Розробка методу знаходження раціональних параметрів гарячого ізостатичного пресування нових порошкових матеріалів на основі комп'ютерного моделювання процесу ущільнення

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДОНБАСЬКА ДЕРЖАВНА МАШИНОБУДІВНА АКАДЕМІЯ

УДК 621.762.01:621.762.4

РОЗРОБКА МЕТОДУ ЗНАХОДЖЕННЯ РАЦІОНАЛЬНИХ ПАРАМЕТРІВ

ГАРЯЧОГО ІЗОСТАТИЧНОГО ПРЕСУВАННЯ НОВИХ ПОРОШКОВИХ МАТЕРІАЛІВ НА ОСНОВІ КОМП'ЮТЕРНОГО МОДЕЛЮВАННЯ

ПРОЦЕСУ УЩІЛЬНЕННЯ

Спеціальність 05.03.05 “Процеси та машини обробки тиском”

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Мельников Олександр Юрійович

Краматорськ - 2002



Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Донбаській державній машинобудівній академії Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Лаптєв Олександр Михайлович, головний науковий співробітник кафедри “Машини і технологія обробки металів тиском” Донбаської державної машинобудівної академії.

Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, старший науковий співробітник Бейгельзiмер Яків Юхимович, головний науковий співробітник Донецького фізико-технічного інституту Національної академії наук України;

- кандидат технічних наук, доцент Стоянов Олександр Анатолійович, доцент кафедри “Обладнання для обробки металів тиском” Східноукраїнського національного університету.

Ведуча організація: Донецький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра “Обробка металів тиском”.

Захист відбудеться “ 16 ” травня 2002 р. о 13⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.105.01 при Донбаській державній машинобудівній академії (84313, м. Краматорськ, вул.Шкадінова, 72, корп.1).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донбаської державної машинобудівної академії за адресою: 84313, м. Краматорськ, вул. Шкадінова, 72, корпус 1

Автореферат розісланий “ 15 ” квітня 2002 року

Вчений секретар

спеціалізованої ради Д 12.105.01,

доктор технічних наук, доцент О.В.Сатонiн



АННОТАЦИЯ

Мельников А.Ю. Разработка метода определения рациональных параметров горячего изостатического прессования новых порошковых материалов на основе компьютерного моделирования процесса уплотнения. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 - Процессы и машины обработки давлением. - Донбасская государственная машиностроительная академия, Краматорск, 2002 г.

Диссертация посвящена разработке метода определения рациональных параметров горячего изостатического прессования новых порошковых материалов на основе компьютерного моделирования процесса уплотнения. Описаны существующие математические модели и компьютерные программы, позволяющие проводить моделирование ГІП. Отмечены их особенности, преимущества и недостатки.

Усовершенствована математическая модель процесса уплотнения путем добавления возможности проводить расчет с использованием закона ползучести Дорна. Разработаны методики экспериментального определения входных параметров модели - механических характеристик материала и функции относительной плотности. На базе усовершенствованной модели составлена компьютерная программа, позволяющая обрабатывать вышеупомянутые эксперименты, сводить результаты в базу данных и моделировать уплотнение порошка.

Проведен ряд експериментов по определению механических характеристик материала и функции относительной плотности для порошков никелевого сплава Udimet-700, нержавеющей стали 316LN, сплава на основе хрома Cr5Fe1Y₂O₃ и жаропрочной стали X10CrAl18. Сделаны выводы о факторах, влияющих на значения функции относительной плотности.

Исследовано влияние точности определения входных параметров модели на точность расчетов времени полного уплотнения порошков.

Проведены численные эксперименты по моделированию уплотнения при ГІП для проверки адекватности усовершенствованной математической модели. Результаты расчетов показали удовлетворительное соответствие с экспериментальными значениями относительной плотности в средней и заключительной стадии процесса ГІП.

В качестве примера определения рациональных параметров цикла ГИП выполнено моделирование уплотнения порошка никелевого сплава Udimet-700 при разных температурах и повышающемся давлении. Определены рациональные сочетание конечных значений давления и температуры - такие, при которых время уплотнения становится минимальным.

Ключевые слова: горячее изостатическое прессование, уплотнение, математическая модель, ползучесть, функция относительной плотности, компьютерная программа.



АНОТАЦIЯ

Мельников О.Ю. Розробка методу знаходження раціональних параметрів гарячого ізостатичного пресування нових порошкових матеріалів на основі комп'ютерного моделювання процесу ущільнення. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 - Процеси і машини обробки тиском. - Донбаська державна машинобудівна академія, Краматорськ, 2002 р.

Дисертація присвячена розробці методу знаходження раціональних параметрів гарячого ізостатичного пресування нових порошкових матеріалів на основі комп'ютерного моделювання процесу ущільнення. Описані існуючи математичні моделі процесу і комп'ютерні програми, які дозволяють моделювати ГІП. Позначені їх особливості, переваги та вади.

