автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Повышение эффективности процессов литья при производстве деталей двигателей летательных аппаратов путем воздействия импульсного магнитного поля на расплав

ЧЕРНИКОВ Дмитрий Генадьевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССОВ ЛИТЬЯ

ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ДЕТАЛЕЙ ДВИГАТЕЛЕЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ ПУТЕМ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИМПУЛЬСНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА РАСПЛАВ

Специальность 05.07.05 - Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 2 ДЕК 2010

Самара-2010

004615437

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмичесю, университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательски университет)» (СГАУ) на кафедре обработки металлов давлением

Научный руководитель:

член-корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор Гречников Федор Васильевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Проничев Николай Дмитриевич

кандидат технических наук, доцент Рязанов Сергей Алексеевич

Ведущая организация:

ОАО «Кузнецов» (г. Самара)

Защита состоится 10 декабря 2010 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.215.02 при ГОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П.Королева (национальный исследовательский университет)» по адресу: 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)».

Автореферат разослан 09 ноября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук

[Л-

Головин А.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Производство двигателей летательных аппаратов требует постоянного совершенствования технологических процессов для обеспечения растущих требований по качеству и эксплуатационной надежности.

Технологии изготовления деталей, узлов и двигателя в целом во многом определяют его массу, ресурс, трудоемкость и себестоимость.

Снижение массы изделия за счет повышения технико-эксплуатационных свойств литых деталей двигателя летательных аппаратов (ДЛА) является одной из важнейших задач аэрокосмической отрасли. Тем более что масса литых деталей ДЛА от общей его массы составляет порядка 30-35%. Решение этой задачи определяет технологический прогресс во всех отраслях машиностроения. Для этого разработан и используется комплекс химических и физических методов воздействия на расплав металла.

В промышленных технологиях литья алюминиевых сплавов особое внимание уделяется разработке и исследованию различных способов внешнего воздействия на расплавы, которые способствуют получению мелкозернистой структуры и повышенных механических и эксплуатационных свойств отливок без введения специальных модифицирующих добавок.

Особенный интерес в технологиях изготовления алюминиевых сплавов представляет обработка расплава магнитным полем в процессе плавки и литья. Так, наиболее известными являются обработка расплавов в магнитогидродинамических перемешивателях, а также применение электромагнитных кристаллизаторов при непрерывном и полунепрерывном литье слитков. Однако применение способов обработки расплавов магнитным полем при производстве фасонных отливок сдерживается. Это связано со сложностью создания специальных устройств, позволяющих обрабатывать расплавы непосредственно в литейной форме с учетом конфигурации отливки, и недостаточной изученностью процессов, происходящих при кристаллизации расплавов, подвергнутых обработке магнитным полем. Перспективны разработка и исследование эффективных технологий обработки расплавов магнитным полем перед или в процессе заливки в литейную форму, что дает возможность получать отливки любой конфигурации.

Современное развитие импульсных технологий послужило основанием для проведения научных работ по исследованию воздействия на металлический расплав импульсного магнитного поля (ИМП) высокой напряженности. Подобные ИМП получили широкое распространение в машиностроении при выполнении операций штамповки, сборки, сварки и др.

Актуальность темы диссертационной работы подтверждена выполнением научно-исследовательской работы в рамках гранта Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ). № 07-08-97612 (2007 - 2008 гг.) «Исследование эффектов воздействия импульсных магнитных полей высокой напряженности на жидкий и кристаллизующийся металл; создание научных основ разработки новых технологий в металлургии и машиностроении».

Цель исследования. Разработка теоретико-экспериментальных основ процессов литья с воздействием импульсного магнитного поля высокой напряженности на расплав при производстве деталей ДЛА.

Задачи исследования.

1 .Разработать технологические схемы магнитно-импульсной обработки (МИО) жидкого и кристаллизующегося металла при получении отливок деталей ДЛА.

2.Создать специализированное оснащение для МИО расплава, состоящее из магнитно-импульсной установки и индукторной системы, способной работать при высоких температурах.

3.Разработать методики компьютерного моделирования физических процесса происходящих в расплаве под действием ИМП высокой напряженности.

4.Разработать методики экспериментальных исследований теплосиловых факторо воздействия ИМП на расплав металла.

5.Исследовать влияние ИМП высокой напряженности на процесс кристаллизации физико-механические свойства как бинарных (l,2%Si; 6%Si; ll,7%Si и 18%Si), так промышленных алюминиевых сплавов АК9ч, АК6М2; определить оптимальные параметр! воздействия.

6.На основании проведенных исследований разработать рекомендации п> проектированию технологических процессов литья с МИО жидкого металла npi производстве деталей ДЛА.

7.Реализовать результаты исследований в производственных условиях при получении отливок из алюминиевых сплавов для деталей ДЛА.

