НДР III-30-21 № ДР 0121U109433 «Дослідження процесів, що супроводжують одночасну обробку розплаву силумінів різними типами струмів, та визначення умов і параметрів електромагнітного навантаження розплаву, яке забезпечує підвищення показників якості литого металу», замовник – Національна академія наук України, термін виконання науково-дослідної роботи: початок – I кв. 2021 р., закінчення – IV кв. 2023 р., науковий керівник – Цуркін Володимир Миколайович, провідний науковий співробітник, к.ф.-м.н., доцент.
Результат виконання НДР:
Вперше запропоновано для забезпечення підвищення якості металовиробів у ливарному виробництві використовувати новаційний метод обробки рідкого стану розплаву одночасно декількома струмами з різними характеристиками.
Для реалізації цього методу можливо використовувати декілька десятків варіантів комбінацій елементів системи «Електроди – Типи струмів», тому для запропонованого методу можна використовувати поняття «Поліваріантний метод кондукційної електрострумової обробки розплаву» (П – Р).
Для наукового обґрунтування П–Р вперше виконано цикл досліджень методами імітаційного моделювання та фізичного експерименту, результати яких довели широкі функціональні можливості методу. За різних комбінацій елементів системи «Електроди – Типи струму» у РМС утворюються фізичні поля (електромагнітні, акустичні, теплові та поля течій), числові значення АЧХ яких можуть різнитись у декілька разів, а топологія якісно суттєво відрізнятись.
Для забезпечення принципів валідації та верифікації результатів імітаційне моделювання мультифізичних явищ та процесів у РМС виконувалось трьома методами: аналітико-розрахунковим (АРМ); розбиттям масивних провідників на елементарні комірки (М-К); скінчених елементів (МСЕ). Додатково фізичні експерименти підтвердили версії, які отримано при імітаційному моделюванні. У першу чергу, це дозволило отримати результати, які доповнюють один одного та закладають наукові основи теорії енергетичної обробки РМС за принципами П – Р.
Для аналізу механізмів, які складають основу процесів покращення кристалізаційної здатності РМС, виконано всебічний аналіз умов та факторів утворення дисипативних структур (ДС) у відкритій термодинамічній системі рідкого стану, яка оперує вдалині від термодинамічної рівноваги, за умов її енергетичного навантаження. Установлено, що саме ДС сприяють позитивній зміні активаційної здатності елементів атомарного та кластерного рівнів структури задля переводу термодинамічного стану на інший рівень. Внаслідок цього збуджена РМС за механізмами самоорганізації покращує свою кристалізаційну здатність, за якої утворюються умови для більш ефективної кристалізації розплаву зі сприятливими наслідками для литого металу. А саме, формуються: однорідна дрібнодисперсна структура, модифікована евтектика, мінімальна пористість та підвищені показники службових властивостей.
Основні умови формування ДС:
– енергетичну дію на РМС потрібно утворювати з характеристиками
нелінійності та неоднорідності з визначеною дозою густини енергії (для сплавів на основі Al ≈ 108 Дж/м3);
– підсилення флуктацій у локальних зонах РМС;
– утворення «балістичних стрибків» у механізмах дифузії;
– утворення хаосу, за яким виникають біфуркації.
Основні фактори, які виступають рушійною силою утворення ДС:
- бістабільний (тригерний) стан;
- такий, що легко збуджується;
- автоколивальний.
Все це призводить до збільшення ентропії системи (її експорт перевищує імпорт), збільшення вільної енергії Гіббса РМС та утворення додаткового штучного переохолодження.
Експериментальні дослідження виконано при обробці рідкого стану сплаву АК7 та сплаву, близького до складу з АК9М2. Керуючись результатами імітаційного моделювання, обробку виконували струмами АС, ДС, РС та їх сполученням. Отримані результати підтвердили припущення імітаційного моделювання (МСЕ), що для обраного навантаження найбільш сприятливим є сполучення АС + DC та DC + РС. Але другий варіант дозволяє генерувати у розплаві більш нелінійне та неоднорідне ЕМП та вторинні поля. Як наслідок – покращується успішність обробки. В роботі для її визначеності запропоновано використовувати коефіцієнт успішності, який враховує сумарно показники механічних властивостей та мікроструктури. Для сплаву АК7 тимчасовий опір σв виріс на 13 %, відносне видовження δ збільшено у 1,5 рази, а відносне звуження Ψ – отримано на рівні 4,4 %. Для сплаву АК9М2 σв виріс на 10 %, інтерметаліди суттєво здрібнено. Експерименти (post factum) довели наявність сінергетичного ефекту – енерговитрати зменшено практично у 3 рази у зрівнянні з обробкою одним типом струму. Крім того, для П-Р загальні енерговитрати не перевищують 30 кВт·год/т.
Проаналізовано загальні проблеми забезпечення якості литих металовиробів. На жаль, при застосуванні П–Р для пошуку умов та алгоритмів керування потрібно оперувати багатофакторною, багатопараметричною системою. Брак теоретичної та експериментальної інформації не дозволяє на сьогодні вирішити таку проблему. Хоча можливо використовувати локальні системи автоматичного регулювання, для яких потрібно визначити достатню ступінь інтенсивності як процесів навантаження, так і процесів структуроутворення після обробки. На фінішній стадії – тестування виливка – визначаються структура та властивості металовиробу, які можуть підтвердити правомірність обраної стратегії керування.
Таким чином, ми отримали науково обгрунтовані умови для створення інноваційної технології.