Удосконалена математична модель процесу ущільнення шляхом впровадження можливості проводити розрахунки із застосуванням закону повзучості Дорна. Розроблені методики експериментального знаходження вхідних параметрів моделі - механічних характеристик матеріалу і функції відносної щільності. На основі удосконаленої моделі розроблена комп'ютерна програма, яка дозволяє обробляти попередньо згадані експерименти, передавати результати в єдину базу даних та моделювати ущільнення порошку. математичний комп'ютерний ізостатичний пресування

Проведено ряд експериментів по знаходженню механічних характеристик матеріалу і функції відносної щільності для порошків нікелевого сплаву Udimet-700, нержавіючої сталі 316LN, сплаву на основі хрому Cr5Fe1Y₂O₃ та жаропрочної сталі X10CrAl18. Зроблені висновки про фактори, які впливають на функцію відносної щільності.

Досліджено вплив точності знаходження вхідних параметрів моделі на точність розрахунків часу повного ущільнення порошків.

Виконані численні експерименти з моделювання ущільнення при ГІП для перевірки адекватності удосконаленої математичної моделі. Результати розрахунків показали добрі співвідношення з експериментальними даними в середній та заключній стадіях процесу ГІП.

Як приклад знаходження раціональних параметрів циклу ГІП проведено моделювання ущільнення порошку нікелевого сплаву Udimet-700 при різних температурах і підвищенні тиску. Знайдені раціональні комбінації кінцевих сполучень тиску і температури, при яких час ущільнення був мінімальним.

Ключові слова: гаряче ізостатичне пресування, ущільнення, математична модель, повзучість, функція відносної щільності, комп'ютерна програма.



ABSTRACT

Melnikov A.Y. The development of the method of finding perfect parameters of hot isostatic pressing of new powder materials on basis of the computer modelling. - Manuscript.

Thesis on competition for scientific degree of candidate of engineering sciences in specialty 05.03.05 - Processes and machines of mechanical working. - Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk, 2002 р.

The thesis is devoted to development of the method of finding perfect parameters of hot isostatic pressing of new powder materials on basis of the computer modelling. The existing mathematical models and computer programs that allow to do modelling HIP are described.

The mathematical model of densification process is improved by the adding of the way to calculate using Dorn's creep law. The techniques of the experimental finding of input model parameters (material's mechanical characteristics and density function) are developed. On the basis of the improved model the computer program is created. This program allows to calculate the results of experiments described above, to join these results into database and to model the powder densification.

A lot of experiments on finding the material's mechanical characteristics and density function of some powders are carried out. These powders are nickel alloy Udimet-700, stainless steel 316LN, chrome base alloy Cr5Fe1Y₂O₃ and hot resistant steel X10CrAl18. The conclusions about factors that influence on density function are written.

The densification curve and the time of full densification via the accuracy of finding model input parameters are investigated. Using created program a lot of numerical experiments are made. As example of rational parameters finding the modelling of the nickel base alloy Udimet-700 was performed. The rational combinations of temperature and pressure were found.

Key words: hot isostatic pressing, densification, mathematical model, creep, density function, and computer program.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Гаряче ізостатичне пресування (ГІП) - технологічний процес, при якому заготовка навантажується тиском стиснутого газу при високій температурі - останнім часом одержує широке поширення у світовій практиці. Його застосування дозволяє виготовляти порошкові деталі з щільністю, близькою до теоретичної, з високими крiпкістними і пластичними характеристиками. Наближення форми заготовок до форми готового виробу знижує витрати на обробку дорогих матеріалів, особливо для виробів складної форми, коли при традиційних способах виготовлення до 80% матеріалу іде в стружку.

Поряд з незаперечними перевагами застосування ГІП для компактування порошкових матеріалів, ця технологія має і декілька істотних недоліків, що стримують її практичне застосування. До них відносяться, зокрема, висока вартість промислових установок гарячого ізостатичного пресування, велика тривалість циклу ГІП, використання дорогих матеріалів (інертний газ, що служить для передачі тиску до заготовки), складність керування установками ГІП, що вимагає високого рівня кваліфікації і відповідальності персоналу.

Щоб зменшити вплив цих недоліків на конкурентноздатність процесів ГІП і знизити собівартість одержуваних порошкових виробів, застосовують комп'ютерне моделювання цього процесу. Зокрема, для прогнозування кінцевих розмірів і конфігурації виробів складної форми і з метою забезпечення правильного вибору вихідної заготовки застосовують кiнцевоелементнi 3D чи 2D програми. Для оптимізації циклу ГІП за часом моделюють окремі його етапи. Роботи в галузі комп'ютерного моделювання ГІП проводяться в багатьох західних країнах, а також у Росії й Україні, у тому числі - у Донбаській державній машинобудівній академії. Тут перші комп'ютерні моделі і програми були розроблені в співдружності з Всеросійським інститутом легких сплавів (Москва) у 1986 році.

Моделі удосконалювалися, змінювалися обчислювальні платформи і програмні засоби їхньої реалізації. Але практика показала, що ці програми не відповідали розвитку обчислювальної техніки. Необхідно було, зокрема, удосконалити математичну модель процесу ущільнення порошків, розробити інтерфейс, що відображає хід і результати моделювання. Крім того, реологічне поводження багатьох нових порошкових матеріалів при їхньому ущільненні значно складніше того, яке передбачалося при моделюванні.

