Том 25 № 4 2023 1 СОДЕРЖАНИЕ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ СОУЧРЕДИТЕЛИ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» ООО НПКФ «Машсервисприбор» ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР Батаев Анатолий Андреевич – профессор, доктор технических наук, ректор НГТУ ЗАМЕСТИТЕЛИ ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА Иванцивский Владимир Владимирович – доцент, доктор технических наук Скиба Вадим Юрьевич – доцент, кандидат технических наук Ложкина Елена Алексеевна – редактор перевода текста на английский язык, кандидат технических наук Перепечатка материалов из журнала «Обработка металлов» возможна при обязательном письменном согласовании с редакцией журнала; ссылка на журнал при перепечатке обязательна. За содержание рекламных материалов ответственность несет рекламодатель. 16+ РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ Председатель совета Пустовой Николай Васильевич – доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, член Национального комитета по теоретической и прикладной механике, президент НГТУ, г. Новосибирск (Российская Федерация) Члены совета Федеративная Республика Бразилия: Альберто Морейра Хорхе, профессор, доктор технических наук, Федеральный университет, г. Сан Карлос Федеративная Республика Германия: Монико Грайф, профессор, доктор технических наук, Высшая школа Рейн-Майн, Университет прикладных наук, г. Рюссельсхайм, Томас Хассел, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен, Флориан Нюрнбергер, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен Испания: Чувилин А.Л., кандидат физико-математических наук, профессор, научный руководитель группы электронной микроскопии «CIC nanoGUNE», г. Сан-Себастьян Республика Беларусь: Пантелеенко Ф.И., доктор технических наук, профессор, член-корреспондент НАН Беларуси, Заслуженный деятель науки Республики Беларусь, Белорусский национальный технический университет, г. Минск Украина: Ковалевский С.В., доктор технических наук, профессор, проректор по научно-педагогической работе Донбасской государственной машиностроительной академии, г. Краматорск Российская Федерация: Атапин В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Балков В.П., зам. ген. директора АО «ВНИИинструмент», канд. техн. наук, г. Москва, Батаев В.А., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Буров В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Коротков А.Н., доктор техн. наук, профессор, академик РАЕ, КузГТУ, г. Кемерово, Лобанов Д.В., доктор техн. наук, доцент, ЧГУ, г. Чебоксары, Макаров А.В., доктор техн. наук, член-корреспондент РАН, ИФМ УрО РАН, г. Екатеринбург, Овчаренко А.Г., доктор техн. наук, профессор, БТИ АлтГТУ, г. Бийск, Сараев Ю.Н., доктор техн. наук, профессор, ИФПМ СО РАН, г. Томск, Янюшкин А.С., доктор техн. наук, профессор, ЧГУ, г. Чебоксары Журнал входит в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук». Полный текст журнала «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» теперь можно найти в базах данных компании EBSCO Publishing на платформе EBSCOhost. EBSCO Publishing является ведущим мировым агрегатором научных и популярных изданий, а также электронных и аудиокниг. ИЗДАЕТСЯ С 1999 г. Периодичность – 4 номера в год ИЗДАТЕЛЬ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВИНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory» Журнал награжден в 2005 г. Большой Золотой Медалью Сибирской Ярмарки за освещение новых технологий, инструмента, оборудования для обработки металлов Журнал зарегистрирован 01.03.2021 г. Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия. Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-80400 Индекс: 70590 по каталогу OOO «УП УРАЛ-ПРЕСС» Адрес редакции и издателя: 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), корп. 5. Тел. +7 (383) 346-17-75 Сайт журнала http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Цена свободная Журнал «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» индексируется в крупнейших в мире реферативнобиблиографическихи наукометрических базах данных Web of Science и Scopus.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 4 2023 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Акинцева А.В., Переверзев П.П. Моделирование взаимосвязи силы резания с глубиной резания и объемами снимаемого металла единичными зернами при плоском шлифовании.................................................................................................................... 6 Шарма Ш.С., Йоши А., Раджпут Й.С. Систематический обзор технологий производства металлической пены...................... 22 Карлина Ю.И., Кононенко Р.В., Иванцивский В.В., Попов М.А., Дерюгин Ф.Ф., Бянкин В.Е. Обзор современных требований к сварке трубных высокопрочных низколегированных сталей................................................................................................. 36 Старцев Е.А., Бахматов П.В. Влияние режимов дуговой автоматической сварки на геометрические параметры шва стыковых соединений из низкоуглеродистой стали, выполненных с применением экспериментального флюса.............................. 