Научная новизна. Впервые проведены комплексные исследования влияния МИО расплава на структуру, механические и физические свойства алюминиевых сплавов:

1. Разработаны универсальные методики компьютерного моделирования на базе СКМ ЛП «Полигон» и многоцелевого конечно-элементного комплекса ANSYS/LS-DYNA, позволяющие исследовать влияние каждого фактора теплосилового воздействия ИМП.

2. Разработаны методики экспериментальных исследований, позволяющие оценивать влияние факторов воздействия ИМП с учетом быстропротекающего характера и интенсивных электромагнитных помех.

3. Предложен механизм формирования мелкозернистой структуры и повышенных физико-механических свойств отливок деталей ДЛА под воздействием ИМП высокой напряженности.

Практическая ценность. Использование полученных результатов позволило разработать технологические схемы МИО расплава металла, создать индукторную систему на основе новых материалов витковой изоляции, способную работать при высоких температурах и специализированную малогабаритную магнитно-импульсную установку (МИУ-10Л), с запасаемой энергией до 10 кДж, основным достоинством которой является высокая скважность разрядов (не менее 1 Гц) и возможность управления формой импульса.

Для выявления дополнительных резервов физико-механических свойств отливок деталей ДЛА из алюминиевых сплавов системы Al-Si предложена новая технология литья, опробованная в промышленных условиях, с дополнительной МИО расплава перед заливкой в литейную форму или непосредственно в форме.

Кроме того, определены области промышленного применения магнитно-импульсного воздействия на жидкий и кристаллизующийся металл.

Проект «Разработка физического способа воздействия импульсного магнитного поля высокой напряженности на жидкий и кристаллизующийся металл с целью повышения его технико-эксплуатационных свойств» занял второе место в номинации «Разработка новых авиационных технологий и материалов» Всероссийского конкурса «Вертолеты XXI века», Москва, 22 мая 2009 г. На защиту выносятся:

1. Результаты компьютерного моделирования и экспериментальных исследований влияния теплосиловых факторов воздействия ИМП высокой напряженности на расплав.

2. Результаты исследования влияния МИО жидкого металла, как на этапе подготовки расплава, так и непосредственно в литейной форме на процесс кристаллизации, механические и физические свойства бинарных (с содержанием кремния 1,2%, 6%, 11,7% и 18%) и алюминиевых сплавов АК9ч, АК6М2 системы Al-Si.

3. Механизм формирования мелкозернистой однородной структуры литого металла под действием ИМП высокой напряженности.

4. Результаты реализации в производственных условиях технологии литья с МИО

расплава в кокильной форме при получении отливок деталей ДЛА.

Достоверность научных результатов. Достоверность полученных результатов обеспечивается корректной физической и математической постановкой задач, сопоставлением теоретических результатов с экспериментальными данными, полученными на разработанных оригинальных стендах с применением современных средств измерения, а также положительным опытом апробации в промышленных условиях.

Апробация работы. Результаты работы прошли экспертизу и обсуждались на конференциях, симпозиумах и семинарах: Всероссийская научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии», «МАТИ» - Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского (Москва, 2006 г.); 3-я Международная научно-практическая конференция «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2007 г.); Международная научно-техническая конференция «МИОМ - 2007» (Самара, 2007 г.); VII Международный научно-технический симпозиум «Наследственность в литейных процессах» (Самара, 2008 г.); XI Международная научно-техническая конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы в машиностроительном комплексе», «Технология-2009» (Орел, 2009 г.); 3-я Международная научно-техническая конференция «Металлофизика, механика материалов, наноструктур и процессов деформирования», «Металлдеформ-2009» (Самара, 2009 г.); VI Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов, ИМЕТ им. A.A. Байкова РАН (Москва, 2009 г.); 3-е Всероссийское научно-практическое совещание «Взаимодействие науки и литейного металлургического производства» (Самара, 2010 г.), 2-ой семинар «Повышение эффективности процессов изготовления ответственных деталей авиа- и двигателестроения штамповкой и литьем. Разработка, моделирование и оптимизация технологий с использованием программ QForm и ProCAST» (Москва, 2010 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 13 публикациях, в том числе в 2 статьях в изданиях, определенных ВАК Минобрнауки России для публикации основных научных результатов диссертации. Кроме того, по результатам работы получено 5 патентов РФ. Материалы диссертации использованы в отчетах по НИР и Грантам, выполненным при участии автора.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Изложена на 179 страницах, содержит 15 таблиц, 115 рисунков. Список литературы составляет 127 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель и задачи исследования, показаны научная новизна и практическая значимость работы, основные положения, выносимые на защиту, апробация работы и публикации.

В первой главе приведен обзор деталей ДЛА, получаемых литьем и их основные ефекты, современные представления о строении металлических расплавов. Особое внимание уделено практике использования различных способов управления литой структурой для повышения качества отливок из металлических сплавов. При этом более подробно рассмотрены физические способы воздействия на расплав: механическим (перемешивание, фильтрация, продувка газами, обработка вибрацией и ультразвуком), гпловым (термовременная и термоскоростная обработка), барометрическим (литье под регулируемым и всесторонним газовым давлением), электромагнитным (обработка метрическим током и электромагнитными полями) и высокоэнергетическим (введение в асплав концентрированных источников энергии: электрических импульсов, взрыва).