Таким чином, виникла необхідність в розробці нового методу знаходження раціональних параметрів гарячого ізостатичного пресування, який би містив удосконалену математичну модель процесу ущільнення і програмний комплекс для його проектування.

Зв'язок роботи з науковими програмами організації. Дисертація зв'язана з виконанням держбюджетних науково - дослідницьких робіт Г-03-97 “Розробка теорії і розрахунки деформування нових порошкових матеріалів в умовах гарячого ізостатичного пресування” (№ держ. реєстрації 0177U001596); ДФ-02-97 “Розробка математичного забезпечення для моделювання гарячого ізостатичного пресування нових порошкових сплавів” (№ держ. реєстрації 0198U002172), ДФ-01-98 “Комп'ютерне моделювання гарячого ізостатичного пресування нових гетерофазних порошкових матеріалів” (№ держ. реєстрації 0198U005600) на кафедрі машин і технології обробки металів тиском ДДМА (автор приймав участь у якості виконавця), а також українсько-німецького проекті UKR 003-97 “Розробка програмного забезпечення процесу моделювання ГІП” (програма науково-технічного співробітництва Німеччини з країнами Центральної і Східної Європи і країнами СНД), виконаного Донбаською державною машинобудівною академією разом з інститутом IWV-1 Дослідницького центра Юлiх (Німеччина).

Мета і задачі роботи. Метою роботи є підвищення ефективності проектування процесів гарячого ізостатичного пресування порошкових матеріалів на основі удосконаленого методу знаходження раціональних параметрів процесу.

Для досягнення поставленої мети були вирішені наступні задачі:

- удосконалення методу знаходження раціональних параметрів процесу гарячого ізостатичного пресування порошкових матеріалів, якій містить знаходження механічних властивостей і функції щільності для матеріалу, який дослідується і комп'ютерне моделювання процесу ГІП;

- удосконалення математичної моделі для розрахунків ущільнення при гарячому ізостатичному пресуванні порошкових матеріалів шляхом включення в неї рівнянь теорії повзучості Дорна;

- розробка методики визначення характеристик повзучості для порошкових матеріалів і проведення відповідних експериментальних дослідженнь для ряду типових і нових матеріалів при умовах, характерних для гарячого ізостатичного пресування; оцінка можливостей використання законів дислокаційної повзучості Нортону і Дорна;

- розробка методики експериментального визначення функцій відносної щільності, які використовуються для моделювання процесу ущільнення; проведення відповідних досліджень для ряду порошкових матеріалів при умовах, характерних для ГІП; вивчення впливу температури, умов навантаження і типу матеріалу на функцію щільності; проведення порівняння результатів з даними, отриманими в інших лабораторіях;

- розробка комп'ютерної програми для моделювання процесу ущільнення порошкових матеріалів при ГІП з використанням законів Нортону чи Дорна, обладнаної сучасним інтерфейсом і базою даних, що дозволяє порівнювати результати моделювання з розрахунками по мікромеханічній теорії Ешбi і дає можливість передачі результатів у стандартні програми обробки числових таблиць;

- аналіз точності комп'ютерного моделювання в залежності від погрішності визначення вихідних даних (параметрів законів повзучості і функцій щільності);

- розробка рекомендацій по використанню програми і упровадження ії в дослідницький і навчальний процеси.

Об'єкт дослідження - технологія гарячого ізостатичного пресування порошкових матеріалів.

Предмет дослідження - процес ущільнення порошкових матеріалів при гарячому ізостатичному пресуванні.

Методи дослідження. У роботі використана континуальна теорія в'язкої течі пористих матеріалів. Розрахунки процесів ущільнення порошкових матеріалів при ГІП здійснювалися на основі комп'ютерного моделювання. В якості математичного апарату застосовувалися чисельні методи рішення диференціальних рівнянь, пошук похідних першого порядку і згладжування значень функції методом тричленного ковзьского середнього.

Для експериментального дослідження кінетики ущільнення порошків при гарячому ізостатичному пресуванні застосовувався метод дилатометрії. При визначенні механічних характеристик матеріалів використовувалися експерименти на розтяг-стиск при високих температурах. Експерименти на розтяг проводилися на повітрі, а на стиск - у середовищі аргону.

Наукова новизна отриманих результатів Серед основних положень та розробок, представлених у дисертації, новими для науки і практики є такі:

- одержала подальший розвиток математична модель процесу ущільнення при гарячому ізостатичному пресуванні порошкових матеріалів, яка дозволяє проводити розрахунки із застосуванням законів дислокаційної повзучості як Нортону, так і Дорна, дає можливість розрахунку процесів ГІП при низьких значеннях температури і при високих величинах тиску, а також враховує можливість зміни всіх параметрів, що характеризують повзучість, у залежності від температури процесу;

-визначені характеристики повзучості при різних температурах і функції відносної щільності для ряду нових порошкових матеріалів, показано, що при умовах, характерних для гарячого ізостатичного пресування, повзучість матеріалів найчастіше краще описувати законом Нортону, а у деяких випадках - законом Дорна;

- вперше встановлено, що функції відносної щільності для кожного конкретного матеріалу слабко залежать від температури і тиску при експериментах, але відрізняються для різних матеріалів;

- вперше встановлено, що для визначення часу повного ущільнення з відносною похибкою не більше 10% відносна похибка знаходження параметрів повзучості і функції щільності повинна знаходитися в межах 5-10%.