61 Мартюшев Н.В., Козлов В.Н., Ци М., Багинский А.Г., Хань Ц., Бовкун А.С. Фрезерование заготовок из мартенситной стали 40Х13, полученных с помощью аддитивных технологий.......................................................................................................... 74 Логинов Ю.Н., Замараева Ю.В. Оценка схемы многоканального углового прессования прутков и возможности ее применения на практике................................................................................................................................................................................. 90 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Раджпут Й.С., Шарма А.К., Мишра В.Н., Саксена К., Дипак Д., Шарма Ш.С. Влияние геометрии наконечника сварочного инструмента на характеристики растяжения соединений сплава АА8011, полученных сваркой трением с перемешиванием.... 105 Чинчаникар С., Гейдж М.Г. Моделирование рабочих характеристик и мультикритериальная оптимизация при токарной обработке нержавеющей стали AISI 304 (12Х18Н10Т) резцами с износостойким покрытием и с износостойким покрытием, подвергнутым микропескоструйной обработке.................................................................................................................................... 117 Гуле Г.С., Санап С., Чинчаникар С. Точение стали AISI 52100 с наложением ультразвуковых колебаний: сравнительная оценка и моделирование с использованием анализа размерностей.................................................................................................... 136 Пивкин П.М., Ершов А.А., Миронов Н.Е., Надыкто А.Б. Влияние формы тороидальной задней поверхности на углы режущего клина и механические напряжения вдоль режущей кромки сверла.................................................................................. 151 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Соколов Р.А., Муратов К.Р., Венедиктов А.Н., Мамадалиев Р.А. Влияние внутренних напряжений на интенсивность коррозионных процессов конструкционной стали......................................................................................................................... 167 Клименов В.А., Колубаев Е.А., Хань Ц., Чумаевский А.В., Двилис Э.С., Стрелкова И.Л., Дробяз Е.А., Яременко О.Б., Куранов А.Е. Модуль упругости и твердость титанового сплава, сформировавшегося в условиях электронного лучевого сплавления при 3D-печати проволокой................................................................................................................................................. 180 Воронцов А.В., Филиппов А.В., Шамарин Н.Н., Москвичев Е.Н., Новицкая О.С., Княжев Е.О., Денисова Ю.А., Леонов А.А., Денисов В.В. In situ анализ кристаллической решетки нитридных однокомпонентных и многослойных покрытий ZrN/CrN в процессе термоциклирования............................................................................................................................................... 202 Рубцов В.Е., Панфилов А.О., Княжев Е.О., Николаева А.В., Черемнов А.М., Гусарова А.В., Белобородов В.А., Чумаевский А.В., Гриненко А.В., Колубаев Е.А. Влияние высокоэнергетического воздействия при плазменной резке на структуру и свойства поверхностных слоёв алюминиевых и титановых сплавов............................................................................................... 216 Бобылёв Э.Э., Стороженко И.Д., Маторин А.А., Марченко В.Д. Особенности формирования Ni-Cr покрытий, полученных диффузионным легированием из среды легкоплавких жидкометаллических растворов.................................................................. 232 Бурков А.А., Коневцов Л.А., Дворник М.И., Николенко С.В., Кулик М.А. Формирование и исследование свойств покрытий из металлического стекла FeWCrMoBC на стали 35............................................................................................................ 244 Шарма Ш.С., Хатри Р., Йоши А. Синергетический подход к разработке легкого пористого металлического пеноматериала на основе алюминия с использованием литейно-металлургического метода.................................................................................... 255 Строкач Е.А., Кожевников Г.Д., Пожидаев А.А., Добровольский С.В. Моделирование эрозионного износа титанового сплава высокоскоростным потоком частиц........................................................................................................................................... 268 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 284 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 295 Корректор Е.Е. Татарникова Художник-дизайнер А.В. Ладыжская Компьютерная верстка Н.В. Гаврилова Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции Издание соответствует коду 95 2000 ОК 005-93 (ОКП) Подписано в печать 01.12.2023. Выход в свет 15.12.2023. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 37,0. Уч.-изд. л. 68,82. Изд. № 209. Заказ 296. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 25 No. 4 2023 3 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL BOARD EDITOR-IN-CHIEF: Anatoliy A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Rector, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation DEPUTIES EDITOR-IN-CHIEF: Vladimir V. Ivancivsky, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Vadim Y. Skeeba, Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Editor of the English translation: Elena A. Lozhkina, Ph.D. (Engineering), Department of Material Science in Mechanical Engineering, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation The journal is issued since 1999 Publication frequency – 4 numbers a year Data on the journal are published in «Ulrich's Periodical Directory» Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”) has been Indexed in Clarivate Analytics Services. Novosibirsk State Technical University, Prospekt K. Marksa, 20, Novosibirsk, 630073, Russia Tel.: +7 (383) 346-17-75 http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Journal “Obrabotka Metallov – Metal Working and Material Science” is indexed in the world's largest abstracting bibliographic and scientometric databases Web of Science and Scopus. Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working & Material Science”) has entered into an electronic licensing relationship with EBSCO Publishing, the world's leading aggregator of full text journals, magazines and eBooks. The full text of JOURNAL can be found in the EBSCOhost™ databases.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 4 2023 4 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL COUNCIL CHAIRMAN: Nikolai V. Pustovoy, D.Sc. (Engineering), Professor, President, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation MEMBERS: The Federative Republic of Brazil: Alberto Moreira Jorge Junior, Dr.-Ing., Full Professor; Federal University of São Carlos, São Carlos The Federal Republic of Germany: Moniko Greif, Dr.-Ing., Professor, Hochschule RheinMain University of Applied Sciences, Russelsheim Florian Nürnberger, Dr.-Ing., Chief Engineer and Head of the Department “Technology of Materials”, Leibniz Universität Hannover, Garbsen; Thomas Hassel, Dr.-Ing., Head of Underwater Technology Center Hanover, Leibniz Universität Hannover, Garbsen The Spain: Andrey L. Chuvilin, Ph.D. (Physics and Mathematics), Ikerbasque Research Professor, Head of Electron Microscopy Laboratory “CIC nanoGUNE”, San Sebastian The Republic of Belarus: Fyodor I. Panteleenko, D.Sc. (Engineering), Professor, First Vice-Rector, Corresponding Member of National Academy of Sciences of Belarus, Belarusian National Technical University, Minsk The Ukraine: Sergiy V. Kovalevskyy, D.Sc. (Engineering), Professor, Vice Rector for Research and Academic Aff airs, Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk The Russian Federation: Vladimir G. Atapin, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Victor P. Balkov, Deputy general director, Research and Development Tooling Institute “VNIIINSTRUMENT”, Moscow; Vladimir A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Vladimir G. Burov, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Aleksandr N. Korotkov, D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University, Kemerovo; Dmitry V. Lobanov, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary; Aleksey V. Makarov, D.Sc. (Engineering), Corresponding Member of RAS, Head of division, Head of laboratory (Laboratory of Mechanical Properties) M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Russian Academy of Sciences (Ural Branch), Yekaterinburg; Aleksandr G. Ovcharenko, D.Sc. (Engineering), Professor, Biysk Technological Institute, Biysk; Yuriy N. Saraev, D.Sc. (Engineering), Professor, Institute of Strength Physics and Materials Science, Russian Academy of Sciences (Siberian Branch), Tomsk; Alexander S. Yanyushkin, D.Sc. (Engineering), Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary
Vol. 25 No. 4 2023 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Akintseva A.V., Pereverzev P.P. Modeling the interrelation of the cutting force with the cutting depth and the volumes of the metal being removed by single grains in fl at grinding........................................................................................................................................ 6 Sharma S.S., Joshi A., Rajpoot Y.S. A systematic review of processing techniques for cellular metallic foam production................. 22 Karlina Yu.I., Kononenko R.V., Ivantsivsky V.V., Popov M.A., Deryugin F.F., Byankin V.E. Review of modern requirements for welding of pipe high-strength low-alloy steels.......................................................................................................................................... 36 Startsev E.A., Bakhmatov P.V. The infl uence of automatic arc welding modes on the geometric parameters of the seam of butt joints made of low-carbon steel, made using experimental fl ux......................................................................................................................... 61 Martyushev N.V., Kozlov V.N., Qi M., Baginskiy A.G., Han Z., Bovkun A.S. Milling martensitic steel blanks obtained using additive technologies................................................................................................................................................................................ 