Показано, что одним из наиболее перспективных способов внешнего воздействия расплав является обработка магнитными полями при плавке и кристаллизации. С эт1 позиций представляется возможным управление процессом формирования отливок детал( ДЛА с определенным комплексом свойств путем воздействия на расплав ИМП высок< напряженности. Такое магнитно-импульсное воздействие на расплав обладает ряде существенных преимуществ, например, бесконтактный характер воздействия, возможное генерации магнитных полей с широким диапазоном значений напряженности длительности, высокая точность и воспроизводимость параметров.

В связи с этим появляется необходимость в исследовании явлений, происходящих расплаве под воздействием ИМП, а также влияния параметров теплосилового воздейетт на строение, кристаллизацию и структурообразование расплавов.

Во второй главе рассмотрена суть процесса МИО, которая заключается преобразовании электрической энергии, накопленной в батарее конденсаторов магнитш импульсной установки (МИУ) в теплосиловое воздействие на обрабатываемый объект.

Физика процесса заключается в том, что при протекании по индуктору импульса тока вокруг него создается переменное магнитное поле (Н), которое индуцирует в обрабатываемом объекте вихревые токи (12), имеющие обратное по отношению к току индуктора (I)) направление (рис. 1).

11(0

Ми 1,(0

СГ

/

индуктор 11(1)

/ \. ■■ мст аллопогскн

Рисунок 1 - Схема воздействия ИМП на расплав Импульс тока в индукторе формируется за счет разряда через индуктор батареи конденсаторов МЙУ, заряжаемой до высокого напряжения, составляющего от тысяч до нескольких десятков тысяч вольт. Длительность импульса тока не превышает одной тысячной доли секунды. Ток, протекающий в разрядной цепи МИУ, изменяется по закону затухающей синусоиды. Частота тока может составлять от единиц до десятков килогерц. Глубина проникновения тока в расплав, скин-слой (5), тем меньше, чем выше электропроводность материала и частота колебаний разрядного тока.

Известно, что между двумя проводниками с токами, имеющими противоположные направления, возникают объемные электродинамические силы отталкивания. Использование этого эффекта и лежит в основе МИО. Величина этих сил прямо пропорциональна значению тока в проводниках и обратно пропорциональна расстоянию между ними.

Исходя из физики процесса, было предложено несколько технологических схем МИО расплава, среди которых три основные:

• радиальное воздействие ИМП на расплав через стенки тигля (рис. 2, а);

• осевое воздействие ИМП на поверхность расплава (рис. 2, б);

• объемное воздействие ИМП с помощью погружного индуктора (рис. 2, в).

1.

б)

в)

Рисунок 2 - Основные технологические схемы МИО расплава 1 - тигель; 2 - индуктор; МИУ - магнитно-импульсная установка

На основе этих принципиальных схем МИО жидкого металла были разработаны различные их комбинации.

Была решена проблема с работоспособностью индукторной системы при высоких температурах путем применения новых материалов в качестве витковой изоляции. Проведенные экспериментальные исследования показали ее надежность при напряжении до 5 кВ и температуре 700°С. Для МИО расплава спроектирована и изготовлена специализированная МИУ с запасаемой энергией до 10 кДж. Главным ее отличием от традиционных установок является возможность обеспечения высокой скважности разрядов и необходимой формы импульса с изменяемой длительностью.

В третьей главе представлены результаты численных и экспериментальных исследований влияния основных теплосиловых факторов магнитно-импульсного воздействия на расплав металла.

Компьютерное моделирование процесса затвердевания расплава АК9ч под воздействием ИМП осуществлялось на базе СКМ ЛП «Полигон» для радиальной схемы воздействия. В этом случае объем расплава, принадлежащий скин-слою максимален, поэтому данный фактор МИО проявляется в полной мере. При подготовке геометрической модели отливки был учтен объем скин-слоя. Основными варьируемыми параметрами являлись:

• величина скин-слоя 8: без МИО; 2,5мм и 5 мм;

• значение силы тока, подводимого к скин-слою I: без МИО; 25 кА; 50 кА и 90 кА;

• количество импульсов разряда: без МИО; 1; 3 и 5.

В результате компьютерного моделирования для каждого случая получены картины распределения температурных полей расплава. На рисунке 3, в качестве примера, показаны картины распределения температурных полей для случая затвердевания расплава без обработки и после МИО. со следующими параметрами: скин-слой - 2,5 мм. сила тока 50 кА, количество импульсов - 3 шт.

300 с

1

300 с

400 с 600 с а) без МИО

800 с

400 с

600 с

б) МИО (6=2,5 мм; 50 кА; 3 имп.) Рисунок 3 - Распределение температурных полей расплава в процессе его затвердевания

100% ■

85% ■

70%

¡50% И

30%

15% ЙЙ!'

