Российские ученые придумали, как избежать брака при изготовлении авиадвигателей

Статья опубликована в «Инженерно-физическом журнале». Разработка выполнена в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

Индукционная плавка — это метод нагрева и плавления металлов с использованием переменного магнитного поля. Он основан на явлении электромагнитной индукции: металл в специальном сосуде для плавки (тигле) помещают в катушку (индуктор). Когда через нее проходит переменный ток, вокруг создается магнитное поле, что, в свою очередь, разогревает материал изнутри. Этот процесс широко используется в металлургии, поскольку не загрязняет металл. Так плавят сложные жаропрочные и коррозионностойкие сплавы, например, на основе никеля и титана, и производят изделия высокой прочности в авиации и космонавтике – лопатки и диски турбин, компрессоры, корпусы двигателей, элементы крепежа и другие ответственные конструкции.

При индукционной плавке используется вторичное сырье – материалы, которые повторно перерабатываются для получения новых. Это считается экономически выгодным, поскольку снижает затраты на производство, однако имеет недостаток – образование на поверхности расплава оксидной пленки из посторонних загрязняющих веществ. Попадая в изделие, она приводит к появлению дефектов, которые могут достигать до 10% объема готовой продукции. В результате такие детали теряют прочность, особенно при высоких нагрузках, что может привести к разрушению детали в процессе эксплуатации. Это особенно опасно в авиационной, космической и энергетической отраслях, поскольку создает риск возникновения аварий.

Пермяки научили 3D-принтер печатать металл без брака В высокотехнологичные сферы, где требуются сложные, легкие и прочные детали, активно внедряется 3D-печать металлами. Порядка 30-40% рынка занимает аэрокосмическая отрасль (изготовление лопаток турб… naked-science.ru

Для изучения сложного процесса индукционной плавки металла ученые Пермского Политеха создали комплексную математическую модель, которая позволит рассчитать течения металла при разных параметрах магнитного поля (частота, амплитуда), и как можно управлять процессом, чтобы минимизировать дефекты литья.

Особенность созданной модели, в отличие от существующих, заключается в том, что она рассматривает одновременно и состояние пленки на поверхности, и движение металла, что позволяет получать более точные данные. Она содержит уравнения, которые описывают, как нагревается металл, как внутри него распространяется тепло и перемешивается сам расплав при воздействии магнитного поля. Метод также позволяет проанализировать напряжения и деформации оксидной пленки и оценить, разорвется ли она.

Для проверки модели ученые провели вычислительные эксперименты для никелевого сплава. Рассчитывались установившиеся течения расплава при разной напряженности магнитного поля.

— Мы выяснили, какие режимы плавки нужно использовать, чтобы разогнать эту пленку еще на стадии плавки. Оказалось, что ее поведение зависит от частоты и напряженности магнитного поля. Оно глубже проникает в металл на низких частотах: до 240 Гц для никелевого сплава ЧС-70 ВИ, который предназначен для работы при высоких температурах и широко используется в авиастроении и космонавтике, и радиусе тигля 10 см. Это приводит к более интенсивному перемешиванию и к большим напряжениям в пленке, которые вызывают ее разрыв и удаление с поверхности. Это значит, что плавка в таком режиме позволит минимизировать дефекты и брак готовых изделий, – комментирует Илларион Никулин, профессор кафедры общей физики ПНИПУ, доктор технических наук.

Результаты исследования имеют важное значение для оптимизации технологии индукционной плавки. Комплексная модель ученых Пермского Политеха позволяет понять и предсказать, как металл ведет себя в индукционной печи, а управление частотой и напряженностью поля позволит минимизировать перегрев расплава. Это важно для того, чтобы повысить качество литья, снизить брак, сэкономить энергию и продлить срок службы технологического оборудования.