74 Loginov Yu.N., Zamaraeva Yu.V. Evaluation of the bars’ multichannel angular pressing scheme and its potential application in practice................................................................................................................................................................................................... 90 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Rajpoot Y.S., SharmaA.K., Mishra V.N., Saxena K., Deepak D., Sharma S.S. Eff ect of tool pin profi le on the tensile characteristics of friction stir welded joints of AA8011.................................................................................................................................................... 105 Chinchanikar S., Gadge M.G. Performance modeling and multi-objective optimization during turning AISI 304 stainless steel using coated and coated-microblasted tools........................................................................................................................................................ 117 Ghule G.S., Sanap S., Chinchanikar S. Ultrasonic vibration-assisted hard turning of AISI 52100 steel: comparative evaluation and modeling using dimensional analysis........................................................................................................................................................ 136 Pivkin P.M., Ershov A.A., Mironov N.E., Nadykto A.B. Infl uence of the shape of the toroidal fl ank surface on the cutting wedge angles and mechanical stresses along the drill cutting edge...................................................................................................................... 151 MATERIAL SCIENCE Sokolov R.A., Muratov K.R., Venediktov A.N., Mamadaliev R.A. Infl uence of internal stresses on the intensity of corrosion processes in structural steel....................................................................................................................................................................... 167 Klimenov V.A., Kolubaev E.A., Han Z., Chumaevskii A.V., Dvilis E.S., Strelkova I.L., Drobyaz E.A., Yaremenko O.B., Kuranov A.E. Elastic modulus and hardness of Ti alloy obtained by wire-feed electron-beam additive manufacturing................... 180 Vorontsov A.V., Filippov A.V., Shamarin N.N., Moskvichev E.N., Novitskaya O.S., Knyazhev E.O., Denisova Yu.A., Leonov A.A., Denisov V.V. In situ crystal lattice analysis of nitride single-component and multilayer ZrN/CrN coatings in the process of thermal cycling.......................................................................................................................................................................................... 202 Rubtsov V.E., Panfi lov A.O., Kniazhev E.O., Nikolaeva A.V., Cheremnov A.M., Gusarova A.V., Beloborodov V.A., Chumaevskii A.V., Grinenko A.V., Kolubaev E.A. Infl uence of high-energy impact during plasma cutting on the structure and properties of surface layers of aluminum and titanium alloys................................................................................................................... 216 Bobylyov E.E., Storojenko I.D., Matorin A.A., Marchenko V.D. Features of the formation of Ni-Cr coatings obtained by diff usion alloying from low-melting liquid metal solutions..................................................................................................................................... 232 Burkov А.А., Konevtsov L.А., Dvornik М.И., Nikolenko S.V., Kulik M.A. Formation and investigation of the properties of FeWCrMoBC metallic glass coatings on carbon steel.......................................................................................................................... 244 Sharma S.S., Khatri R., Joshi A. A synergistic approach to the development of lightweight aluminium-based porous metallic foam using stir casting method........................................................................................................................................................................... 255 Strokach E.A., Kozhevnikov G.D., Pozhidaev A.A., Dobrovolsky S.V. Numerical study of titanium alloy high-velocity solid particle erosion.......................................................................................................................................................................................... 268 EDITORIALMATERIALS 284 FOUNDERS MATERIALS 295 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 4 2023 268 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Моделирование эрозионного износа титанового сплава высокоскоростным потоком частиц Евгений Строкач a, *, Глеб Кожевников b, Алексей Пожидаев c, Сергей Добровольский d Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), Волоколамское шоссе, 4, г. Москва, 125993, Россия a https://orcid.org/0000-0001-5376-1231, evgenij.strokatsch@mai.ru; b https://orcid.org/0009-0001-4622-7476, kozhevnikov.mai@yandex.ru; c https://orcid.org/0000-0002-7667-5392, pozhidaev.mai@xmail.ru; d https://orcid.org/0000-0002-1884-1882, dobrovolskiy_s@mail.