Enhancement of Vacuum Induction Melting through Numerical and Experimental Investigation

Abstract

The aeronautic industry is renowned for its remarkable level of innovation and development of products and processes. A constant pursuit in this field is enhancing the thermodynamic efficiency of engine cycles through the utilization of high-performance materials like nickel-based alloys in turbine and compressor components. The complex and precise chemical composition of these alloys necessitates advanced manufacturing processes. To achieve components of superior metallurgical quality with complex geometries and near-net-shaped criteria, the investment casting technology and Vacuum Induction Melting (VIM) are effectively combined. The success of VIM technology lies in its vacuum atmosphere, which minimizes oxidation and the removal of alloying chemical elements from the liquid metal, ensuring precise composition of the final component. Moreover, it achieves high electrical efficiency through magnetic induction and resistive heating within the metal, along with rapid melting cycles. Although, the complex control of the process is challenging due to the coexistence of multiple physical phenomena during melting and various process variables, hindering the process improvement. In this field, numerical tools based on models are the optimal choice due to their balance between accuracy, speed, and cost. This research project aims to enhance the VIM process by developing multi-physics models encompassing the main physical phenomena, including magnetic fields, fluid dynamics, and heat transfer, in a coupled manner. These models will be integrated and capture the interactions between these different fields while also allowing for the study of the impact of various process variables and deepening the understanding of VIM technology. To validate the theoretical studies, a comparison with experimental references is necessary. Therefore, specific experimental tests have been designed and conducted at the laboratory-scale VIM furnace to obtain real process references. In this manner, it has been possible to correlate with the numerical results and determine the uncertainty of the simulations. Once the validated tool is obtained, several case studies have been considered, incorporating different configurations of industrial-scale VIM furnaces and dynamic operating conditions based on real melting procedures. Finally, an improved melting procedure is proposed, aiming to increase thermal efficiency and reduce the process cycle time.

Industria aeronautikoa bere produktuen eta prozesuen etengabeko berrikuntza eta garapen maila nabarmenagatik aintzatesten da. Arlo horretan, hegazkin motorren ziklo termodinamikoaren eraginkortasuna etengabe hobetu nahi da, errendimendu handiko materialak erabiliz, hala nola nikeloinarrizko superaleazioak turbina eta konpresoreen osagarrientzako. Nikel aleazio horien konposizio kimiko konplexu eta zehatzak fabrikazio metodo aurreratuak eskatzen ditu. Kalitate metalurgiko handiagoko osagaiak lortzeko, geometria konplexuekin eta azken formatik hurbil dauden irizpideekin, modu eraginkorrean konbinatzen dira argizari galduan moldekatzeko teknologiak eta hutsean indukzio bidezko fusioa edo Vacuum Induction Melting (VIM). VIM teknologiaren arrakasta bere hutseko atmosfera eta inertean datza, metal likidoaren elementu aleatzaileen oxidazioa eta deuseztapena minimizatzen dituena, metalaren konposizio zehatza ziurtatuz. Gainera, eraginkortasun elektriko handia lortzen du indukzio magnetikoaren bitartez izan ere urtu beharreko metala zuzenean berotzen da energia elektrikoa bero erresistiboa bilakatuaz eta horrela fusio ziklo azkarrak lortuaz. Hala ere, prozesuaren kontrol konplexuak erronkak ditu, fusioan zehar hainbat fenomeno fisiko eta prozesuaren hainbat aldagai batera ematen direlako honek prozesuaren optimizazioa zailtzen duelarik. Eremu honetan, modeloetan oinarritutako erremienta numerikoak dira soluziorik onena, doitasunaren, abiaduraren eta kostuaren arteko oreka dela eta. Ikerketa-proiektu honen helburua VIM fusio-prozesua hobetzean datza, fenomeno fisiko nagusiak barne hartzen dituzten modelo multi-fisikoak garatuz, eremu magnetikoak, fluidoen dinamika eta berotransferentzia. Modelo horiek eremu horien arteko elkarrekintzak modu integratu batean erreproduzituko dituzte, eta, era berean, prozesuko hainbat aldagairen inpaktua aztertzea eta VIM teknologiaren konpresioan sakontzea ahalbidetuko dute. Emaitza numeriko teorikoak balioztatzeko, erreferentzia esperimentalekin alderatzea eta korrelazioa nahitaezkoa da. Horretarako, laborategiko eskalako VIM labe batean entsegu espezifikoak diseinatu eta burutu dira. Prozesuaren erreferentzia esperimental hauekin emaitza numerikoak alderatu izan dira eta simulazioen ziurgabetasuna zehaztu, eta behar izandako kasuetan errorea zuzenduaz. Balioztatutako tresna definitu ondoren, hainbat estudio-kasu hartu dira kontuan, industria-eskalako VIM labeen konfigurazio desberdinak eta fusio prozedura errealetan oinarritutako baldintza operatibo dinamikoak ikertuaz. Azken batean, fusio prozedura hobetua proposatzen da, eraginkortasun termikoa handitzeko eta prozesuaren zikloaren denbora murrizteko.

La industria aeronáutica es reconocida por su notable nivel de innovación y desarrollo continuo de sus productos y procesos. En este campo, se persigue constantemente mejorar la eficiencia termodinámica de los ciclos de los motores mediante el uso de materiales de alto rendimiento, como las aleaciones base de níquel en los componentes de la turbina y compresor. La composición química compleja y precisa de estas aleaciones requiere procesos de fabricación avanzadas. Para lograr componentes de calidad metalúrgica superior, con geometrías complejas y criterios cercanos a la forma final, se combinan de manera efectiva las tecnologías de moldeo a la cera perdida y la fusión por inducción en vacío o Vacuum Induction Melting (VIM). El éxito de la tecnología VIM radica en su atmósfera de vacío e inerte, que minimiza la oxidación y la eliminación de elementos aleantes del metal líquido, asegurando una composición precisa del componente final. Además, logra una alta eficiencia eléctrica mediante la inducción magnética y el calentamiento resistivo dentro del propio metal a fundir, junto con ciclos de fusión rápidos. Sin embargo, el control complejo del proceso presenta desafíos debido a la coexistencia de múltiples fenómenos físicos durante la fusión y diversas variables del proceso, dificultando la optimización del proceso. En este campo, las herramientas numéricas basadas en modelos es la solución óptima debido a su equilibrio entre precisión, velocidad y coste. El objetivo de este proyecto de investigación es mejorar el proceso de fusión VIM mediante el desarrollo de modelos multi-físicos que abarquen los principales fenómenos físicos, incluyendo campos magnéticos, dinámica de fluidos y transferencia de calor y el acoplamiento entre las mismas. Estos modelos integrarán y capturarán las interacciones entre estos diferentes campos, permitiendo también el estudio del impacto de diversas variables del proceso, así como ahondar en la compresión de las dinámicas internas del proceso VIM. Para validar los estudios teóricos, es necesaria una comparación y correlación con referencias experimentales. Por lo tanto, se han diseñado y realizado ensayos específicos en un horno VIM a escala de laboratorio para obtener referencias reales del proceso. Así, se han correlacionado con los resultados numéricos y determinado la incertidumbre de las simulaciones, pudiendo corregir la desviación en los casos necesarios. Una vez obtenida la herramienta validada, se han considerado varios casos de estudio, incorporando diferentes configuraciones de hornos VIM a escala industrial y condiciones operativas dinámicas basadas en condiciones operativas reales de fusión. En última instancia, se propone un procedimiento de fusión mejorado con el objetivo de aumentar la eficiencia térmica y reducir el tiempo del ciclo del proceso.