ПНИПУ создал цифровую модель для предсказания поведения сплавов при нагревании с точностью 99%. Это ускорит испытания при разработке авиационных, атомных и нефтехимических деталей.
Речь идет о жаропрочных никелевых сплавах в машиностроении. Их свойства зависят от химического состава и режима термообработки, включая отжиг – выдержку при повышенной температуре для формирования нужной структуры. Основной процесс при этом – рекристаллизация, когда зародыши растут и поглощают соседние области. Для получения прочной детали без дефектов инженер должен предсказать поведение зародышей при конкретной температуре.
Проблема состоит в отсутствии физически обоснованного описания формирования малодефектных зерен, что вынуждает инженеров подбирать режимы термообработки экспериментально. Это дорого и долго, особенно для крупных деталей, где брак может стоить миллионы рублей. Необнаруженные дефекты, такие как трещины в лопатках турбин или ослабленные швы в реакторах, опасны. Даже при наличии описания процесс слишком сложен и требует много машинного времени, что неприемлемо для производства.
Ученые Пермского политеха создали компьютерную модель, предсказывающую поведение сплава при нагреве с точностью 99%. Метод основан на использовании многогранников Лагерра для описания реальной геометрии структуры. Это позволяет учитывать форму, размер, расположение и взаимодействие субзерен и упрочняющих частиц при нагреве.
Ученые проверили модель на сплаве Inconel 718, широко используемом в авиационных двигателях и атомной энергетике, имитируя нагрев до 340 °C. Результаты расчетов с реальными данными разошлись не более чем на 1,15%, а при подборе параметров – на 0,42%, что подтверждает высокую точность модели.
«Отличительная особенность нашей модели в том, что она учитывает топологию структуры и контактное взаимодействие соседних зерен, а также влияние упрочняющих частиц. Это дает физически обоснованное описание того, как формируются и растут зародыши рекристаллизации, и при этом модель не требует огромных вычислительных ресурсов. По сути, мы создали «цифровой микроскоп», который позволяет заглянуть в перестройку структуры металла без дорогостоящих экспериментов», – рассказал один из авторов исследования, заведующий лабораторией многоуровневого моделирования конструкционных и функциональных материалов ПНИПУ, кандидат физико-математических наук Никита Кондратьев.
Модель выявляет опасный аномальный рост зерен в кристаллах, приводящий к усталостным трещинам. Расчет помогает предсказать безопасные условия термообработки. Инструмент можно расширять для учета других особенностей структуры материала и встраивания в крупные модели для расчета прочности деталей. Это позволит инженерам оптимизировать режимы термообработки никелевых сплавов, сокращая число дорогостоящих экспериментов.
Источник: Минобрнауки
распечатать статью
