 |
Разработка ученых Пермского Политеха поможет избежать брака при изготовлении деталей турбин и двигателей самолетов
В авиастроении для изготовления деталей конструкции используют индукционную плавку металла. В процессе на поверхности материала образуются тонкие пленки из загрязняющих веществ, которые становятся причиной дефектов и брака. Ученые ПНИПУ разработали математическую модель и с ее помощью определили режимы плавки, при которых эта пленка не оседает.
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. Это ведет к увеличению количества брака, что напрямую влияет на экономическую эффективность производства. 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.
Фото: Eka Rihandy, Unsplash
Контактное лицо: Лидия Евгеньевна Попова (написать письмо автору)
Компания: ПНИПУ (все новости этой организации)
Добавлен: 14:59, 03.07.2025
Количество просмотров: 61
Страна: Россия
| Союз Инженеров Живой Воды завершил второй этап проекта «Водный код будущего», Союз Инженеров Живой Воды, 22:33, 23.07.2025, Россия |
217 |
| 17 июля 2025 года в формате онлайн-конференции прошло второе мероприятие масштабного стратегического проекта «Водный код будущего: кадры, технологии, решения», посвященного разработке долгосрочной программы развития отрасли водоснабжения и водоотведения. Мероприятие объединило ведущих специалистов, ученых и представителей бизнеса для формирования дорожной карты, направленной на обеспечение водного суверенитета и устойчивого управления ресурсами. |
|
| Разработка ученых Пермского Политеха позволит снизить погрешность испытаний турбин практически в 3 раза, ПНИПУ, 05:54, 22.07.2025, Россия |
291 |
| Турбины широко используются в авиации, энергетике, транспорте и промышленности. Новые модели перед использованием необходимо протестировать, чтобы не допустить к использованию бракованную конструкцию. Ученые ПНИПУ улучшили стенд для испытаний турбин, что позволило снизить погрешность с 15-20% до 4,5-7%, то есть практически в 3 раза. |
 |
| Ученые Пермского Политеха назвали топ-7 опасных растений, к которым опасно даже приближаться, ПНИПУ, 05:34, 22.07.2025, Россия |
217 |
| Помимо борщевика есть и другие токсичные представители флоры. Ученые ПНИПУ рассказали, можно ли прикасаться к борщевику ночью, как безобидный ландыш может привести к летальному исходу, а чистотел к отказу почек, и что будет если съесть мед, собранный с ядовитых растений. |
 |
| Исследование ученых Пермского Политеха поможет снизить шум двигателей самолетов на 5%, ПНИПУ, 06:23, 20.07.2025, Россия |
212 |
| В современной авиации важным фактором комфорта пассажиров и пилотов является снижение уровня шума двигателей. Излишний шум вреден для здоровья человека. Для его уменьшения используются специальные звукопоглощающие конструкции. Ученые ПНИПУ модернизировали их элемент, что позволило повысить поглощение звука конкретной конструкции с 85% до 90-95%. |
 |
|
|
