Диссертация (Методики оптимизации процесса лазерного нанесения износостойких покрытий на валы газотурбинных установок), страница 10

Конструкция сопла показана на Рис.3.13.Рис. 3.13. Сопло с регулировкой положения линзы [32]Конкретные размеры сопла рассчитываются по следующей методике.Впервуюочередьмоделируетсягазопорошковыйпоток,чтобыопределить размер выходного отверстия, угол сходимости потока, расстояниеот среза сопла до поверхности обработки.Расчет газопорошкового потока, наиболее оптимально рассчитывается впакете программы FLUENT в соответствии с алгоритмом, представленном наРис. 3.7.

Цель расчета представляет собой получение картины распределенияпорошковых частиц в полете не только качественным образом, но иколичественным.В рабочем окне программы (Рис. 3.14) последовательно задаютсяследущие параметры:-параметры для разбиения расчетной области;-начальные параметры расчетного метода: точность, переменные иконстанты, принятые для конкретного расчета;67-запуск расчета: количество проходов, порядок вывода результатов.В правой области рабочего окна выводится изображение расчетной зоныс цветовым выделением областей ввода, вывода и стен.В строке состояния выводится информация о действиях программы: оходе расчета, загрузки и сохранения результата.Рис. 3.14.

Рабочие окно программы Fluent 14.5:1 – изображение рабочейобласти, 2 – панель начальных условий, 3 – панель настроек,4 – строка состоянияВозможностипрограммыоченьширокиипозволяютвыбиратьсамостоятельно абсолютно любые параметры численного расчета. Изначальнов программе задаются следующие характеристики потока: турбулентный,установившийся,сжимаемый,однородный,внутренний.Врезультатемоделирования можно установить, что поток является ламинарным и приодинаковых постановках задачи выдает абсолютно одинаковые конечныезначения.

В связи с этим в дальнейших расчетах поток принимается какламинарныйдляснижениявременирасчета.Вкачествегеометрииэлементарного объема, при разбиении, выбрается форма тетраэдра. При расчетеиспользуется сначала прямая схема дискретизации в первом приближении, а в68дальнейшем, при проверке – прямая схема во втором приближении.

В качествеглавного граничного условия принимается входной расход газопорошковойструи, которыйявляется варьируемым параметром, а выходное давлениеявляются следствием неразрывности газопорошкового потока.Смоделированный газопорошковый поток показан на Рис. 3.15.Рис. 3.15. Математическая модель газопорошкового потока, полученнаярасчётным путёмХарактер истечения порошка на модели показывает, что все частицывылетают по подобным дугообразным траекториям в ламинарном потоке.Следовательно, газопорошковый поток остается ламинарным даже в болеешироких интервалах скоростей, чем однофазный газовый, благодаря тому, чтомассивные инертные частицы могут стабилизировать его и значительноснижают вероятность образования завихрений.Как видно из Рис.

3.15, модель позволяет изменять параметры перетяжки,расстояние от поверхности, моделировать площадь нанесённого порошковогоматериала. Все эти параметры регулируются в зависимости от материалапорошка, его размеров, расхода.Данная ламинарная модель в дальнейшем используется для расчетапараметров сопла. В расчётах использован сферический порошок Stellite 6 сразмером частиц от 53 до 150 мкм. При моделировании в расчетное сопловпрыскивались именно такие по составу и форме частицы.69При расчете спроектированной модели сопловой насадки задавалисьследующие параметры потока:-расход газа – коаксиального с лазерным лучом и транспортирующегопорошок;-размер частиц порошка;-начальная скорость впрыска частиц в сопловую насадку.Определялись допустимые параметры сопла. Пересечение допустимыхпараметров – это область параметров режима, удовлетворяющих всемтребованиям(диаметр газопорошковой струи и распределениечастицпорошкового пятна в «перетяжке», расстояние от среза сопла до центраперетяжки).Расчет проводится по методу конечных элементов, когда протяженноетрехмерное тело разбивается на элементы в форме тетраэдера.

