Автореферат (Разработка и исследование технологии выращивания объектов методом коаксиального лазерного плавления порошковых материалов), страница 3

Таким образом, первый этап разбиения необходимв первую очередь для выделения таких объемов. В порядке усложненияэлементарных объектов можно выделить следующие:1. Стенка высоты h, шириной в 1 валик.2. Прямоугольный параллелепипед высоты h, шириной В, длиной A.3. Треугольный объект высотой h и координатами А, В, С.4. Цилиндр высотой h, диаметром D.5. Сектор круга диаметром D, углом L.Дальнейшие этапы планирования траектории необходимы, чтобы учестьгеометрическую неоднородность детали: переменную толщину, изменениенаправления выращивания.На разработанном комплексе отработана технология выращивания объектовэлементарной формы. Установлено, что наиболее стабильное выращиваниеполучено без выключения лазерного луча, с перемещением заготовкиотносительно технологической головки.

В связи с этим необходимо, повозможности, реализовывать такую траекторию обхода по контуру, чтобылазерный луч действовал на тонкие стенки и оконтуривания слоя непрерывно походу выращивания, а в заливке действовала пауза между отдельными валиками,для исключения перегрева.

Моделирование в данной технологии применяется длянепосредственного расчета геометрических параметров будущего валика металла7в каждом конкретном случае обработки, а также для оценки температуры точеквыращенного объекта.В четвертой главе проведено численное моделирование процессакоаксиальной лазерной обработки порошковых материалов.Разработка технологии в первую очередь связана с процессамифундаментального характера: температуры детали в процессе выращивания;распределения лазерного излучения в зоне и на поверхности обработки;распределения частиц порошкового материала в процессе выращивания.Для их расчета необходимо иметь математическое представление процесса.Создание математической модели предусматривает ряд допущений:1.Порошковый материал имеет сферическую форму.2.Порошковый материал имеет равномерный химический состав, независимоот размера частиц.3.Размер частиц порошка составляет от 20 до 50 мкм, с дискретнымизменением размера, с шагом 10 мкм.

Количество частиц порошка каждого размераодинаково.4.Взаимными столкновениями между частицами пренебрегаем.5.Частицы порошка взаимодействуют с лазерным излучением скоэффициентом поглощения, не зависящим от температуры, и составляющим 30%.6. Распределение лазерного излучения по диаметру луча принимаемраспределенным по закону экспоненты. Его описание представлено системойуравнений в общем виде:2 = 0 − , < 0{(1) = 0, > 0,где r0 – расстояние от оси лазерного излучения, на котором плотностьмощности лазерного излучения составляет 108 Вт/м2;q0 – максимальная плотность мощности лазерного излучения, Вт/м2,действующая на оси излучения.7. Все частицы порошка, попавшие на поверхность подложки в зону действиялазерного луча с диаметром 0 = 20 , считаем попавшими в валик наносимогометалла и сформировавшими его.

Все частицы, не попавшие в эту зону в плоскостиподложки – считаем не попавшими в данную область и потерянными.8. Теплофизические постоянные для материала частиц и подложкипринимаем зависящими от температуры, с учетом характерных температур:температуры плавления и температуры кипения металла.9. Столкновения частиц между собой не учитываются;10. Границы расчетной области достаточно удалены от сопла и не влияют натечение газа.С учетом общих допущений, многоступенчатый расчет разбит на три этапа:1. Расчет подачи газопорошковой струи к подложке под действием лазерногоизлучения.2.

Расчет нагрева подложки с добавлением ячеек сетки (создание валика).3. Анализ результатов расчета.8Исходными данными для определения газодинамических параметров висследуемой области движения газа являются расчетная область (внутренняягеометрия сопла, положение подложки, внешние границы), теплофизическиесвойства газа и расходы газа во входных сечениях кольцевых каналов. В начальныймомент времени t = 0 расчетная область была заполнена газом (аргоном) спараметрами внешней окружающей среды P = P0 = 0.1 МПа, T = T0 = 300 К, V = 0.Расчетная сетка представляет из себя набор ячеек с фиксированнымилинейными размерами в области подложки и зоне сопла, и переменнымиразмерами в области растущего валика. Ячейки, расположенные на расстоянии неболее 1,5 мм от оси обработки, имеют минимальный размер – 100 мкм по ребру. Помере удаления от зоны обработки принято увеличение размера с коэффициентом1.2 на шаг, до размера 400 мкм по ребру.

Для каждой ячейки из сеткидифференциальные уравнения решаются отдельно. Связь между нимиосуществляется через граничные условия. Основные уравнения указаны вФормуле 2.(2)В Формуле (2) каждое слагаемое учитывает конкретные физическиепроцессы в газопорошковом потоке:- нестационарная составляющая - движение потока;- конвективная составляющая - изменение плотности газа при расширении;- диффузионная составляющая - перемешивание потоков газа с различнойтемпературой;- излучающая составляющая - потери энергии через поверхностноеизлучение.Согласно закону сохранения энергии, нестационарная и конвективнаясоставляющие прироста энергии в каждом элементарном объеме потока, в суммеравны сумме потерь энергии за счет диффузии и излучения этого же элементарногообъема в окружающее пространство.Результатом первого этапа расчета является массив данных: множествочастиц, вылетевших из сопла и достигнувших поверхности подложки.