Практична цінність отриманих результатів. В результаті проведених досліджень:

- розроблена комп'ютерна програма моделювання ущільнення порошкових матеріалів при гарячому ізостатичному пресуванні, яка дозволяє прогнозувати технологічні параметри і проводити оптимізацію процесів ГІП нових порошкових матеріалів; програма знайшла практичне застосування при дослідженнях пресування нових порошків в Дослідницькому центрі Юліх (Німеччина) і в учбовому процесі при вивченні закономірностей ущільнення порошків при ГІП;

- експериментальним шляхом знайдені механічні характеристики і функція щільності, необхідні для моделювання ущільнення ряду важливих для практики порошків.

Особистий внесок здобувача. Автор удосконалив математичну модель ГІП і на її основі розробив комп'ютерну програму для моделювання процесу ущільнення порошкових матеріалів. Провів ряд експериментів на високотемпературне розтягання/стиск (для визначення механічних характеристик нових порошкових матеріалів) і ГІП (для дослідження кінетики ущільнення порошків). За допомогою розробленої програми обробив результати проведених експериментів, розрахувавши функції відносної щільності. Провів ряд чисельних експериментів по дослідженню впливу окремих факторів на кінцевий результат процесу ущільнення при гарячому ізостатичному пресуванні. Упровадив розроблену програму в навчальний процес кафедри “Машини і технологія обробки металів тиском” Донбаської державної машинобудівної академії і в Дослідницькому центрі Юлiх (Німеччина).

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи обговорювалися на всеукраїнських і міжнародних науково-технічних конференцях: “Перспективні технології і устаткування обробки тиском у металургії і машинобудуванні” (м.Краматорськ, 1998р., 1999р., 2000р., 2001р.); “Перспективи розвитку великих машинобудівних підприємств”, (м.Краматорськ, 1998р.); “Удосконалення процесів і обладнання для виробництва та обробки металопродукції для металургії тамашинобудування” (м.м.Краматорськ - Слов'янськ, 2000р.); всесвітньому конгресі з порошкової металургії (Гранада, Іспанія, 1998р.); науковому семінарі Інституту IWV-1 Дослідницького Центра Юлiх (Німеччина, 1999р.); міжнародній конференції з порошковій металургії (Пiєштани, Словаччина, 1999р.).

Публікації. Матеріали дисертації опубліковані в 9 друкованих працях, у тому числі: 7 - у 5 спеціалізованих виданнях, 2 - у закордонних виданнях.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, 4 розділів, висновків і додатків. Повний обсяг роботи 193 сторінки. Робота містить 115 ілюстрацій, 30 таблиць, список використаних літературних джерел з 98 найменувань і 2 додатки на 23 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У ВСТУПІ обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовані мета і задачі досліджень, наукова новизна і практична цінність отриманих результатів.

Перераховано основні операції технологічного процесу гарячого ізостатичного пресування. Розглянуто частини типової установки для ГІП, перераховані види газостатiв. Підкреслено, що, хоча за допомогою міні-газостатів і можна здійснювати фізичне моделювання реальних циклів для промислових машин, однак з їх допомогою можливе проведення тільки одного експерименту в день, і задача математичного і комп'ютерного моделювання циклів ГІП залишається актуальною.

Перераховано фізичні механізми, що приводять до ущільнення порошку при ГІП - пластична плинність, дислокаційна повзучість і різні види дифузії (механізм Набарро-Херринга-Кобле - переміщення вакансій по межах і по обсязі зерен; відтік вакансій з поверхні пор по вільним поверхням часток і по поверхням їхнього контакту).

Розглянуто два підходи до моделювання ущільнення: мікромеханічний (аналіз деформації елементів, що складають порошкове тіло, і подальше узагальнення цього аналізу для всього тіла в цілому) і континуальний (представлення порошкового тіла як середовища, що володіє властивістю необоротної стискальності). Проаналізовано переваги і недоліки обох підходів.

Проведено огляд існуючих комп'ютерних програм для моделювання процесів ГІП з розподілом їх на дві групи - для розрахунку ущільнення і розрахунку формозміни заготовок. З першої групи розглянуті HIP487, HIPPER і PDT, із другий - MATSIM, PreCAD, HIPNAS, MARC і ABAQUS. Відзначено, що при всіх перевагах описаних програм безпосереднє їхнє використання скрутне, тому що вони вимагають потужних комп'ютерів, а також є дорогими комерційними продуктами.