0%

'500 С

(200 С

НИН

Из рисунка видно, что величина дополнительного разогрева расплава металла под действием ИМП достаточна для изменения условий кристаллизации.

В ходе анализа результатов была получена зависимость дополнительного разогрева расплава (средняя температура по всему объему) от параметров МИО: силы тока, количества импульсов и величины скин-слоя (рис. 4).

Сила токэ, кА Количество импульсов разряда, шт

Рисунок 4 - Зависимость температуры разогрева расплава от параметров МИО

Результаты компьютерного моделирования показали, что величина скин-слоя, как и степень интенсивности обработки (сила тока), существенным образом влияет на величину дополнительного разогрева и увеличивает время затвердевания расплава.

Для оценки влияния МИО на изменения температурных полей в объеме расплава и проверки адекватности результатов компьютерного моделирования были проведены экспериментальные исследования. Суть этих исследований заключалась в замере температуры дополнительного разогрева расплава АК9ч от действия наведенных вихревых токов при одно- и многократной МИО по радиальной схеме. Энергия разряда составляла \У=1,26 кДж, что соответствует силе тока 1=25 кА в численных расчетах.

Процесс МИО является быстропротекающим, поэтому применение малоинерционных термоэлектрических преобразователей для регистрации дополнительного разогрева расплава не даёт чёткой временной картины изменения температуры. Анализ современного оборудования показал, что в настоящее время нет доступных измерительных устройств, позволяющих производить подобные измерения даже в миллисекундном диапазоне. В связи с этим была разработана новая методика измерения температуры в объеме расплава металла с быстродействием порядка 1 мс. Для этого был использован быстродействующий инфракрасный пирометр. Вывод инфракрасного излучения из объёма расплава на пирометр осуществлялся с помощью кварцевого световода.

Для получения полной тепловой картины дополнительного разогрева объема расплава после МИО, измерения температуры проводились в нескольких характерных точках - в центральной, промежуточной и в точке, принадлежащей скин-слою. В результате проведенных измерений был зарегистрирован дополнительный разогрев расплава металла на 11 °С от воздействия ИМП высокой напряженности в миллисекундном диапазоне и выявлено его влияние на кинетику кристаллизации (рис. 5). Принятые в расчетах допущения несколько завышают полученные результаты. Это подтверждается сравнительным анализом результатов компьютерного моделирования и экспериментальных

исследований. воздействием ими

Так, например, разница между дополнительным разогревом скин-слоя расплава металла между расчетными и экспериментальными значениями составляет порядка 5°С. Следует отметить, что отделить фактор дополнительного разогрева жидкого металла от факторов силового воздействия ИМП в процессе экспериментов невозможно. Полученные значения в экспериментах являются результатом комплексного воздействия ИМП,

Рисунок 5 - Дополнительный разогрев расплава металла в скин-слое под

Таким образом, впервые с помощью СКМ ЛП «Полигон» была проведена качественная и количественная оценка дополнительного разогрева расплава металла под действием наведенных вихревых токов в процессе МИО. Разработанная методика компьютерного моделирования носит универсальный характер и может быть использована для подобных расчетов различных технологических схем МИО.

Механизм силового воздействия в процессе МИО расплава металла включает в себя два фактора:

• зарождение и распространение в расплаве ударных волн, возникающих в результате действия давления ИМП;

• зарождение и распространение металлопотоков, возникающих вследствие неравномерного распределения ИМП.

Численные исследования проводились с помощью многоцелевого конечно-элементного комплекса АКБУЗ/ЬЗ-ВУИЛ для двух основных технологических схем МИО (рис. 2, а, б). Для схемы осевого воздействия ИМП рассмотрено два случая: симметричное и несимметричное нагружение. Была разработана методика компьютерного моделирования, которая позволяет учитывать изменение нагрузки по глубине скин-слоя и задавать распределение интенсивности давления ИМП по экспериментальным значениям (рис. 6). Пунктирной линией на графике показана кривая, построенная по экспериментальным значениям, сплошной - зависимость в полиномиальном виде, задаваемая в расчетах. Экспериментальные значения распределения ИМП определялись с помощью интегрального датчика Холла, установленного в зазор между индуктором и расплавом. Картина распределения ИМП получена перемещением датчика в плоскости индуктора с определенным шагом. Также по экспериментальным значениям построена зависимость изменения давления ИМП во времени, задаваемая в расчетах (рис. 7).

V 0.513С 'ate

N ч

\ \\

\ ч : гг; ■ ч

Рисунок 6 - Распределение напряженности

ИМП в индукторе Ь - расстояние от центра витков индуктора

70 SO &0 100 НО 120 130 140 ISO 100 170 t! t, МКС

Рисунок 7 - Зависимость давления ИМП от времени

Предложенная методика компьютерного моделирования опробована по схеме, когда на плоский многовитковый индуктор устанавливался тигель с расплавом АК9ч, а воздействие ИМП осуществлялось на его донную часть.

