Прямое численное моделирование формирования дендритной структуры металла шва с дисперсными тугоплавкими инокулянтами

Abstract

Исследованы преимущества введения в расплав дисперсных тугоплавких инокулянтов с целью управления и оптимизации первичной структуры металла шва высокопрочных низколегированных сталей. Рассмотрены основные предположения и ограничения предложенной в данной работе модели процесса кристаллизации металла шва. Подробно описана модель кристаллизации расплава с учетом влияния введенных дисперсных тугоплавких инокулянтов. Представлена гипотеза о механизме взаимодействия тугоплавкого инокулянта с движущимся фронтом кристаллизации, которая была принята в расчетах. Описано влияние различных легирующих элементов на поверхностную энергию границы раздела фаз. Описаны граничные условия предложенной модели, реализованной в виде авторского программного обеспечения. Приведены результаты вычислительных экспериментов, показывающие возможность управлять параметрами и морфологией первичной структуры металла шва высокопрочной низколегированной стали путем введения в расплав дисперсных тугоплавких инокулянтов (на примере введения TiO₂). Представлено сопоставление экспериментальных и вычислительных результатов измерения параметров первичной структуры. Разработанная математическая модель и программное обеспечение, написанное на ее основе, подходит для прогнозирования размерных параметров и морфологии первичной структуры металла шва с учетом введенных в сварочную ванну тугоплавких инокулянтов.

Studied were the advantages of alloy feeding with the disperse refractory inoculants for regulation and optimizing the primary structure of high-strength low-alloy steel weld metal. The main assumptions and limitations of a model of weld metal solidification process, proposed in this work, were considered. The model of melt solidification was described in details taking into account effect of the introduced disperse refractory inoculants. A hypothesis was presented on mechanism of interaction of a refractory inoculant with moving solidification front, which was taken in computations. Effect of the different alloying elements on surface energy of phase interface was described. Boundary conditions of the proposed model, realized in form of author software, were described. The results are given of computational experiments showing the possibilities of regulation of parameters and morphology of the primary structure of high-strength low-alloy steel weld metal by means of melt feeding with the disperse refractory inoculants (by example of TiO₂ introduction). Presented is a comparison of experimental and computational results of change of the primary structure parameters. Developed mathematical model and software, written on its basis, are good for prediction of dimensional parameters and morphology of the weld metal primary structure considering refractory inoculants being fed in the weld pool.