На підставі аналітичного огляду існуючих теорій ущільнення і комп'ютерних програм для його моделювання зроблений висновок, що створення моделі, яка враховує внесок у процес ущільнення всіх деформаційних механізмів, приводить до необхідності визначення великого числа параметрів, що в умовах пресування нових порошкових матеріалів означає необхідність проведення великої кількості дорогих експериментів. Очевидно, що необхідно мінімізувати число параметрів математичної моделі, виділивши один переважний деформаційний механізм, і розробити методику їхнього визначення як результат проведення невеликого числа нескладних експериментів. На базі нової моделі необхідно створити комп'ютерну програму, що дозволяє моделювати довільні цикли ГІП для будь-яких матеріалів і проводити обробку експериментів по визначенню параметрів моделі. Програма повинна відповідати усім вимогам сучасного програмного забезпечення, не бути занадто вимогливою до операційного середовища й органічно сполучатися з існуючими засобами відображення таблично-графичної інформації.

Виходячи з припущення, що в умовах, характерних для ГІП (тиск до 200 МПа і температура, близька до температури плавлення стискаємого матеріалу), основним деформаційним механізмом є дислокаційна повзучість, а також з урахуванням ідеалізованих умов ГІП (s₁=s₂=s₃=p) і рівняння нерозривності суцільного середовища r/r = -(e₁+e₂+e₃), на підставі теорії повзучості пористих матеріалів виведено формули для розрахунку ущільнення при ГІП:

при повзучості, що описується законом Нортону

, (1)

і при повзучості, що описується законом Дорна

. (2)

Параметри, що входять у формули (1) і (2), умовно можна розділити на 2 групи: коефіцієнти у формулах, що описують механічні характеристики матеріалу - A, k, B, n, і функції відносної щільності - f(). Для їхнього визначення проводилися експерименти на стиск (розтягання) зразків з попередньо спресованого до теоретичної щільності порошку і на гаряче ізостатичне пресування порошків в установці, яка оснащена дилатометром.

Дана математична модель реалізована на ПЭВМ у виді інтегрованого пакету HIPPER-C (рис.1). Відповідно до етапів обчислень система містить чотири галузі -- обробку експериментів на стиск (розтягання), обробку дилатометричних експериментів, систему керування базою даних для матеріалів і модуль моделювання ущільнення при ГІП.

Вхідними даними для модуля обробки експериментів на стиск (розтягання) є зв'язані масиви даних по швидкості і зусиллям деформування, а також висоти (довжини) зразка, визначені при різних значеннях температури. У результаті складається таблиця залежностей коефіцієнтів A, k, B і n від температури, яку можна аналізувати візуально і передавати в базу даних для матеріалів.

Модуль обробки експериментів на дилатометрі визначає щільність і швидкість ущільнення у функції від часу, а також (з обліком попередньо розрахованих характеристик повзучості) функцію відносної щільності. Дослідник одержує можливість порівняти значення функції щільності, отриманої експериментальним шляхом, з функціями, визначеними по теоріях Ешбi і Шима, а також розрахувати середні значення функції по ряду експериментів.

Система керування базою даних матеріалів дозволяє обмінюватися даними двох попередніх модулів, а також вносити різні модифікації в таблиці механічних характеристик і функцій щільності безпосередньо з терміналу.

Модуль моделювання ГІП робить розрахунок процесу ущільнення по деформаційному механізму дислокаційної повзучості. Закон повзучості (Нортону чи Дорна), матеріал і параметри циклів вибираються користувачем. Дослідник може також проаналізувати результати моделювання в залежності від функції щільності, яка використовується -- експериментальної чи розрахованої по формулах Ешбi і Шима.

Приведено характеристики порошків, які використовувалися для експериментів - порошок сплаву Udimet-700 на базі нікелю і суміші на його основі, що містять 5 і 10 об'ємних відсотків дiборида титану Ti₂ і оксида алюмінію Al₂O₃; газорозпилений порошок нержавіючої сталі 316 LN, ANVAL (Швеція); механічно легований порошок сплаву Cr5Fe1Y₂O₃ на основі хрому, Plansee (Австрія); розпилений порошок жароміцної сталі X10CrAl18, TLS Technik Gmb & Co (ФРН).

Описано установку гарячого ізостатичного пресування, що знаходиться в Інституті IWV-1 Дослідницького центру Юлiх (ФРН), на якій проводилися дилатометрiчнi дослідження кінетики ущільнення обраних порошків. Коротко викладена методика виготовлення зразків.

Основна задача дилатометричних експериментів -- одержання даних для розрахунків функції відносної щільності, формули для розрахунку якої виходять після перетворень рівнянь (1) і (2):

(3)

. (4)

В останньому випадку трансцендентне рівняння відносно f() вирішується методом ітерацій чи методом Hьютона. Повинна бути встановлена швидкість ущільнення в залежності від досягнутого значення відносної щільності і прикладеного тиску ГІП. Оскільки вхідні у формули характеристики повзучості визначаються шляхом механічних експериментів при фіксованих температурах, кінетику ущільнення для визначення функцій відносної щільності необхідно досліджувати при тих же температурах. Відповідно до цього було розроблено типовий цикл ГІП, що показаний на рис.2. Відносно повільний підйом температури забезпечує рівномірний прогрів порошку в капсулі. Витримка в 20-30 хвилин при 700?C приводить до розм'якшення капсули з нержавіючої сталі. Подальше ще більш повільне нагрівання і витримка у 20 хвилин при температурі експериментів забезпечують однорідність температури в масі порошку. Тиск спочатку підтримується на мінімально можливому рівні 2-4 МПа, обумовленому конструктивними особливостями установки

ГІП. Після досягнення зразком температури експериментів і витримки тиск підвищується до робочого значення (50-195 МПа) і потім підтримується деякий час на постійному рівні. Саме на ділянках підйому і витримки під тиском відбувається основне ущільнення. Оператор газостатичної установки має можливість спостерігати на екрані дисплея за даними, що характеризують зміну висоти зразка, і переривати цикл (різко знижувати тиск і температуру), коли зміна висоти припиняється, що свідчить про повне ущільнення порошку в капсулі.