Для проверки адекватности разработанной методики и полученных результатов компьютерного моделирования проведены экспериментальные исследования. Был создан измерительный стенд, позволяющий замерять необходимые параметры, с учетом особенностей процесса МИО расплава. Основными составляющими этого стенда являются датчик импульсных давлений и осциллограф.

Существующие датчики давления не удовлетворяют всем требованиям данного процесса, поэтому была разработана новая конструкция датчика импульсных давлений (Пат. №2314504).

Сопоставление результатов компьютерного моделирования с результатами экспериментов показало хорошую сходимость, поэтому разработанная методика

использовалась и для остальных технологических схем. Результаты проведенных расчетов для всех схем МИО (рис. 2 а, б) представлены на рис. 8.

Щ

10 мкс ЗОмкс 140 мкс

а) Радиальная схема магнитно-импульсного воздействия

В .. «

40 мкс 140 мкс 560 мкс

б) Осевая симметричная схема магнитно-импульсного воздействия

11

11

:1

1

ЗОмкс 80 мкс 170 мкс

в) Осевая несимметричная схема магнитно-импульсного воздействия

Рисунок 8 - Распространение ударных волн в расплаве АК9ч под воздействием ИМП

Анализ результатов компьютерного моделирования позволяет дать качественную и количественную оценку ударным волнам.

О существовании второго фактора силового воздействия ИМП на расплав -возникновении металлопотоков можно судить по рис. 9 и 10, на которых показано результирующее перемещение расплава. Для данного примера расчет был проведен до 2 мс, это связано со значительными вычислительными ресурсами. Ввиду инерционности расплава результирующие перемещения будут значительно большими. (

Рисунок 9 - Диаграмма результирующих перемещений выделенных элементов расплава

Рисунок 10-Диаграмма перемещений расплава в векторной форме

Таким образом, разработанная методика компьютерного моделирования позволяет исследовать физические процессы, происходящие в расплаве металла под действием ИМП высокой напряженности, а разработанный макрос - использовать для расчетов экспериментальные данные, тем самым, повышая точность моделирования.

Проведенный анализ результатов компьютерного моделирования подтвердил существование факторов силового воздействия, которые создают благоприятные условия

для формирования качественной структуры литого металла, и помог описать механизм воздействия импульсного магнитного поля на жидкий или кристаллизующийся металл.

В четвертой главе представлены результаты исследования влияния ИМП высокой напряженности на структуру и свойства бинарных (с содержанием кремния 1,2%, 6%. 11,7% и 18%) и промышленных алюминиевых сплавов АК9ч, АК6М2. В качестве шихтовых материалов для бинарных сплавов использовался чушковый алюминий марки А5 (ГОСТ 11070-74) и кристаллический кремний марки КрО (ГОСТ 2159-69) с размером частиц порядка 3-5 мм.

Для проведения МИО расплава была

спроектирована и изготовлена ......................................ь *

экспериментальная технологическая оснастка, Щр. " воздействие ИМП в которой осуществлялось по радиальной схеме (рис. 11). Для снижения тепловых потерь во время МИО в конструкции установки была предусмотрена тепловая камера 3, в которой расположен многовитковый индуктор 2. В процессе обработки возможен выплеск металла, поэтому была установлена крышка 4 с термопарой 5 для контроля температуры расплава. ;; ц

Эксперименты проводились по следующей методике. Тигель и навеска определенного сплава подогревались на своде печи до 200°С, после чего загружались в печь сопротивления с постоянной температурой 780°С.

Рисунок 11 - Технологическая оснастка для МИО расплава 1 - тигель; 2 - индуктор; 3 - тепловая камера; 4 - крышка; 5 - термопара Тигель с расплавом металла при достижении определенной температуры (табл. 1) извлекали из печи и устанавливали в тепловую камеру, которую затем накрывали крышкой. При достижении расплавом заданной температуры проводили МИО (табл. 1). После обработки расплав заливали в кокиль, предварительно подогретый до температуры 250°С для получения отдельно отлитых образцов для дальнейшего определения механических свойств. На всех полученных образцах были проведены замеры твёрдости по Бринеллю и электропроводности по литейной корке при помощи вихревого структуроскопа ВС-ЗОН. Микроструктура металла была исследована на приторцевых частях образцов для механических испытаний.

Таблица 1. Параметры МИО расплавов

Параметры МИО

Сплав Темп, расплава, °С Темп. МИО, °С Темп. Заливки, "С Темп, кокиля, °С Энергия разряда, кДж Кол-во импульсов, шт

АНТ ,2 % Б! 750 740 720 250 0,280- -2,24 1,3, 5, 10

А1+6 % 81 740 730 720 250 0,280- -2,24 1,3,5, 10

А1+11,7 % в; 680 670 660 250 0,280- -2,24 1,3,5, 10

А1+18 % Э) 750 740 730 250 0,280- -2,24 1,3, 5, 10

АК9ч 750 720 700 250 0,280- -2,24 1,3, 5,10

АК6М2 750 720 700 250 0,280- -2,24 1,3,5, 10

Результаты экспериментальных исследований показали прирост механических свойств, среднем для всех исследуемых сплавов 15-25%. На рис. 12, например, показаны висимости роста механических свойств от параметров МИО для сплава А1-11,7% $1.