Для каждойчастицы расчет выдает следующие данные: координата частицы по осям ОХ и ОУ;скорость частицы на подлете к поверхности подложки; температура частицы наподлете к подложке; масса частицы с учетом возможного испарения с поверхности.Этот массив вносится в следующий этап в виде файла – источника массы и энергии,дополнительной к лазерному источнику.Второй этап расчета - расчет распространения теплоты в объеме подложкис наносимым валиком металла, - ведется следующим образом:1. Объем дробится на конечные элементы.2. Каждая ячейка рассматривается как элементарный объем с границами играничными условиями.9Для каждого элементарного объема справедливо выражение закона сохранения:∂T(3)ρсp = ∇(λ∇T),∂tявляющееся уравнением теплопроводности без источника, где Т - температура, t –время, λ - коэффициент теплопроводности.Известный тепловой источник в общем виде может быть записан как:−λ∇T = Q (x, y, z, t),(4)Где знак «-» означает уменьшение энергии внутри элементарного объема;- Q - эффективная тепловая мощность на поверхности подложки.

В общем случаеона связана с плотностью мощности лазерного луча:Q(x, y, z, t) = qm exp(−kr 2 ) ;(5)2qm – измеренная максимальная плотность мощности, Вт/м ,r – расстояние от оси перемещающегося луча до расчетной точки.Уравнение движения оси луча вдоль поверхности пластины: тек = 0 − ( − 1 ) ,тек = 0 + ∗ тек ,тек = ∗ 2 ,{тек =(6);где 1 - текущий номер наносимой подряд дорожки, a – длина дорожки, мм, расстояние между соседними валиками, мм; - расстояние по вертикали междунанесенными в многопроходном процессе валиками, мм. Текущая координата(тек , утек , тек ), а также текущий номер дорожки nтек , зависят от временипроцесса t.Таким образом, для каждого положения оси движущегося лазерного луча –точки О с координатами (тек , утек , тек ), переходя к сетке разбиения модели врабочем расчете, вычисляется значение плотности мощности движущегосяисточника.Расчет, реализованный в системе моделирования Fluent, позволяет провестиподготовку технологии выращивания не только одиночного валика, но инескольких валиков, образующих элементарный объем – стенку илипараллелепипед.

Такое моделирование позволяет максимально приблизитьсянепосредственно к формированию детали.С помощью разработанной модели проведены расчеты ряда режимовпроцесса. Основные параметры режима, принятого к экспериментальномуисследованию, представлены в Таблице 2.10Таблица 2.Параметры процесса, смоделированного для режима №1ПараметрМощность лазерного излученияСкорость перемещенияДиаметр луча на поверхностиобработкиРасход порошкаРасход транспортирующего газаРасход коаксиального газаКоэффициент формы частиц порошкаТемпература окружающей средыТемпература подложкиОбозначениеРлиvdпЕд.

измеренияВтмм/сммЗначение200052,4qпqгqкКфТокрТ0г/сг/минг/минКК50,0080,0041300300Температура каждой точки поверхности и объема может быть вычислена спомощью модели. Цветовое обозначение (Рис.1) показывает температуруповерхности в каждый момент времени процесса. Температура в точке объемаможет быть получена с помощью программы и представлена в виде значения илиграфика изменения в указанной точке с течением времени.Рис. 1.Фрагмент смоделированного процесса выращивания валикаВ результате сравнения рассчитанных в численном эксперименте режимов иваликов, наплавленных на установке, выявлена высокая степень соответствиярезультатов моделирования и лазерного процесса.

Экспериментальные валикиимеют форму, близкую к смоделированной (Рис. 2). Видно, что при относительномсовпадении геометрических размеров наблюдается отличие в форме валиков:смоделированные валики на втором проходе имеют более острую форму. Данное11обстоятельство объясняется тем, что модель не учитывает «налипания» частицпорошка сбоку. Однако качественное соответствие достигнуто, и провести расчеттермических циклов, а также и геометрических размеров валика с помощью данноймодели, возможно.а)в)б)г)Рис. 2.Выращивание объекта «стенка», проведенное на режиме№3: а - 1-й проход, поперечный металлографический шлиф; б - 1-й проход,смоделированный валик; в - 2-й проход, поперечный металлографический шлиф;г - 2-й проход, смоделированный валикС применением разработанной численной модели разработана и проверенаметодика расчета длительности паузы между проходами при выращиваниитонкостенных объектов, обеспечивающей минимальное повторное воздействие навыращенные слои.

Проведена серия расчетов режимов с паузами и без, сподогревом и без них. В результате расчетов установлено, что для выращиванияобъекта «стенка», длиной 20 мм, необходима пауза, составляющая 2 секунды, вслучае выращивания без подогрева, и 5 секунд – в случае выращивания ссопутствующим подогревом. При этом материал нижележащих слоев не будетнагрет до температуры выше 600ºС дольше 1 секунды, при этом окисление металлане вызовет его разупрочнения.В пятой главе с применением рассчитанных и проверенных режимоввыращены объекты для проведения механических испытаний на растяжение прикомнатной и повышенной температурах.C помощью расчета получены термические циклы точек на оси выращиваниядля металла Инконель 718 при различных температурах подложки в процессе.Проведены экспериментальные исследования режима прямого выращивания.

В12процессе выращивания учтены и исключены особенности, характерные дляметалла:- усиленное окисление материала при температуре выше 600 ºС приводит кразупрочнению выращенных заготовок;- термическая обработка позволяет повысить свойства металла до свойств,полученных при традиционных методах обработки.В результате анализа разрушенных образцов установлено следующее:1.