При визначенні функції відносної щільності був досліджений вплив ряду факторів, а саме: виду вихідного порошку (включаючи хімічний склад, розмір часток, добавка різних зміцнюючих фаз); температури; швидкості підйому тиску. Для цього були реалізовані 34 дилатометричних циклів, основні характеристики яких приведені в дисертації.

Розглянуто методику обробки дилатометричних експериментів. Для розрахунків відносної щільності необхідно знати не тільки поточну зміну розмірів зразка, яка фіксується дилатометром, але і деяке базове значення щільності. В якості такого значення використовувалася кінцева величина відносної щільності зразка після ГІП -- _e, оскільки кінцеве значення щільності може бути виміряне значно точніше, ніж початкове ₀, що є фактично щільністю утрясання. На величину ₀ впливають різні випадкові фактори. Для визначення _e зі зразків після ГІП виточувалися циліндри діаметром 10 мм і висотою 15 мм. Виходячи з обсягу і маси цих циліндрів розраховувалася їхня щільність.

З умови сталості маси зразків у процесі і після ГІП випливає залежність:

, (5)

де , -- деформації по Лагранжу; , h, d -- поточні значення відносної щільності, діаметра і висоти зразка;

_e, h_e, d_e -- кінцеві значення. Позначення відношення деформацій по висоті і по діаметру як r=_d/_h дозволяє перетворити формулу (5) до виду:

. (6)

З метою з'ясування характеру зміни r у процесі ГІП і його впливу на розрахункові значення були поставлені спеціальні експерименти по пресуванню порошку сплаву X10CrAl18. Суть цих дослідів полягала в тому, що зразки в серії з чотирьох експериментів спочатку нагрівалися до 850C, а потім навантажувалися тиском. Тиск різко скидався при досягненні значень 10, 20, 50 і 85 МПа, і нагрівачі вимикалися. Це дозволяло зафіксувати співвідношення розмірів і визначити щільність зразків на різних етапах циклу ГІП. Було встановлено, що розбіг між _h і _d досягає найбільшої величини на початку процесу ГІП, а на середній і пізній стадіях вони практично ідентичні. Тому надалі при обробці дилатометричних експериментів використовувалося допущення про справедливість рівняння r=1.

Приведено ряд діаграм, що ілюструють результати дилатометричних експериментів при різних значеннях робочих температур.

Описано методику перебування механічних характеристик у математичній моделі ГІП - коефіцієнтів повзучості A, B і показників повзучості k, n у формулах (1) і (2). Характеристики повзучості визначаються шляхом проведення експериментів на стиск (розтягання). Після обробки результатів експериментів і ряду нескладних перетворень значення коефіцієнтів і показників повзучості приймають вигляд кусочно-лінійних функцій температури. Експерименти проводилися для зразків діаметром 10 мм і висотою 15 мм, отриманих з повністю ущільнених гарячим ізостатичним пресуванням циліндричних заготівок. Зразки нагрівалися до температур від 850 до 1200C, а потім поетапно навантажувалися для одержання напружень, характерних при ГІП. Запис швидкості зміни висоти зразка було зроблено на кожнім рівні напруженя. Після цього розраховувалася швидкість деформації.

Усі перераховані вище експерименти були проведені для кожного з описаних вище порошків. Для них знайдені механічні характеристики і функції відносної щільності.

Для перевірки точності визначення механічних характеристик і функції відносної щільності f() були проведені чисельні експерименти по моделюванню ГІП досліджуваних порошків. Цикли ГІП були взяті аналогічними реальним циклам ГІП, використаним для визначення f(). Результати порівняння показали гарну відповідність між експериментальними й отриманими в результаті моделювання значеннями відносної щільності (максимальне відхилення по всім циклам не перевищило 6%, середнє знаходиться у межах 0,5-1,7%). Це свідчить про достатню точність вихідних даних для моделювання.

Для перевірки адекватності удосконаленої математичної моделі проведені чисельні експерименти по моделюванню ущільнення при різних циклах ГІП для чотирьох типів порошків (нержавіючої сталі 316LN, сплаву Udimet-700, Cr5Fe1Y₂O₃ і X10CrAl18). Результати розрахунків показали задовільну відповідність з експериментальними значеннями відносної щільності в середній і заключній стадії процесу ГІП.

