» Analiza procesów cieplnych podczas odlewania łopatek z super stopu niklu metodą Bridgemana oraz GCC z wykorzystaniem programu ANSYS Fluent

Analiza procesów cieplnych podczas odlewania łopatek z super stopu niklu metodą Bridgemana oraz GCC z wykorzystaniem programu ANSYS Fluent

Streszczenie:

W niniejszym artykule przedstawiono modelowanie przepływu ciepła w monokrystalicznej quasi-łopatce lotniczego silnika turbinowego podczas odlewania precyzyjnego metodą Bridgmana oraz GCC (Gas Cooling Casting). Celem analizy numerycznej było zbadanie wpływu prędkości przemieszczania się (wyciągania) formy odlewniczej oraz chłodzenia gazem (GCC) na kształt i umiejscowienie frontu krystalizacji i strefy ciekło-stałej. W badaniach posłużono się III poziomowym planem eksperymentu z dwoma parametrami wejściowymi.

Opis procesu odlewania precyzyjnego

Przemysłowy, indukcyjny piec próżniowy (Vacuum Induction Melting) do precyzyjnego odlewnia łopatek zbudowany jest z dwóch komór próżniowych, tj. komory topienia i komory formy oraz przyłączonej do komory topienia poziomej lub pionowej komory załadowczej (tzw. podajnik wsadu). Komory topienia i formy rozdzielone są zaworem odcinającym i wyposażone są w niezależne systemy pomp próżniowych umożliwiające osiągnięcie odpowiednich poziomów próżni w obu komorach niezależnie. Wewnątrz komory topienia znajdują się elementy pozwalające uzyskać strukturę monokrystaliczną odlewów. Są to: grzejnik formy oraz znajdująca się bezpośrednio pod grzejnikiem i oddzielona od niego przegrodą termiczną strefa chłodzenia. Podczas kampanii topienia składającej się z kilkunastu/kilkudziesięciu procesów odlewania, komora topienia cały czas pozostaje pod próżnią, podczas gdy komora formy pełni funkcję śluzy załadowczej dla kolejnych form odlewniczych. Po pierwszym odpompowaniu komory topienia i załadowaniu wsadu do tygla z użyciem podajnika, w komorze topienia rozpoczyna się topienie indukcyjne oraz nagrzewanie grzejnika formy do temperatury powyżej temperatury likwidus topionego stopu. W tym samym czasie, operator urządzenia umieszcza w komorze formy podgrzaną w zewnętrznym urządzeniu do temperatury ok. 1100oC formę ceramiczną. Po umieszczeniu formy na stole windy znajdującej się w komorze formy, operator zamyka drzwi komory formy i uruchamia zestaw próżniowy komory formy. Po osiągnięciu próżni na poziomie 0,2 mBar w komorze formy otwiera się zawór odcinający pomiędzy komorami i wyrównują się ciśnienia w komorach, następnie winda z formą podjeżdża do góry umieszczając formę w grzejniku formy, jest to tzw. pozycja odlewania. Po uzyskaniu odpowiedniej temperatury stopionego metalu, operator uruchamia obrót tygla i następuje odlanie metalu do formy. Następnie winda z zalaną formą przemieszcza się z niewielką prędkością z grzejnika do strefy chłodzenia przejeżdżając przez rozdzielającą je przegrodę termiczną. W pobliżu tego miejsca, w metalu kształtuje się strefa ciekło-stała, w której zachodzi proces krystalizacji i metal zmienia stan skupienia. Po wyjechaniu całą formą z grzejnika, winda z formą zjeżdża w dół do komory formy, zamyka się zawór odcinający komory i następuje zapowietrzenie komory formy. Po osiągnieciu ciśnienia atmosferycznego w komorze formy, operator otwiera drzwi i wyjmuje formę z odlewem, a w jej miejsce ładuje kolejną podgrzaną formę do następnego procesu odlewania.

