Новая технология улучшит качество деталей для самолетов
Смоделированные картины течений. Варьирование частоты
Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (Пермского Политеха) придумали новую технологию, используя которую можно повысить качество изделий для авиастроительной, металлургической и машиностроительной отраслей. Технология усовершенствует процессы плавки и последующей термообработки отлитых деталей. Исследование поддержано Минобрнауки России. Работа выполнена в рамках НОЦ мирового уровня «Рациональное недропользование». Результаты работы опубликованы в Journal of Engineering Physics and Thermophysics и «Инженерно-физическом журнале».
Для производства деталей газотурбинных авиадвигателей используют индукционную плавку. На поверхности расплава могут образовываться оксидные пленки, которые приводят к браку изделий. Ученые предложили технологию, которая предотвратит их образование.
«При использовании индукционных технологий металл разогревается и плавится с помощью переменного магнитного поля. Оно не только греет его, но и перемешивает расплав. С помощью математического моделирования мы изучили, как переменное магнитное поле влияет на движение расплава и образование оксидных пленок на его поверхности. Это позволило найти технологический режим, при котором можно удалять пленки в процессе плавки. Для этого мы выбрали оптимальную конструкцию индуктора, частоту и напряженность переменного магнитного поля», – рассказывает один из разработчиков, доцент кафедры общей физики Пермского Политеха Илларион Никулин.
По словам ученых, брак изделий из-за оксидных пленок – достаточно актуальная проблема. Они чаще образуются на никелевых сплавах, которые содержат алюминий и хром. Кроме того, оксидные пленки могут искажать показания приборов для измерения температуры расплава.
Исследователи разработали математическую модель, которая описывает напряженное состояние оксидной пленки на поверхности расплава при различных параметрах переменного магнитного поля. Ученые исследовали структуру течений расплава и его состояние при различных режимах плавки и его взаимодействие с пленкой. Вычислительный эксперимент показал корректность работы матмодели.
«С помощью методов вычислительного эксперимента мы нашли возможности удаления оксидной пленки с поверхности металла. Далее мы планируем провести натурные эксперименты для уточнения конкретных параметров, а также создать устройство, которое позволит очищать поверхность расплава», – поясняет научный руководитель разработчика, заведующий кафедрой общей физики Пермского Политеха, доктор физико-математических наук, доцент Анатолий Перминов.
Уникальность исследования пермских ученых заключается в учете множества факторов: связанных электромагнитных полей, гидродинамики движущегося расплава, теплового излучения, деформирования пленки вязкими силами со стороны расплава и ее влияния на течение металла.