З метою встановлення величини припустимих похибок при визначенні механічних характеристик матеріалу (коефіцієнтів A, B, k, n) і функції відносної щільності f() і впливу цих похибок на час досягнення повного ущільнення, був проведений ряд чисельних експериментів. Усі знайдені значення A, k, B, n і f() по черзі збільшувалися чи зменшувалися на 5%, 10%, 20%, 30% і 50%. Потім змінені дані вводилися в програму HIPPER, і проводилося моделювання циклу ГІП з використанням законів Нортону і Дорна. За результатами розрахунків складені таблиці відхилень часу досягнення повного ущільнення для чотирьох матеріалів при різних комбінаціях технологічних параметрів ГІП (кінцевих значень температури і тиску). Встановлено, що зі зниженням температури і зменшенням тиску точність визначення параметрів повинна бути вищою; для визначення часу повного ущільнення з відносною похибкою не більше 10% відносна похибка визначення параметрів повзучості і функції щільності повинна знаходитися у межах 5-10%.

Як приклад визначення раціональних параметрів циклу ГІП проведено моделювання ущільнення порошку нікелевого сплаву Udimet-700 при різних температурах і тиску, що підвищується. Приймалося, що тиск починає рости в момент початку технологічної витримки. Фіксувалися величина тиску, при якому настає повне ущільнення, і відповідний час процесу. Раціональним вважалася комбінація тиску і температури, при якій час ущільнення був мінімальним. Вона виявилася наступною: T = 1150°С, P = 35 МПа.



ВИСНОВКИ

1. Удосконалено метод знаходження раціональних параметрів гарячого ізостатичного пресування порошкових матеріалів, який включає знаходження механічних властивостей і функції відносної щільності для матеріалу, який дослідується, і комп'ютерне моделювання процесу ГІП.

2. Удосконалено математичну модель для розрахунків ущільнення при гарячому ізостатичному пресуванні порошкових матеріалів. Модифіковані рівняння континуальної теорії ущільнення порошків дозволяють проводити моделювання з використанням законів повзучості як Нортону, так і Дорна.

3. Розроблено методику визначення механічних характеристик повзучості, необхідних для моделювання з використанням законів в'язкої течі Нортону чи Дорна. Методика передбачає проведення експериментів на стиск або розтягання з повністю ущільненого матеріалу при температурах, характерних для ГІП.

У результаті обробки експериментів для зразків з нержавіючої сталі 316 LN, сплавів Cr5Fe1Y₂O₃, X10CrAl18, Udimet-700, а також Udimet-700 з додатками TiB₂ и Al₂O₃ було показано, що у більшості випадків в'язку течу цих матеріалів краще описує закон Нортону, і лише в деяких випадках кращі показники дає закон Дорна. Усі коефіцієнти в законах Нортону і Дорна залежать не тільки від виду матеріалу, але і від температури. З ростом температури коефіцієнт повзучості збільшується, а показник повзучості в законі Нортону зменшується для всіх матеріалів.

Порівняння результатів експериментів на розтягання і стиск зразків з нержавіючої сталі 316 LN показало ідентичність отриманих результатів. Зміцнюючі добавки Ti₂ і Al₂O₃ істотно зменшують швидкість деформації при повзучості порошкового сплаву Udimet-700. При цьому коефіцієнт повзучості зменшується, а показник повзучості в законі Нортону збільшується.

4. Розроблено методику експериментального визначення функції відносної щільності, що входить в основні рівняння континуальної теорії ущільнення при ГІП. Методика припускає проведення дилатометричних експериментів за спеціальними циклами ГІП і використання механічних характеристик повзучості, виражених законами Нортону чи Дорна. Отримано формули для визначення функції щільності на основі мікромеханічної теорії повзучості порошкових матеріалів М. Ешбi і континуальної теорії пластичності пористих тіл С. Шима.

Для вище приведених матеріалів були проведені експерименти по знаходженню кінетики їх ущільнення при фіксованій температурі ГІП. Порівняння результатів дилатометричних експериментів з даними експериментів, заснованих на перериванні циклів, виявило добре їх співвідношення (відносна похибка знаходиться у межах 1-2%). Це свідчить проо достатньо високу точність дилатометричних експериментів. Було встановлено, що при обробці дилатометричних експериментів анізотропію деформації зразків припустимо не враховувати. Залежності швидкості деформації від часу ущільнення практично в усіх випадках мають максимум.

Для цих же матеріалів були визначені функції відносної щільності з використанням законів повзучості Нортону і Дорна. В усіх випадках функція росте зі збільшенням відносної щільності. Вона не залежить від температури експериментів і умов навантаження. При використанні законів повзучості Нортону і Дорна функції щільності виходять ідентичними. Разом з тим, функція щільності залежить від виду матеріалу порошку. Особливо на ії значення для Udimet700 впливають додатки TiB₂ и Al₂O₃. Розрахунки за формулами Ешбі і Шима дають лише приблизну її оцінку. Розмір частинок порошку X10CrAl18 не надає вагомий вплив на значення функції щільності.