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2023 Том 25 № 4 с. 268–283 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.4-268-283 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 620.191, 629.017 История статьи: Поступила: 15 сентября 2023 Рецензирование: 29 сентября 2023 Принята к печати: 28 октября 2023 Доступно онлайн: 15 декабря 2023 Ключевые слова: Эрозионный износ Численное моделирование Твердые частицы Ansys FLUENT Shape factor Ti6Al4V CFD Эродирование твердыми частицами GEKO Эрозия сплава Модель турбулентности Финансирование Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки России, тема FSFF-2023-0006. Благодарности Исследования частично выполнены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов» (соглашение с Минобрнауки № 13.ЦКП.21.0034). АННОТАЦИЯ Введение. Прогнозирование износа деталей твердыми частицами в газовом потоке и управление его интенсивностью требует построения полноценной методики моделирования. Это связано с проведением большого количества частных исследований чувствительности и влияния параметров моделей разных физических процессов и последующей верификации результатов. Целью работы являлась разработка такой методики для частного случая – нормального натекания высокоскоростного потока твердых частиц кварца с неравномерным распределением по размерам на поверхность образца из сплава Ti6Al4V с помощью CFD-методов. Методы. Течение газа описывалось уравнениями Навье – Стокса, осредненными по Рейнольдсу, где частицы, согласно Эйлер-Лагранжевой постановке, представлялись математическими точками с соответствующими свойствами. В работе исследовалось влияние двух параметрических моделей турбулентности, k-epsilon standard и RNG k-epsilon, а также относительно новой модели GEKO и ее параметров. На примере Oka и DNV оценивалось влияние моделей эрозии на интегральную скорость эродирования. В ходе исследования был затронут вопрос влияния формы частиц на профиль износа и итоговую скорость эродирования. Результаты моделирования сравнивались со специально проведенным лабораторным экспериментом, который позволил определить профиль износа и скорость уноса материала (скорость эродирования). Результаты и обсуждение. Результаты показали, что ни расчетный профиль износа, ни расчетная скорость эродирования не зависят от рассмотренных моделей турбулентности и их настроек. Наоборот, расчетная скорость износа ожидаемо существенно зависит от выбора полуэмпирической модели эрозии и калибровки коэффициентов. Интересным оказалось влияние коэффициента формы на расчетную картину износа и итоговую расчетную скорость эродирования. При увеличении лобового сопротивления за счет изменения формы частиц снижалась скорость эрозии, а профиль износа перестраивался вслед за частицами к форме кратера, сходной с экспериментальной. Ожидается, что наблюдаемые результаты будут полезны не только для прогнозирования износа в деталях и механизмах различных видов техники, но и при управлении износом, режимами обработки поверхностей для дробеударного упрочнения и формообразования. Для цитирования: Моделирование эрозионного износа титанового сплава высокоскоростным потоком частиц / Е.А. Строкач, Г.Д. Кожевников, А.А. Пожидаев, С.В. Добровольский // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2023. – Т. 25, № 4. – С. 268–283. – DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.4-268-283. ______ *Адрес для переписки Строкач Евгений Александрович, к.т.н., ведущий инженер Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), Волоколамское шоссе, 4, 125993, г. Москва, Россия Тел.: +7 (916) 338-63-66, e-mail: evgenij.strokatsch@mai.ru Введение Известно, что эрозия твердыми частицами (в частности, в газовом потоке) является распространенной проблемой в аэрокосмической, энергетической, автомобильной и других областях. К настоящему моменту изучение этого
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 4 2023 269 MATERIAL SCIENCE явления породило массу экспериментальных работ для разных материалов частиц, материалов поверхности и покрытий, условий натекания, характеристик частиц и т. п. [1–9] Создано, применяется и перманентно уточняется множество эмпирико-аналитических подходов для инженерной оценки скорости эродирования: методы на базе подходов Finnie, Bitter, Oka, Tabakoff и др. В последнее время активно развивались численные методы моделирования как на базе методов CFD (computational fl uid dynamics, вычислительной гидрогазодинамики), применимых для инженерного повседневного анализа, так и на основе FEA (Finite element analysis) и SPH (Smooth particle hydrodynamics) и его производных, позволяющих изучить процессы на микроуровне [1, 9–14]. Ранее был представлен небольшой обзор тенденций в методах моделирования эрозии на примере некоторых работ, применяющих CFD и FEA [8]. Одним