Диссертация (Методики оптимизации процесса лазерного нанесения износостойких покрытий на валы газотурбинных установок), страница 9

Наиболее важным и сложным для описанияв данном процессе является именно перемещение частиц в среде газа. Скоростьчастиц, траектория их движения, стабильность подачи, влияют на устойчивостьпроцесса и качество наплавленного слоя наравне с параметрами лазерногоизлучения [52].Для решения подобных задач проводится моделирование течения потокагаза через сопло в открытую среду. Поскольку процессы подачи порошка иподачи газа являются стабильными, в расчете принимают, что поток являетсяламинарным, установившимся, сжимаемым, однородный посоставу ираспространяется внутри сопла.3.2.

Методика определения формы газового потокаМоделирование многофазных потоков производится в несколько этапов(Рис. 3.6).Рис. 3.6. Алгоритм моделирование многофазных потоковНа первом этапе рассчитывают движения газовой среды. На втором этапепроизводится расчет движения частиц в газовой среде. Третий этап являетсяпроверочным для выполнения законов сохранения и неразрывности среды.Струйноетечение газа можно определить численнымрешениемуравнений Навье–Стокса методом конечных элементов по неявной схеме спомощью программы Fluent (ANSYS Inc.).59Полученная картина дозвуковых течений газа для схемы без подложки ис подложкой показана на Рис. 3.7.

В центральной зоне между соплом иподложкой формируется почти цилиндрическая струя. Вихревые течения вокружающем струю пространстве нестационарны. Но создаваемые имиосцилляции не оказывают значительного влияния на основной поток газа.Внешнее течение газа ниже среза сопла можно было бы считатьнесжимаемым, поскольку плотность газа сравнима с плотностью окружающейсреды. Однако во внутренней области сопла могут формироваться пограничныеслои, сравнимые по величине с минимальными размерами каналов.

Дляобеспечениярабочиххарактеристиктечениягазавканалахсоплаподдерживается избыточное давление. Как следствие, плотность газа вовнутренних каналах изменяется. Хотя максимальное значение числа Маха навыходе из сопла не превышает 0.1, течение газа уже нельзя рассматривать какнесжимаемое.Такимобразом,полученноеустановившеесяраспределениехарактеристик течения газа используется для вычисления траектории искорости частиц.а)б)Рис. 3.7. Поле скорости и линии тока газа для схемы: а – без подложки;б – с подложкой603.3. Методика расчёта движения частиц порошкаДля расчета движения частиц может быть применена модель на основепотока газопорошковой взвеси [33].

Для осесимметричного, устойчивого,турбулентного сплошного потока газопорошковой струи с однороднымхимическим составом и при отсутствии внешних сил, применяют следующиевыражение:,(3.1)где x и r – соответственно осевые и радиальные координаты;ux – осевая скорость;ur – радиальная скорость;ρ – плотность сплошного газа.Расчет соплапроводитсячисленнымметодомсиспользованиемвычислительной машины, оптимизированной для обработки групп элементовразбиения. Транспортирующим газом является аргон, подаваемое количествокоторого, регулируется расходом. В связи с этим использовались следующиеграничные условия для сжимаемого потока: входной расход газа, выходноедавление в дальней зоне.

Значение входного расхода являлось варьируемымпараметром,выходноедавлениеявляетсяследствиемнеразрывностигазопорошкового потока.Модель основана на механизмах, которые влияют на турбулентнуюсоставляющую кинетической энергии на единицу массы k [30].(3.2)(3.3),где К - основнавя кинетическая энергия;k - турбулентная кинетическая энергия;61u, v, w – скорости по осям x, y, z соответственно [52] .ТраекториичастицрассчитываютсясиспользованиемфункцииЛагранжа. Обмен теплотой, массой и моментом в рамках уравнений Эйлера длягазовой среды.

Доля дискретной фазы должна составлять не более 10% пообъему. Массовая доля может быть значительно больше (до 100%). В расчетесчитается, что нет взаимодействия между частицами [52] или их разрушения.Траектория рассчитывается интегрированием баланса сил, действующихна частицу [52]. Изменение скорости частицы может быть вызвано силойсопротивления, как функцией изменения относительной скорости, силойтяжести,стороннимисилами,градиентомдавления,температурнымизменением, силами вращения, Броуновского движения, подъемом от силСаффмана и др.