Размерэлементарной ячейки составляет 0.35 мм. Разбиение объема, находящегося наудалении от поверхности, производится более крупно: размер ячеек составляет1 мм. Переход от зоны с мелким разбиением к объему с крупным разбиениемпроводился с постепенным изменением размера ячеек, с кратностьюувеличения 1,2. Благодаря этому не происходит разрыва сетки и не возникаетошибок с пустыми точками. Результат разбиения спроектированной моделисопла представлен на Рис. 3.16.Рис. 3.16 Разбиение спроектированной модели сопла70Численным расчетом и математическим моделированием процессаистечения газопорошкового потока из сопла, показанного на Рис. 3.13 с двумяконусамивнешнимивнутренним,можнополучитьзавершающиегеометрические размеры сопла, обеспечивающие диаметр перетяжки потока от1 до 5 мм на расстоянии от среза не менее 10 мм.

Угол раскрытия конусадолжен составлять 65 градусов. Такая конструкция позволяет регулироватьдиаметр пятна в зоне наплавки в широких пределах. Это даёт возможностьполучать максимальную ширину наплавляемого материала, что повышаетпроизводительность процесса.3.5.Расчетноеопределениевлиянияпараметровобработкинагазопорошковый потокМатематическое моделирование путём регрессионного анализа позволяетпроверить работоспособность конструкции сопла в процессе лазерной наплавкив реальных условиях действующих факторов процесса и определить влияниепараметров на газопорошковый поток.В частности расчётным путём можно определить:1.

Диаметр перетяжки газопорошкового потока.2. Зазор между срезом сопла и центром перетяжки газопорошковогопотока.3. Скорость частиц в зоне лазерного воздействия при различныхпараметрах струи и частиц.Как известно, при ламинарном истечении расход газа наиболее сильновлияет на скорость частиц, а значит, и на геометрические параметрыгазопорошковой струи. На Рис. 3.17видно, чтоизменение расходатранспортирующего газа существенно влияет на скорость частиц, однако слабозависит от их диаметра в исследованном диапазоне.71Рис.

3.17. Зависимость скорости частиц от размера и расходатранспортирующего газаРазмер частиц и их форма наиболее значительно влияет на параметрыгазопорошковой струи: слишком мелкие частицы не фокусируются, крупные не применимы по технологическим причинам. Из литературы известно, что длялюбых типов сопел наиболее применимыми являются размеры частиц от 10 до120 мкм.НаРис.3.18,3.19представленызависимостипараметровгазопорошкового потока (диаметр перетяжки и зазор от среза сопла доперетяжки) от размеров частиц при различных расходах газов.Рис. 3.18.

Диаметр перетяжки газопорошкового потока при различныхрасходах газа72Из графиков видно, что лишь для диапазона размеров частиц от 20 до 60мкм газопорошковый поток, состоящий из набора частиц с различнымиразмерами, будет иметь минимальный диаметр перетяжки, равный от 2 до 3 ммв широком диапазоне расходов транспортирующего газа: от 6 до 15 л/мин.Рис.

3.19. Зазор от среза сопла до перетяжки газопорошкового потока приразличных расходах газаИз графика (Рис. 3.19) видно, что с ростом размера частиц формированиеперетяжки газопорошкового потока происходит на меньшем расстоянии отсреза сопла, однако при этом диаметр газопорошковой струи заметно растет.Оптимальное сочетание параметров можно получить из двух зависимостей:- по графикам (Рис. 3.18) диаметр перетяжки газопорошкового потокасоставляет от 2 до 4 мм для частиц размером 20 – 60 мкм.- по графикам (Рис.