Założenia do modelu oraz warunki brzegowo-początkowe

W celu przeprowadzenia symulacji procesu odlewania quasi-łopatki przyjęto następujące założenia do modelu (rys. 1):

  • temperatura początkowa domen gazu – 100oC,
  • temperatura początkowa ciekłego metalu oraz formy ceramicznej – 1520oC,
  • przyjęto model radiacji „Surface to Surface” ponieważ zastosowany w procesie gaz chłodzący (argon) nie pochłania promieniowania w zakresie podczerwieni,
  • ciśnienie robocze w domenach gazu – 0,12 bar,
  • supersoniczna prędkość wypływu gazu z dysz uwarunkowała skorzystanie z solvera Density-Based, który jest dedykowany dla dużych prędkości gazu,
  • skorzystano z modelu turbulentnego SST (4 equations),
  • wykorzystano model ruchu Sliding Mesh, dlatego też domenę gazu podzielono na dwie części (stacjonarną i ruchomą z modelem łopatki w formie).
symulacja odlewania ansys fluent
Rys. 1. Model komputerowy quasi-łopatki z formą wykorzystany w symulacji

Wyniki symulacji odlewania

W procesie odlewania precyzyjnego łopatek o strukturze monokrystalicznej kluczowe jest pole temperatury na przekroju odlewu, które determinuje jego mikro i makro strukturę. Poprzez dobór parametrów procesu, m.in. takich jak prędkość wyciągania formy i natężenie przepływu gazu chłodzącego, można kształtować front krystalizacji oraz strefę ciekło-stałą w celu zapewnienia prawidłowego przebiegu procesu krystalizacji. Na Rysunku 2 przedstawiono rozkłady temperatury w przekroju wzdłużnym quasi-łopatki obrazujące front krystalizacji i strefę ciekło-stałą dla tej samej pozycji formy i dla różnych prędkości przemieszczania się (wyciągania) formy (3 i 6 mm/min) oraz dla różnych wartości natężenia przepływu gazu chłodzącego (≈ 0, 200 i 400 l/min).

symulacja odlewania ansys fluent
Rys. 2. Front krystalizacji i strefa ciekło-stała dla dwóch prędkości przemieszczania się formy oraz trzech wartości natężenia przepływu gazu chłodzącego: a) ≈ 0 l/min, 3 mm/min; b) 200 l/min, 3 mm/min; c) 400 l/min, 3 mm/min;
symulacja odlewania ansys fluent
Rys. 2. Front krystalizacji i strefa ciekło-stała dla dwóch prędkości przemieszczania się formy oraz trzech wartości natężenia przepływu gazu chłodzącego: d) ≈ 0 l/min, 6 mm/min; e) 200 l/min, 6 mm/min; f) 400 l/min, 6 mm/min

Przeprowadzone analizy umożliwiły poznanie mechaniki powstawania oraz kształtowania się frontu krystalizacji w odlewie podczas procesu odlewania łopatek o strukturze monokrystalicznej. Na podstawie wyników badań dokonano wyboru parametrów procesu dla przyszłych eksperymentów. Przy użyciu programu Ansys Fluent możliwe było zarówno modelowanie klasycznego procesu Bridgmana (bez udziału gazu), jak i procesu GCC z udziałem wymuszonej konwekcji poprzez kierunkowy, dyszowy nadmuch gazu na powierzchnię formy. Modelowanie przepływów jest niedostępne w większości komercyjnych wersji oprogramowania specjalnie dedykowanego do symulacji procesów odlewania. Niezmiernie istotnym aspektem modelowania w programie Ansys Fluent jest możliwość obniżenia kosztów procesu badawczego poprzez redukcję ilości czasochłonnych i kosztownych prób technologicznych przeprowadzanych na rzeczywistym piecu przemysłowym.

Autorzy:

Dr inż. Marcin Szyc,
Dr inż. Łukasz Piechowicz,
Mgr. inż. Marcin Lisiewicz,