В авиастроении и космонавтике для изготовления деталей конструкции используют индукционную плавку металла. С ее помощью делают лопатки и диски турбин, компрессоры, корпусы двигателей, элементы крепежа. При таком способе материал нагревается и перемешивается под действием магнитного поля. Однако при этом на поверхности могут образовываться тонкие пленки из загрязняющих веществ. Они становятся причиной дефектов изделий, которые могут достигать до 10% объема готовой продукции. Ученые Пермского Политеха разработали математическую модель, которая описывает процессы индукционной плавки металла, и с ее помощью определили режимы плавки, при которых эта пленка не оседает на форме. Результаты найдут применение в современных металлургических технологиях.
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.
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.