из самых популярных тестов для моделирования и верификации служила система из одного и более изогнутых под 90° каналов, где под действием несущей фазы (чаще всего воздуха) частицы разгонялись и эродировали поверхность [2, 3, 15]. В работах с CFD для моделирования движения частиц, как правило, используется подход Эйлера – Лагранжа, представляющий группы частиц математическими точками с заданными массой, материалом и размерами [16–18]. В публикациях авторы сравнивают и рекомендуют разные модели турбулентности (как правило, расчеты проводятся на основе системы осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье – Стокса) и полуэмпирические модели эрозии в зависимости от задачи. Большую обзорную работу в части применения CFD и эмпирико-аналитических зависимостей провели Shinde и др. [1]. Авторы подтверждают применимость CFD по точности для широкого круга задач и подчеркивают, что все еще требуется разработка новых эмпирикоаналитических зависимостей, а также важность оценки угла падения частиц, который зачастую зависит от несущей фазы. Выводы, полученные при анализе эрозионного износа частицами в потоке несжимаемой жидкости (slurry erosion), применимы и для эродирования в газовой среде. Так, H. Arabnejad [19] и A. Mansouri [20], представители группы E/CRC, разработали и верифицировали эмпирико-аналитические зависимости на основе разделения деформационного и абразивного типа износа, как ранее предлагал Bitter [6, 7]. Эти модели включают большое количество параметров, связанных с формой частиц, условиями натекания и материалом поверхности. В целом указанные зависимости имеют высокий потенциал применения и для моделирования эрозии в газообразной среде. Современный анализ работ с FEA- и SPHмоделированием эрозии частицами также реализовался в ряд обзоров за авторством R. Tarodiya и A. Levy, A. Krella, V. Bonu и H. Barshilia, A. Fardan [9–12]. За счет возможности в явном виде смоделировать столкновение частиц с поверхностью современные работы направлены на уточнение подходящих моделей материалов, описывающих их пластичное поведение и условия разрушения; влияние температуры образца; оценки эффективности покрытий; изучение влияния формы и размера частиц в явном виде, а также условий натекания частиц: скоростей, взаимного столкновения, углов падения, вращения частиц [21–28]. Несмотря на большие усилия по построению методики моделирования эрозии твердыми частицами для групп материалов или условий, к настоящему моменту не только не удалось сформировать обобщенную методику, включающую в себя микро- и макроуровень описания процесса, но продолжаются исследования частных явлений и влияния настроек математических моделей процессов, важных в конкретном случае. Внимание в настоящей работе уделено моделированию эродирования поверхности популярного титанового сплава Ti6Al4V потоком частиц SiO2 в воздушной среде. Такое моделирование в первую очередь требует точного описания течения газа и, в случае применения наиболее распространенного подхода – осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье – Стокса (RANS), делает необходимым выбор модели турбулентности. Моделирование эрозии с помощью CFD также связано с использованием метода оценки скорости уноса материала поверхности в зависимости от условий падения частиц. В этом качестве, как правило, выступают эмпирико-аналитические методы, которые опираются на эмпирически обоснованные коэффициен-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 4 2023 270 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ ты для узкого круга условий. Эти коэффициенты зачастую требуют настройки и оценки чувствительности модели к их варьированию. Как было отмечено, многие авторы при CFD-моделировании процесса эродирования частицами исследовали влияние моделей турбулентности. Однако большинство этих работ выполнены для невысоких скоростей натекания гетерогенной смеси на поверхность (менее 150–200 м/с) и не включали в себя относительно новой модели Generalized equation k-omega (GEKO) [29–31], которая может быть откалибрована несколькими коэффициентами для моделирования конкретной задачи без потери ее связности и физичности. Поэтому в настоящей работе уделено отдельное внимание модели GEKO в сравнении с распространенными k-epsilon standard и RNG. Кроме того, в основном в имеющихся публикациях рассматривается эрозия частицами одного диаметра или узкого диапазона. Учет неравномерности распределения может существенно влиять на формирование гетерогенной струи, в итоге меняя и профиль износа на поверхности. В данном исследовании частицы имеют диапазон 2–63 мкм со смещением в сторону мелких диаметров. Таким образом, целью работы являлось изучение подхода к CFD-моделированию частного случая натекания высокоскоростной гетерогенной струи с существенно неравномерным размерным распределением частиц на образец из Ti6Al4V. В связи с ограниченным объемом статьи поставленные задачи охватывали исследование влияния на расчетную скорость износа выбора моделей турбулентности и их настроек; выбора модели эрозии и их настроечных коэффициентов; формы частиц. Кроме того, для