Рисунок 12 - Влияние параметров МИО на механические свойства образцов из сплава А1-11,7%

Повышение механических свойств наблюдается не на всех режимах МИО. Существует оптимальный интервал такого воздействия. Так, для сплавов доэвтектической группы оптимальными параметрами являются - энергия разряда 1,26 кДж при 5 импульсах. Увеличение степени интенсивности МИО, в частности количества импульсов до 10 приводит к эффекту перемодифицирования. А для сплавов заэвтектической группы наоборот, более высокая степень интенсивности обработки является предпочтительной.

На рис. 13 показаны результаты исследования влияния МИО на структуру, например, сплава А1-6% Би

а) х 200 б) х 1000

Рисунок 13 - Микроструктура сплава Al-6% Si

Воздействие ИМП привело к измельчению зерен, дендриты после обработки выросли с упорядоченными, более компактными ветвями.

Количественный и качественный анализ микроструктуры представлен в табл. 2.

_Таблица 2. Параметры а-А1 сплава Al-6% Si

Число частиц Без обработки 112 МИО (W=l,26 кДж; 10 имп.) 207

Минимальное значение, мкм 1,1 0,88

Максимальное значение, мкм 1854,7 11764,63

Среднее значение, мкм 50,16 29,23

Энергетическое взаимодействие ИМП высокой напряженности с металлическим расплавом способствует разрушению его структуры, увеличению растворимости легирующих элементов и равномерности их распределения.

Для теоретического обоснования изменения строения жидкой фазы и свойств расплава при воздействии на него мощного ИМП предложен возможный механизм такой обработки с позиции современных представлений о модели строения жидкого металла.

Согласно квазикристаллической модели расплав рассматривается как сочетание двух структурных составляющих: кластеров (микрообъемов с упорядоченным расположением частиц, аналогичным кристаллическому — структуры ближнего порядка) и разделяющей

кластеры бесструктурной «разупорядоченной» зоны с хаотическим расположением частиц, как правило, более рыхлой. Кластеры и бесструктурная зона термодинамически неустойчивы и непрерывно локально «перерождаются» друг в друга. Соотношение объемов, занимаемых кластерами и разупорядоченной зоной, определяется температурой расплава и степенью интенсивности воздействия на него ИМП.

Под воздействием ИМП возможны разрушения микрогруппировок кластеров, уменьшение размеров кластеров, сокращение продолжительности их жизни, снижение температуры разупорядоченности, диспергирование неметаллических включений. Это приводит к снижению значений критического размера зародышевых центров кристаллизации и увеличению их количества, а металлопотоки способствуют равномерному их распределению по всему объему расплава. Кроме того, воздействие ИМП приводит к снижению вязкости и поверхностного натяжения, что способствует самопроизвольному «налипанию» кластеров на неметаллические включения до критического размера зародышевых центров и вызывает формирование дополнительных центров кристаллизации. Все это приводит к измельчению микроструктуры.

На основании проведенных исследований разработана последовательность проектирования технологического процесса литья отливок деталей ДЛА с воздействием ИМП высокой напряженности на расплав.

В пятой главе представлены результаты промышленной апробации разработанной технологии МИО расплава в ОАО «Кузнецов» (г. Самара). Данная технология была реализована на примере получения реальной отливки «Алюминиевая маслота» из сплава АК9ч. В качестве технологической схемы использовалось осевое воздействие ИМП на расплав (на прибыльную часть отливки) непосредственно в металлической форме. Предполагается, что под воздействием ИМП литой металл будет уплотняться и подпитываться в процессе затвердевания, что благоприятным образом отразится на структуре и технико-эксплуатационных свойствах отливки.

С этой целью была доработана кокильная форма, в частности, | установлена поворотная плита, на которой закреплен индуктор, подключенный к МИУ. Для | аботоспособности индуктора при : ысоких рабочих температурах, а также дя предотвращения контакта с ; асплавом установлен защитный экран .з магнитопрозрачного жаропрочного атериала. Схема собранной в комплекс одернизированной металлической ~ ормы показана на рис. 14.

Рисунок 14 - Модернизированная литейная форма для МИО расплава металла Технология литья осталась без изменений, за исключением того, что после заливки шплава в литейную форму индуктор устанавливался и фиксировался в рабочем хложении, и производилась МИО со следующими параметрами: энергия разряда - 1; 1,5; 2 2,5 кДж; количество импульсов разряда - 1 и 3. Были проведены одна контрольная и пять

тытных плавок (рис. 15).

Рисунок 15 - Образцы опытных отливок 13

Отливки подверглись стандартной термообработке. Из основной части отливок был вырезаны образцы для определения механических свойств (ГОСТ 1583-93), а такж темплеты для проведения металлографических исследований.

