Пермские ученые создали цифровую модель поведения сплава при нагревании

Специалисты Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) разработали цифровую модель, которая предсказывает поведение сплава при нагревании с точностью около 99 %. Ее использование, по мнению разработчиков, позволит существенно сократить время на проведение испытаний при разработке деталей для авиации, атомной энергетики и нефтехимии.

Речь идет, прежде всего, о жаропрочных, в том числе никелевых сплавах, широко применяемых в важнейших отраслях машиностроения. Их свойства определяются не только химическим составом, но и режимом термообработки. Большая часть процессов придания формы металлу происходит при нагреве и завершается отжигом — продолжительной выдержкой при повышенной температуре, которую подбирают так, чтобы в итоге сформировалась структура с нужными прочностными свойствами.

Главный процесс, который запускается при таком нагреве, — рекристаллизация. Он начинается с небольших областей — зародышей, которые разрастаются и поглощают соседние. Чтобы получить на выходе прочную деталь без дефектов, инженеру нужно заранее предсказать, как именно будут появляться и расти эти зародыши при конкретной температуре.

Проблема — в отсутствии физически обоснованного описания того, как формируются зародыши новых, малодефектных зерен. Без этого инженеры вынуждены подбирать режимы термообработки экспериментально, выпуская одну опытную партию за другой. Для крупных деталей авиадвигателей или энергоустановок стоимость бракованной партии может исчисляться миллионами рублей, а подбор режима растягивается на месяцы и годы.

Еще серьезнее, если дефект структуры останется незамеченным: трещина в лопатке турбины грозит разрушением двигателя в полете, а ослабленный сварной шов в реакторе — аварийным остановкам производства. Там же, где физически обоснованное описание процесса все же существует, расчет настолько ресурсоемок, что занимает недели машинного времени, — для реального производства это неприемлемо.

Для решения этой проблемы, ученые Пермского Политеха усовершенствовали компьютерную модель, которая предсказывает поведение сплава при нагреве с точностью около 99 %. В основе метода — описание реальной геометрии структуры с помощью многогранников Лагерра. Это особый класс трехмерных ячеистых разбиений, который точно повторяет форму реальных зерен и субзерен в металле: каждый такой элемент в модели представлен отдельным объемным многогранником. Такое описание позволяет учитывать форму, размер и взаимное расположение субзерен, а также то, как они взаимодействуют друг с другом и с упрочняющими частицами при нагреве.

Чтобы убедиться в корректности модели, ученые провели вычислительные эксперименты на сплаве Inconel 718. Он является одним из самых востребованных жаропрочных материалов, который применяется в авиационных двигателях, нефтехимическом оборудовании и атомной энергетике. В модели имитировали нагрев виртуального образца в диапазоне 200–340 °C и сравнивали полученные предсказания с результатами реальных лабораторных опытов. Максимальное отклонение расчета от реальных данных составило не более 1,15 %, а на этапе подбора параметров — всего 0,42 %. Это значит, что цифровой расчет описывает структуру металла практически так же точно, как наблюдение под микроскопом.

«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.

Кроме того, модель помогает разглядеть редкое, но опасное явление — аномальный рост отдельных зерен, когда некоторые кристаллы внезапно вырастают гораздо крупнее соседей. Такие области становятся слабыми местами детали и часто служат отправной точкой для усталостных трещин. Расчет позволяет заранее предсказать, при каких температурах и временах выдержки риск их появления минимален.

Авторы отмечают, что разработанный ими цифровой инструмент можно расширять, добавляя описание других особенностей структуры материала, а получаемые зависимости встраивать в модели более крупного масштаба, вплоть до расчета прочности готовой детали. Это поможет инженерам подбирать режимы термообработки никелевых сплавов так, чтобы детали сразу приобретали требуемые свойства, что сократит число дорогостоящих натурных экспериментов на стадии разработки изделий.

Источник: Официальный ресурс Министерства образования и науки Российской Федерации