оценки работоспособности выбранного подхода сравнивались интегральные значения расчетной и экспериментальной скоростей эродирования, сопоставлялись расчетные профили удельной скорости эрозии и экспериментальный профиль уноса материала. Ожидается, что выводы могут быть полезны для формирования не только части методики моделирования процесса эродирования, но и технологических процессов обработки сплавов – в первую очередь поверхностного упрочнения и дробеударного формообразования. Методика исследований Эксперимент В работе использовался лабораторный экспериментальный стенд для исследования эрозии поверхности при воздействии гетерогенного потока. Принцип работы состоял в подаче частиц кварца в смесительную камеру, где смесь газа (в данном случае воздуха) и частиц подавалась в ускоритель, представляющей собой сопло Лаваля, в котором гетерогенный поток под действием разницы давлений разгонялся и попадал на неподвижно закрепленный образец. Основными параметрами, характеризующими экспериментальную точку, были давление на входе в ускоритель и исходная температура газа. Такая постановка позволяет исследовать износ для разных углов натекания частиц, температур и скоростей. Оцениваемыми результатами испытаний являлись форма кратера и унос материала образца, позволяющий оценить скорость износа. Расход частиц на каждой экспериментальной точке составлял 7,64e–6 кг/с в течение 5 минут, температура – 140 °С, давление в ускорителе – 5,75 бар. Срез ускорителя располагался на расстоянии 20 мм от образца, закрепленного под углом 90° к положению ускорителя. Распределение частиц SiO2 по размерам представлено на рис. 1. В спектре преобладали очень мелкие фракции, а максимальный эквивалентный диаметр частиц составлял 63 мкм. 0,1 1 10 100 1000 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100 диаметр частиц, мкм % от общего количества Рис. 1. Распределение частиц по размерам (количественное) Fig. 1. Particle size distribution
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 4 2023 271 MATERIAL SCIENCE Постановка и геометрическая модель Из-за отсутствия экспериментальных данных о распределении скоростей потока и частиц в областях ускорителя при натекании на образец, для их учета при оценке скорости эродирования требовалось моделирование всего ускорителя, что привело к формированию цельной расчетной области внутри ускорителя и между срезом сопла трубки и эродируемой поверхностью. Общий вид трубки ускорителя с соплом представлен на рис. 2. Двухфазный поток частиц и воздуха поступает в сопло Лаваля, ускоряется и через трубку истекает на образец из титанового сплава Ti6Al4V. Исходя из осесимметричности задачи, область движения двухфазного потока можно представить в двумерной осесимметричной постановке, что повышает устойчивость расчета и экономит вычислительные ресурсы. Полноценная модель расчетной области строилась из Рис. 2. Модель ускорителя: 1 – смеситель; 2 – сужающийся участок ускорителя; 3 – расширяющийся участок ускорителя Fig. 2. Flow accelerator model: mixer (1); converging part (2); diverging part (3) Рис. 3. Схема расчетной области: 1 – область ускорителя; 2 – область свободного истечения на образец; 3 – ГУ входа (смесь газа с частицами); 4 – стенка; 4.1 – область стенки, соответствующая образцу; 5 – ГУ выхода Fig. 3. 2d axisymmetrical schematic diagram and boundary conditions: accelerator area (1); outfl ow from accelerator to sample (2); inlet boundary condition (air + particle initialization area) (3); wall boundary condition (4); sample wall BC (4.1); pressure outlet boundary condition (5) двух сеточных областей – ускорителя и области течения между ускорителем и образцом. В пакете ICEM CFD строилась структурированная блочная сетка с относительно высоким безразмерным расстоянием y+ около эродируемой поверхности, что связано с применением масштабируемой функции стенки для моделирования пограничного слоя. Схема с обозначением типов граничных условий (ГУ) представлена на рис. 3. Физические модели / исследование сеточной сходимости Рассматриваемая модель основана на применении уравнений Навье – Стокса, осредненных по Рейнольдсу, для описания движения несущей фазы – воздуха (идеального газа). Осреднение требует учета турбулентных явлений через модель турбулентности, выбор которой может существенно влиять на результаты, а также требуется специальная оценка чувствительности самих моделей и их коэффициентов. Далее рассмотрено влияние моделей на основе уравнений для турбулентной кинетической энергии k, ее скорости диссипации ԑ и моделей на основе k и удельной скорости диссипации ω: k-epsilon standard, k-epsilon RNG, Generalized equation komega (GEKO) [29–31]. Модель k-epsilon standard выбрана как база для многих моделей турбулентности, направленных на описание явлений в ядре потока; RNG – как модель, которая, как считается, дает большую точность для течений с высокими градиентами скоростей, закрученных течений [30]. GEKO является относительно новой моделью на основе k и ω, полная документация которой до сих пор не открыта, а ее осо-
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1