После анализа результатов механических испытаний были получены зависимост механических свойств от параметров МИО (рис. 16).

О I 15 2 25 О I 3

Эмаргияразрвд», «Д* К»лич«ст»имлульсБ1,шт

а) Зависимость значений временного сопротивления разрыву от параметров МИО

Энергия разряда, «Дж

Количаствоимпульсоа.шт

б) Зависимость значений твердости от параметров МИО Рисунок 16 - Зависимости механических свойств образцов от параметров МИО

Полученные результаты подтверждают благоприятное воздействие ИМП н механические свойства литого сплава. Анализ микроструктуры образцов подтвердил модифицирующее влияние МИО расплава. Наибольший эффект наблюдался при следующих параметрах воздействия: W=l-1,5 кДж, п=3. Важным моментом является повышение качества отливки при минимальном уровне энергии разряда и количестве импульсов. Время МИО составляет доли секунды, а минимальные параметры воздействия позволяют существенным образом экономить электроэнергию и повысить ресурс МИУ.

Таким образом, в промышленных условиях была опробована технология МИО расплава в металлической форме. Проведенная работа показала ее гибкость и легкость адаптации к существующей технологии литья.

На основе результатов проведенных исследований были определены области промышленного применения МИО жидкого металла. Некоторые из направлений были опробованы в объеме поисковых экспериментов. Наиболее эффективные технические решения были запатентованы, например, способ сварки плавлением с одновременным воздействием импульсного магнитного поля (пат. № 2288823) и способ образования литых электроконтактных пробок (пат. № 2385976).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Выявлено комплексное теплосиловое воздействие ИМП высокой напряженности на расплав, основными факторами которого являются вихревые токи, ударные волны и интенсивные металлопотоки.

2. Разработаны методики компьютерного моделирования и экспериментальных исследований влияния теплосиловых факторов воздействия ИМП на процессы, происходящие в жидком металле, что позволило определить значения параметров каждого из них.

3. Спроектированы и изготовлены индукторные системы с применением новых материалов в качестве витковой изоляции, способные работать при высоких температурах.

4. На основе разработанного технического задания создана специализированная магнитно-импульсная установка - МИУ-10Л, позволяющая обрабатывать расплав серией импульсов и формировать параметры импульса разряда.

5. Выявлено, что обработка расплавов ИМП высокой напряженности (по оптимальным технологическим параметрам) влияет на кинетику кристаллизации, позволяет получать сплавы с однородной мелкозернистой структурой и требуемыми механическими и технологическими свойствами отливок деталей ДЛА.

6. Предложен механизм формирования мелкозернистой структуры алюминиевых сплавов под действием ИМП высокой напряженности на основе квазикристаллической модели строения расплава металла.

7. В промышленных условиях опробована технология МИО жидкого металла при получении отливки «Алюминиевая маслота» из сплава АК9ч. Механические свойства сплава АК9ч, полученного по предлагаемой технологии, повысились (в среднем): временное сопротивление разрыву - на 8... 10 %, твердость - на 5...7 %.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Публикации в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК:

1.Глущенков В.А. Влияние импульсного магнитного поля высокой напряженности на войства жидких алюминиевых сплавов/В.А. Глущенков, Ф.В. Гречников, В.И. Никитин, 1.Г. Черников, А.Ю. Иголкин, К.В. Никитин, A.A. Поздняков//Литейщик России. 2010. № . С. 34-39.

. Черников Д.Г. Разработка физического способа модифицирования литейных люминиевых сплавов магнитно-импульсной обработкой/Д.Г. Черников//Известия )релГТУ, серия «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии»: Вып. к 2-3/274(560). 2009. С. 87 - 92.

Патенты:

.Пат. 2311989 Российская Федерация, МПК B22D 27/02 Способ воздействия на асплавленный металл магнитно-импульсным полем и устройство для его осуществления Гекст]/Глущенков В.А., Егоров Ю.А., Иголкин А.Ю., Черников Д.Г.; заявитель и атентообладатель ГОУ ВПО СГАУ. - № 2005136350/02; заявл. 22.11.2005; опубл. 0.12.2007. - 5 с.

