Компьютерное моделирование распределения дисперсных частиц по сечению цилиндрических дисперсно-упрочненных металлических материалов

В статье представлен процесс создания компьютерной модели для прогнозирования распределения частиц в процессе ц бежного литья с помощью программного модуля ANSYS FLUENT 16.0. Для прогнозирования распределения частиц по объему в мире на сегодняшний момент существует несколько математических моделей. Большинство из них основаны на допущении об установившемся состоянии: модели, описывающие критерии отбрасывания частиц растущим фронтом кристаллизации и модели, рассчитывающие критические скорости поглощения частиц растущими дендритными кристаллами. Некоторые модели делают попытку описать динамическое состояние системы или определить критерий улавливания неметаллических включений фронтом затвердевания при центробежной разливке металла. Для разрабатываемой модели описан процесс ее создания, схема и геометрия. Препроцессором модели учтены такие явления, как двухфазное течение, уравнение энергии, ламинарное течение, введение дискретных фаз (упрочняющих частиц), плавление/ кристаллизация. Модель учитывает взаимодействие двух жидких фаз: воздуха и стального расплава, межфазное взаимодействие описывается уравнением поверхностного натяжения. В качестве основного металла авторами использована сталь 12Х18Н10Т, в качестве вводимых частиц – карбиды вольфрама, бора и оксид иттрия. При проведении моделирования учтены физико-химические параметры данных веществ. Представлен процесс моделирования распределения частиц при центробежном литье с помощью вычислительного кластера «Скиф-Урал», входящего в ТОП-500 самых мощных компьютеров мира. В результате проведенного моделирования, помимо графического отображения, получены массивы данных, описывающих координаты каждой частицы в каждый момент времени с шагом 0,00001 с, что позволяет прогнозировать точное местонахождение каждой частицы в каждый момент разливки. Результаты работ свидетельствуют о том, что технология центробежного литья с введением дисперсных частиц в процессе разливки позволяет получить дисперсно-упрочненные металлические материалы с прогнозированием распределения тугоплавких частиц.

компьютерное моделирование, ANSYS, центробежное литье, карбид вольфрама, карбид бора, оксид иттрия, упрочненные материалы

1. Гузенков С.А., Федоров Д.Н., Руцкий Д.В., Гаманюк С.Б. Повышение конструкционной прочности литой стали модифицированием дисперсными порошками // Сталь. 2010. № 3. С. 101 – 103.

2. Коростелев А.Б., Жеребцов С.Н., Соколов И.П., ЧумакЖунь Д.А. Модифицирование жаропрочных никелевых сплавов комплексным инокулятором // Металлург. 2010. № 10. С. 73 – 74.

3. Kuzmanov P., Dimitrova R., Lazarova R., etc. Investigation of the structure and mechanical properties of castings of alloy AlSi7Mg, cast iron GG15 and GG25 and steel GX120Mn12, modified by nanosized powders // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part N: Journal of Nanoengineering and Nanosystems. 2014. Vol. 228. No. 1. P. 11 – 18.

4. Lamei C., Guangxun L., Huaipeng G. Modification of the structure and properties of heat-resistant alloys with the help of nanopowders of refractory, compounds // Manufacturing and Measurement on the Nanoscale, 3M-NANO: Int. Conference on Manipulation. 2012. P. 385 – 388.

5. Harris I.R., Jones I.P. Grain Boundaries: Their Character, Characterisation and Influence on Properties. – London: IОM Communications Ltd., 2001. – 456 p.

6. Chumanov I.V., Anikeev A.N., Chumanov V.I. Fabrication of functionally graded materials by introducing wolframiumcarbide dispersed particles during centrifugal casting and examination of FGM’s structure // Procedia Engineering. 2015. Vol. 129. P. 816 – 820.

7. Kiviö M., Holappa L., Louhenkilpi S. etc. Studies on interfacial phenomena in titanium carbide/liquid steel systems for development of functionally graded material // Metallurgical and Materials Transactions B: Process Metallurgy and Materials Processing Science. 2016. Vol. 47. No. 4. P. 2114 – 2122.

8. Комшуков В.П., Черепанов А.Н., Протопопов Е.В. и др. Исследование влияния модифицирования металла нанопорошковыми материалами на качество сортовой непрерывнолитой заготовки // Изв. вуз. Черная металлургия. 2010. № 8. С. 57 – 63.

9. Watanabe Y., Inaguma O., Sato H. etc. Novel fabrication method for functionally graded materials under centrifugal force: the centrifugal mixed-powder method // Materials. 2009. Vol. 2. No. 4. P. 2510 – 2525.

10. Chumanov I.V., Chumanov V.I., Anikeev A.N. Investigating the effect of carbide disperse particles on hardness and wear resistance of experimental materials in cast and deformed conditions // Indian Journal of Science and Technology. 2015. Vol. 8. No. 34. P. 1 – 7.

11. Zemtsova E.G., Yurchuk D.V., Smirnov V.M. Creation of heterogeneity on the basis of carbide nanostructures in the volume of metal (iron) matrix for regulation of mechanical properties // Materials Physics and Mechanics. 2013. Vol. 18. No. 1. P. 42 – 52.

12. El-Hadad S., Sato H., Miura-Fujiwara E. etc. Fabrication of Al/Al3 Ti functionally graded materials by reaction centrifugal mixed-powder method // Japanese Journal of Applied Physics. 2011. Vol. 50. No. 1S1. Article 01AJ02.

13. Han Q., Hunt D. Particle pushing: critical flow rate required to put particles into motion // Journal of Crystal Growth. 1995. Vol. 152. No. 3. P. 221 – 227.

14. Чуманов В.И., Чуманов И.В., Аникеев А.Н. Упрочнение поверхностных слоев при формировании полой заготовки методом центробежного литья // Электрометаллургия. 2010. № 1. С. 33 – 36.

15. Wildeaj G., Perepezko H. Experimental study of particle incorporation during dendritic solidification // Materials Science and Engineering: A. 2000. Vol. 283. No.1 – 2. P. 25 – 37.

16. Wang Q., Zhang L. Detection of non-metallic inclusions in centrifugal continuous casting steel billets // Metallurgical and Materials Transactions B. 2016. Vol. 47. No. 3. P. 1594 – 1612.

17. Catalina A.V., Mukherjee S., Stefanescu D. А dynamic model for the interaction between a solid particle and an advancing solid/ liquid interface // Metallurgical and Materials Transactions A. 2000. Vol. 31. No. 10. P. 2559 – 2568.

18. Wang Q., Zhang L. Determination for the entrapment criterion of nonmetallic inclusions by the solidification front during steel centrifugal continuous casting // Metallurgical and Materials Transactions B. 2016. Vol. 31. No. 10. P. 1933 – 1949.

19. Алексеев И.А., Аникеев А.Н. Модель распределения дисперсных частиц по объему центробежно-литой заготовки // Наука ЮУрГУ. Матер. 70-й науч. конф. 2018. С. 820 – 826.

20. Kostenetskiy P.S., Safonov A.Y. SUSU Supercomputer Resources // Proceedings of the 10th Annual Int. Sci. Conference on Parallel Computing Technologies (PCT 2016). Arkhangelsk, Russia, March 29 – 31, 2016. CEUR Workshop Proceedings. 2016. Vol. 1576. P. 561 – 573.