5. Удосконалено і реалізовано на ЕОМ комп'ютерну програму для моделювання ущільнення при ГІП на основі континуального підходу. Система має сучасний інтерфейс, забезпечує можливість моделювання з використанням законів повзучості Нортону і Дорна, має базу даних з механічних характеристик і функцій щільності для ряду порошкових матеріалів, дозволяє порівнювати результати з розрахунками за мікромеханічною теорією Ешбi, передає результати моделювання в стандартні програми обробки чисельних таблиць.

6. Для перевірки точності експериментального визначення коефіцієнта і функції були проведені розрахунки процесів ущільнення порошків при циклах ГІП, використаних для знайдення f(с). Результати порівняння розрахункових і експериментальних даних виявили добре співвідношення (максимальне відхилення по всім циклам не перевищило 6%, середнє знаходиться у межах 0,5%-1,7%). Це свідчить про достатню точність знайдення параметрів, які використані у розрахунках.

7. Для перевірки адекватності удосконаленої математичної моделі проведені чисельні експерименти по моделюванню ущільнення при ГІП порошків нержавіючої сталі 316 LN і X10CrAl18. Результати розрахунків показали задовільну відповідність з експериментальними значеннями відносної щільності в середній і заключній стадії процесу ГІП.

8. Проведена оцінка впливу похибок знаходження параметрів законів Нортону, Дорна і функції відносної щільності на похибку розрахунку часу ущільнення при різних режимах ГІП. Було встановлено, що для знаходження часу повного ущільнення з відносною похибкою не більше 10% відносна похибка знаходження параметрів повзучості і функції щільності має бути у межах 5-10%.

9. Для знаходження раціональних параметрів циклу ГІП проведено моделювання ущільнення порошку нікелевого сплаву Udimet-700 при різних температурах і зростаючому тиску. Приймалося, що тиск починає рости в момент початку технологічної витримки. Фіксувалися величина тиску, при якому наступає повне ущільнення, і вiдповiдний iй час процесу. Раціональним вважалося співвідношення тиску і температури, при якому час ущільнення був мінімальним. Воно виявилося таким: T = 1150°С, P = 35 МПа.

10. Розроблена програма впроваджена в навчальний процес у Донбаській державній машинобудівній академії як засіб вивчення ущільнення порошків при гарячому ізостатичному пресуванні і в Дослідницькому центрі Юліх, Німеччина, в якості інструменту для знаходження раціональних параметрів процесу ГІП, що у ряді випадків дозволяє не проводити експерименти, які дорого коштують.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ З ТЕМИ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Лаптев А.М., Мельников А.Ю. Компьютерная программа HIPPER-C как новый исследовательский инструмент для моделирования процессов горячего изостатического прессования // Совершенствование процессов и оборудования обработки давлением в металлургии и машиностроении: Сб.науч.тр. - Вып. 4. - Краматорск, 1998. - С.233-235.

2. Лаптев А.М., Мельников А.Ю. Уплотнение порошка нержавеющей стали 316LN при горячем изостатическом прессовании // Совершенствование процессов и оборудования обработки давлением в металлургии и машиностроении: Сб.науч.тр. - Вып.4. - Краматорск, 1998. - С.227-232.

3. Лаптев А.М., Мельников А.Ю. Уплотнение порошка Fe18CrAlSi при горячем изостатическом прессовании // Совершенствование процессов и оборудования обработки давле-нием в металлургии и машиностроении: Сб.науч.тр. - Вып.4. - Краматорск, 1998. - С.221-226.

4. Laptev A.M., Buchkremer H.P., Melnikov A.Y., Stцver D., VaЯen R. Hot isostatic pressing of corrosion resistant steel X10CrAl18. Proceedings of the 1998 Powder Metallurgy World Congress (Granada, Spain, October 18-24, 1998), v.2, p.525-530.

5. Лаптев А.М., Мельников А.Ю. Уплотнение порошка никелевого сплава при горячем изостатическом прессовании // Удосконалення процесiв та обладнання обробки тиском у машинобудуваннi та металургii: Зб.наук.пр. - Вып.5. - Краматорск, 1999. - С.100-102.

6. A.Laptev, A.Melnikov, R.VaЯen, H.P.Buchkremer, D.Stцver. Comparative study of input data for computer simulation of densification behaviour at HIP.

7. Мельников А.Ю. Влияние исходных данных на точность компьютерного моделирования горячего изостатического прессования. // Удосконалення процесiв та обладнання обробки тиском в металургii i машинобудуваннi: Зб.наук.пр. - Краматорськ, 2000. - С.239-242.

8. Мельников А.Ю., Лаптев А.М. Совершенствование и оптимизация горячего изостатического прессования новых порошковых материалов с использованием компьютерной программы HIPPER-C // Удосконалення процесiв та обладнання обробки тиском в металургii i машинобудуваннi: Зб.наук.пр. - Краматорськ-Слов'янськ, 2000. - С.248-251.

9. Мельников А.Ю., Лаптев А.М. Компьютерные программы моделирования горячего изостатического прессования // Удосконалення процесiв та обладнання обробки тиском в металургii і машинобудуванні: Зб.наук.пр. - Краматорськ, 2001. - С.159-163.

Размещено на Allbest.ru

...