3.19) для этих же диапазонов размеров частиц ирасходов газа допустимый зазор составляет от 13 до 20 мм.73ВЫВОДЫ ГЛАВЫ 31.На основе имеющихся сведений выбран метод коаксиальной подачипорошка для процесса нанесения покрытий из материала Stellit 6 наповерхность валов энергетического оборудования.2.Представлена методика расчёта потоков газа и порошка черезкоаксиальное сопло, позволяющая определить оптимальные размеры сопла,диаметр струи порошка, расстояние между срезом сопла и обрабатываемойповерхностью, что позволяет оптимизировать технологические параметрыпроцесса обработки.3.Проведён расчёт угла раскрытия сопла, который составил 65градусов, что позволяет регулировать диаметр пятна в зоне наплавки в широкихпределах. За счёт этого можно получать максимальную ширину наплавляемогоматериала и , соответственно, высокую производительность процесса.4.Путемрегрессионногоматематическогоанализадлямоделированиявыбранныхматериаловсприменениемоптимизированыпараметры газопорошковой струи.

В частности, выбран диапазон значенийдиаметра перетяжкигазопорошкового потока от 2 до 4 мм для частицразмером 20 – 60 мкм и диапазон допустимых значений зазора между срезомсопла и обрабатываемой поверхностью от 13 до 20 мм.74Глава4.МЕТОДИКИОПТИМИЗАЦИИРЕЖИМОВНАНЕСЕНИЯИЗНОСОСТОЙКИХ СЛОЁВ ЛАЗЕРНЫМ МЕТОДОМВ данной главе рассмотрены методики оптимизации параметровнанесения покрытий из порошкового материала Stellite 6 методом лазернойкооксиальной подачи на поверхность стали AISI 4340. Данная технологиярассматриваетсяприменительнокнанесениюпокрытийнавалыэнергетического оборудования, изготовленные из указанной стали.4.1.

Экспериментальная методикаОтработку методики проводили на образцах в виде пластин из стали AISI4340 на поверхность которых наносили методом лазерной порошковойнаплавки валики из материала Stellite 6. В ходе проведения экспериментовизменялись параметры нанесения, а затем анализировали их геометрическиехарактеристики. Для обработки был использован роботизированный лазерныйкомплекс для наплавки с волоконным лазером модели ЛС-4К с длиной волныизлучения 1,07 мкм и мощностью 4,0 кВт, описанный в главе 2. Во всехэкспериментав использовали одно и тоже сопло для подачи порошка (Рис.

4.1),оптимизация сопла была выполнена по методике, представленной в главе 3.Лазерный луч проходит через соплоло коаксиально с потоком порошка.Рис. 4.1. Сопло для подачи порошкаПараметры геометрии сопла следующие: угол раскрытия конуса 65градусов, диаметр перетяжки потока от 4 мм, на расстояние от среза сопла доповерхности 10 мм.75В качестве основных параметров, определяющие качество наплавленногослоя, были приняты следующие. Мощность лазерного излучения (P), скоростьобработки (V), расход порошка (F) и диаметр пятна сфокусированного луча (D).Эти параметрызакономерности.варьировались в процессе экспериментов по определённойОтсоотношенияэтихпараметровзависятформанаплавленного валика, его структура и химический состав [5, 6, 7]. Дляобеспеченияравномерногоиплотногонанесенияпорошкатребуетсяоптимизировать форму валика в зависимости от величины параметровпроцесса.На Рис.

4.2 показана форма наплавленного валика и параметры,характеризующие его размеры.αAcAmНLhзтвРис. 4.2. Форма наплавленного валика с характерными параметрамиПараметры, которые были определены для оптимизации, указаны на Рис.4.2. К ним относятся: ширина валика (L), высота валика(H), глубинапроплавления подложки (h), величина зоны термического влияния (ЗТВ), уголсмачивания валика (α), площадь сечения покрытия (Ac) и площадь сеченияпроплавленной части подложки (Am). Кроме этого, учитывались расчётныепараметры, такие как коэффициент перемешивания «γ» и коэффициент формывалика, равный отношению высоты к его ширине H/L.Для экспериментальной части была использована факторная модель 24 содним повторением и трех центральных точек, что составило 38 наплавленныхваликов на 19 различных режимах [67, 70, 72].