигурации компенсаторов |
| title_sort | компьютерная модель ликвидации внутренних дефектов титановых отливок для определения оптимальной конфигурации компенсаторов |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/159694 |
| work_keys_str_mv | AT sergienkoos kompʹûternaâmodelʹlikvidaciivnutrennihdefektovtitanovyhotlivokdlâopredeleniâoptimalʹnoikonfiguraciikompensatorov AT lunevvv kompʹûternaâmodelʹlikvidaciivnutrennihdefektovtitanovyhotlivokdlâopredeleniâoptimalʹnoikonfiguraciikompensatorov AT sergienkoos kompûternamodelʹlíkvídacíívnutríšníhdefektívtitanovihvilivkívdlâviznačennâoptimalʹnoíkonfíguracííkompensatorív AT lunevvv kompûternamodelʹlíkvídacíívnutríšníhdefektívtitanovihvilivkívdlâviznačennâoptimalʹnoíkonfíguracííkompensatorív AT sergienkoos thecomputerremovalinternaltitaniumcastsdefectsmodelforoptimalconfigurationcompensatortest AT lunevvv thecomputerremovalinternaltitaniumcastsdefectsmodelforoptimalconfigurationcompensatortest |