Виртуальный инжиниринг

Пример моделирования отливки «Сопловой аппарат» для АО «КМПО»

В данном примере рассматривается анализ процесса литья отливки «Сопловой аппарат», изготавливаемый из никелевого жаропрочного сплава ВЖЛ98Л методом литья по выплавляемым моделям в среде вакуума.

При производстве данной отливки возникали усадочные дефекты достаточно большого размера в обойме соплового аппарата, которые могли привести к преждевременному разрушению изделия в ходе эксплуатации в газоперекачивающих агрегатах. В связи с чем, отливки с данными дефектами не проходили технический контроль.

Работа по компьютерному моделированию литья отливки «Сопловой аппарат» в ProCAST проводилась с целью подтверждения эффективности применения программного обеспечения на АО «КМПО» для решения текущих производственных задач и оптимизации технологии.

Геометрия отливки представляет собой колесо с 37 охлаждаемыми лопатками, полости в которых оформляются специальными керамическими стержнями. Учитывая относительно большие габариты соплового аппарата (около 0,5 метров в диаметре) и небольшую толщину стенки лопаток (менее 1 мм), сеточная модель может содержать значительное количество элементов, что повышает время моделирования данной задачи. Однако, конечно-элементная сетка, используемая в ProCAST, позволяет гибко регулировать переход размера ячеек от тонких сечений к массивным, таким образом, давая возможность получить высокую точность в интересующих пользователя зонах без необходимого увеличения нагрузки на вычислительные мощности компьютера.

Рис. 1. Геометрия отливки «Сопловой аппарат»

Рис. 2. Конечно-элементная сетка оболочки, отливки и стержней

Перед заливкой керамическая оболочка помещаются в опоке, которая утепляется асбестовым листом и шамотной крошкой для поддержания высокой температуры. Заливка форм проводиться в вакууме. Все эти условия процесса были учтены в моделировании.

Рис. 3. Схема утепления керамической формы в опоке

Ниже показаны результаты расчета по процессу заполнения формы с распределением температуры металла и скорости потока. По результатам заливки видно, что последние порции металла попадают в прибыли, таким образом, подогревая их и увеличивая их эффективность.

Рис. 4. Заливка формы с распределением температуры металла

Рис. 5. Заливка формы с распределением скорости потока в сечении отливки

Анализ затвердевания сплава в объеме отливки показывает появление вытянутых зон жидкого металла по всей длине лопаток, это может привести к появлению усадочной микропористости, а также более крупных тепловых узлов в обойме соплового аппарата. Наиболее наглядно затвердевание сплава в подобной сложной геометрии можно посмотреть, выделив сектор отливки отдельно от литниковой системы и прибылей.

Рис. 6 Кристаллизация металла в объеме отливки

Рис. 7. Кристаллизация металла в секторе отливки

Соответственно, такой характер затвердевания отливки приведет к появлению усадочных рыхлот в лопатках, а также к более крупным дефектам в обойме, что может сильно сказаться на прочности конечного изделия. Результаты расчета показали полное совпадение выявленных дефектов.

Рис. 8. Распределение усадочных дефектов в объеме отливки

Рис. 9. Распределение усадочных дефектов в секторе отливки

Рис. 10. Усадочная пористость в обойме по сечению отливки

Таким образом, по результатам расчета были предложены меру по устранению наиболее опасных дефектов в отливке, в частности создание дополнительного технологического уклона по внешнему диаметру колеса для создания направленного затвердевания сплава от отливки к прибыли.