.Пат. 2314504 Российская Федерация, МПК G01L 9/08 Датчик импульсных давлений Гекст]/Юсупов Р.Ю., Глущенков В.А., Черников Д.Г.; заявитель и патентообладатель ГОУ ПО СГАУ. - № 2005133514/28; заявл. 31.10.2005; опубл. 10.01.2008. - 5 с. Пат. 83508 Российская Федерация, МПК С25С7/02 Электродный контактный узел 1ектролизеров [Текст]/Глущенков В.А., Гречников Ф.В., Патон Б.Е., Лебедев В.А., ерников Д.Г., Лазарева A.A.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО СГАУ, ООО «НТФ Заряд»,-№ 2008151661/22; заявл. 25.12.2008; опубл. 10.06.2009. -5 с. Пат. 86189 Российская Федерация, МПК С25С7/02 Анод для электролизеров "екст]/Глущенков В.А., Черников Д.Г.; заявитель и патентообладатель Государственное 5разовательное учреждение высшего профессионального образования ГОУ ВПО СГАУ, ОО «НТФ «Заряд»,-№ 2009102476/22; заявл. 26.01.2009; опубл. 27.01.2009. -5 с. Пат. 2385976 Российская Федерация, МПК С25С7/02, С25СЗ/12 Способ образования 1тых электроконтактных пробок [Текст]/Глущенков В.А., Лебедев В.А., Черников Д.Г., атон Б.Е., Иголкин А.Ю., Пичак В.Г.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО СГАУ, ОО «НТФ «Заряд»,- № 2008127923/02; заявл. 08.07.2008; опубл. 10.04.2010. - 5 с.

Публикации в трудах международных и всероссийских конференций: Вялов Б.В. Влияние магнитно-импульсной обработки на физико-механические свойства тарных сплавов системы Al-Si/Б.В. Вялов, В.И. Никитин, К.В. Никитин, Д.Г. грников//Актуальные проблемы современной науки: Материалы 2-го международного эрума. - Самара, 2006. С. 84-89.

9. Glouschenkov V.A. Forming of structure and properties of multi-phase alloys under action 01 high-intensity pulsed-magnetic field/V.A. Glouschenkov, A.Ju. Igolkin, D.G. Chernikov, V. Nikitin, B.V. Vyalov//«Multi-phases and multi-components materials under dynamic loading: Materials of 10th European Mechanics of Materials Conference. - Kazimierz Dolny, Poland, 200'

10. Глущенков В.А. Исследование возможности воздействия импульсного магнитного noj на жидкий и кристаллизующийся металл/В.А. Глущенков, Ф.В. Гречников, А.К Иголкин//«МИОМ-2007»: Материалы международной научно-технической конференции. Самара, 2007. С. 69-75.

11. Glouschenkov V.A. Action of pulse-magnetic fields on liquid and crystallizing meta Prospects for development of new technologies/V.A. Glouschenkov, F.V. Grechnikov, A.Ji Igolkin, D.G. Chernikov//«ICHSF-2008»: Materials of 3rd International Conference on Highspee Forming. - Dortmund, Germany, 2008.

12. Glouschenkov V.A. A possibility of forming structure and mechanical properties of aluminui alloys by the action of the pulse-magnetic field on a melt/V.A. Glouschenkov, D.G. Cherniko' F.V. Grechnikov, V.A. Kostyshev, AJu. Igolkin, R.Yu. Yusupov, A.P. Popov//l 1th Internation; Conference on Aluminum Alloys. - Aachen, Germany, 2008. C. 223-232.

13. Гречишников B.M. Методики экспериментальных исследований технологически параметров воздействия импульсного магнитного поля на кристаллизующийся металл/В.N Гречишников, А.П. Попов, Д.Г. Черников, Р.Ю. Юсупов//«Наследственность в литейны процессах»: Материалы трудов VII Международного научно-технического симпозиума. Самара, 2008. С. 153-157.

14. Гречников Ф.В. Возможность повышения качества литого металла под действие! импульсного магнитного поля/Ф.В. Гречников, АЛО. Иголкин, Д.Г. Черников, В.Г Бобринский//«Наследственность в литейных процессах»: Материалы трудов V] Международного научно-технического симпозиума. - Самара, 2008. С. 260-264.

15. Костышев В.А. Ресурсосберегающая технология литья алюминиевых сплавов одновременным воздействием импульсных магнитных полей на расплав металла/В./ Костышев, А.Ю. Иголкин, Д.Г. Черников//Металлофизика, механика материало1 наноструктур и процессов деформирования (Металлдеформ-2009): Материал] международной научно-практической конференции. - Самара, 2009. С. 121-125.

16. Черников Д.Г. Компьютерное моделирование физических процессов в жидком металл под воздействием импульсных магнитных полей/Д.Г. Черников//Металлофизика, механик материалов, наноструктур и процессов деформирования (Металлдеформ-2009): Материал! международной научно-практической конференции. - Самара, 2009. С. 264-270.

17. Черников Д.Г. Компьютерное моделирование температурных полей металлического расплава затвердевающего под действием импульсного магнитного поля/Д.Г. Черников/Л^ Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов. - Россия, Москва, 2009. С. 188-192.

18. Глущенков В.А. Комплексное исследование влияния импульсного магнитного поля высокой напряженности на структуру и свойства литейных алюминиевых сплавов/В.А. Глущенков, Ф.В. Гречников, Д.Г. Черников, А.Ю. Иголкин//Современные методы и технологии создания и обработки материалов: Материалы V международная научно-техническая конференция - Минск, 2010. С. 237-243.

Подписано в печать 3 ноября 2010 г. Тираж 100 экз.

Отпечатано с готового оригинал-макета в ГОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)» (СГАУ). 443086, Самара, Московское шоссе, 34.