[31].В общем случае баланс сил можно описать следующим выражением [31]:,где(3.4), сила действующая на частицу;, сила сопротивления, функция изменения относительной скорости;, сила тяжести;, градиент давленияНаиболее оптимально газопорошковый поток рассчитывается в пакетепрограмм FLUENT. Данный комплекс позволяет получить не толькокачественную, но и количественную картину распределения порошковыхчастиц в полете [52]. Возможности программы очень широки и позволяютвыбирать самостоятельно абсолютно любые параметры численного расчета. Врасчетах поток принимается как ламинарный для снижения времени расчета. Вкачестве геометрии элементарного объема, при разбиении, выбрается форматетраэдра. При расчете используется сначала прямая схема дискретизации впервом приближении, а в дальнейшем, при проверке – прямая схема во второмприближении.

В качестве главного граничного условия принято, что входной62расход газопорошковой струи является варьируемым параметром, а выходноедавлениеявляетсяследствиемнеразрывностигазопорошковогопотока.Алгоритм расчета приведен на Рис. 3.7.Рис. 3.7. Алгоритм расчёта газорошкового потока3.4. Методика выбора конструкции соплаИз имеющихся литературных данных можно сделать вывод, что сопла сминимальным количеством дроблений газопорошковой струи являютсяоптимальными для стабильности процесса.

Рассмотрим возможные вариантыконструкции сопел.Коаксиальное сопло для подачи порошковых материалов, описанное вработе [26], представляет из себя набор коаксиальных каналов, направленныхпод определенным углом к зоне обработки (Рис.3.8). Полость, по которойпроходит газопорошковая струя – не является конусом. В данном случае – этонабор отдельных канавок, по которым порошок течет до выхода из сопла. Такая63форма создана для получения ламинарного потока, однако сложна впроизводстве и требует высокой точности исполнения элементов конструкции.Угол при вершине конуса насадки составляет в данной конструкции около 60градусов.Рис.

3.8. Сопло для подачи порошка с набором каналов [35]Более простая в реализации схема сопла предложена в работе [36]. Здесьиспользуетсяпаракоаксиальныхконусов,междукоторымивводитсягазопорошковый поток (Рис. 3.9).Рис. 3.9. Сопло без регулировки положения фокуса [36]Данная конструкция имеет серьезный недостаток для полученияпокрытий: процесс оплавления порошка происходит практически в фокусе64лазерного луча, с минимальным диаметром газопорошкового потока иминимальным расстоянием от среза сопла до обрабатываемой поверхности. Врезультате получение широких валиков (более 1 мм шириной) за один проходстановится невозможным. Схема позволяет выращивать тонкие участки,стенки, объекты, однако получение больших по площади покрытий такойсистемой малоэффективно и технологически затруднено.Более совершенное сопло предложено авторами работы [33], однако онопредназначено для восстановления геометрии и также, как и предыдущее,имеет минимальный, не настраиваемый диаметр перетяжки газопорошковойструи и луча в зоне обработки.

Аналогичное по принципу сопло (Рис. 3.10)предложено в патенте [34] Угол при вершине конуса у сопла составляет около20 градусов.Рис. 3.10. Сопло для нанесения узких покрытий [38]Сложное по конструкции сопло с развитой защитой остывающего валикапредставлено в патенте [39] (Рис.

3.11). Необходимость защиты остывающеговалика инертными газами и стабилизации потока возникает при нанесенииматериалов, активно окисляющихся во время процесса. Создание покрытийобычно осуществляется более технологичными материалами: кобальтовыми,никелевыми сплавами и карбидами вольфрама. Угол при вершине конусасоставляет около 60 градусов.65Рис. 3.11. Сопло с развитой защитой остывающего валика [39]Наиболее подходящим аналогом сопла для получения покрытий на валахизматериалаStellite6можносчитатьсопло,конструкциякоторогопредложенная в патенте [41] и представлено на Рис. 3.12.Рис.

3.12. Конструкция сопла с возможностью изменения фокальнойплоскости относительно струи порошка [40]:а – внешнее сопло, б – внутреннее сопло,в – кольцо для ввода порошкаКоаксиальное сопло данной конструкции имеет достаточно простуюконструкцию, удаленную от среза зону обработки и, что самое важное –позволяет корректировать ширину валиков перемещением фокусирующейлинзы относительно плоскости обработки. Данное сопло имеет угол конуса привершине – около 25 градусов. Превидённый анализ показывает, что технология66лазерного нанесения покрытий должна выполнятся с соплом, настраиваемым вшироких пределах размеров валиков для нанесения различных материалов ссохранением оптимальных свойств.В наибольшей степени для получения покрытий для валов подходитсопло, предложенное в работе [32, 47].