Диссертация (Разработка и исследование технологии выращивания объектов методом коаксиального лазерного плавления порошковых материалов), страница 12

С другойстороны, модель должна быть достаточно гибкой, чтобы позволять добавлятьновые черты в дальнейшем, без переработки. В качестве такой модели выбран81пакет программ FLUENT, обладающий большим количеством настроек идополнительных модулей. Программный пакет использует в своей основеразбиение объекта на элементарные объемы и, для расчета сетки, методконечных элементов. Данный метод является самым удобным инструментомдля моделирования многоэтапных процессов.В связи с высокой сложностью совместного решения задачи расчетагазодинамики частиц порошка и нагрева металла лазерным лучом,необходимо было выделить этапы проведения теоретического расчетатехнологии в следующем порядке:1.

Расчет подачи газопорошковой струи к подложке в поле лазерногоизлучения.2. Расчет нагрева подложки с добавлением ячеек сетки (созданиемвалика).3. Анализ результатов расчета.Каждый из этапов рассмотрен в отдельности. Несмотря на это,допущения модели являются общими, для более точного представленияинформации об объекте исследований.4.2. Допущения расчетной моделиВсе этапы расчета связаны между собой входными и выходнымиданными.

В связи с этим необходимо выделить допущения, принятые идействующие для всего расчета.1. Порошковый материал имеет сферическую форму.2. Порошковый материал имеет равномерный химический состав,независимо от размера частиц.3. Размер частиц порошка составляет от 20 до 50 мкм, с дискретнымизменением размера, с шагом 10 мкм. Количество частиц порошка каждогоразмера одинаково.4. Взаимными столкновениями между частицами пренебрегаем.825. Частицы порошка взаимодействуют с лазерным излучением скоэффициентом поглощения, не зависящим от температуры, и составляющим30% [46].6.

Распределение лазерного излучения по диаметру луча принимаем неравномерным, а распределенным по закону экспоненты. Его описаниепредставлено системой уравнений в общем виде:2 = 0 − , < 0,{ = 0, > 0(4.1)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.Как показано в ряде работ [47], плотность мощности, критическая длятехнологии, определяется началом плавления частиц порошка. Эта плотностьмощности составляет не менее 108 Вт/м2, в зависимости от обрабатываемогоматериала. В случае превышения значения 1010 Вт/м2 в ванне возникаеткипение, приводящее к ряду дефектов в наплавленном слое: поры, трещины,неравномерность формы валика в целом, и, в частности, таких параметров какширина и высота.7.

Все частицы порошка, попавшие на поверхность подложки (плоскостьс координатой Zтек) в зону действия лазерного луча с диаметром 0 = 20 ,считаем попавшими в валик наносимого металла и сформировавшими его. Всечастицы, вылетевшие из этой зоны в плоскости с координатой Zтек – считаемне попавшими в данную область и потерянными.8. Теплофизические постоянные для материала частиц и подложкипринимаем переменными, с учетом характерных температур: температурыплавления и температуры кипения металла.

В данном расчете физическиесвойства материала, такие как плотность, теплоемкость и теплопроводностьизменяются с изменением температуры.83Наиболее часто в расчетах значения теплофизических постоянныхпринимают фиксированными для заданных интервалов температур. Так, в[48], для расчета нагрева стали предложены значения теплофизическихпостоянных, взятые для материала чистого железа. Эти данные приведены вТаблице 11.Таблица 11.Теплофизические постоянные, принятые для сталиТ(К)λ (Вт/м.К)Ср (Дж/кг.К)а (м2/с)27383.54202,8 10-550061.65401.54 10-5100032.5980-200042.5--ВТаблице4.1параметраявляетсякоэффициентомтемпературопроводности и связывает плотность, теплопроводность итеплоемкость материала:а=λСр (4.2)Функциональная зависимость теплофизических параметров материала«никель» от температуры устанавливается в соответствии с данными Таблицы2:(Т) = −0.4522 Т + 7755.7, кг/м3.(Т) = −0.0218 Т + 76.307, Вт/м*К.В процессе нагрева материала до состояния расплава появляется эффектгидродинамики жидкого материала в валике.

За счет динамики принциппередачи теплоты от зоны лазерного воздействия к зоне кристаллизацииизменяется, а вместе с ним изменяется коэффициент теплопроводности.Описанный эффект называют эффектом Марангони. Для того, чтобы принятьего в расчет, вводим следующую функциональную зависимость [49]:84С∗Р (Т) =1Т −[ + ∫ ],(4.3)где - удельная теплота плавления материала ( = 2.76 ∙ 105 Дж/кг дляжелеза), С∗Р - измененная теплоемкость, - температура плавления, К, Та −начальная температура, К. Исследуявыражение (4.3), мы получаемаппроксимацию теплоемкости как функцию температуры. Выражение можетбыть записано как полином второй степени:С∗Р = 2.6137 ∙ 10−4 Т2 + 0.12034621 Т + 124 [Дж/кгК](4.4)9. В процессе формирования валика теплоперенос осуществляется двумяглавными механизмами: теплопроводностью в металле и термокапиллярнымпотокомМарангони,тоестьперемешиваниемметалла.Еслитеплопроводность – измеряемая физическая постоянная, то динамикурасплавленного порошкового материала и подложки в выращиваемом объеменеобходимо учитывать через повышение коэффициента теплопроводностиматериала(ЭффектМарангони).Этомодифицированиепозволяетрассчитывать границы расплавленной ванны, и, как было предложено в [50]учет термокапиллярного потока повышает коэффициент теплопроводностиобъема материала как минимум вдвое относительно теплопроводностирасплавленного металла без перемешивания.Коэффициент теплопроводности с учетом эффекта, в таком случае,может быть выражен следующим образом:λ*(Т) = а λ (Тпл), если Т>Tпл,гдеа=2.5–коэффициент(4.5)корректировкидляпоказателятеплопроводности жидкого металла.Таким образом, с учетом перечисленных допущений и литературныхданных сформулированы необходимые для расчета теплофизическиепараметры.

Они заложены в расчетную модель и представлены в Таблице 12.85Таблица 12.Основные параметры моделируемого процессаПараметрОбозначение Ед. измеренияЗначениеМощность лазерного излученияРлиВт2000Диаметр луча на поверхностиdпмм2,4Расход порошкаqпг/с5Расход транспортирующего газаqгг/мин0,008Расход коаксиального газаqкг/мин0,004Коэффициент формы частицКф-1Температура окружающей средыТокрК300Температура подложкиТ0К300 (600)обработкипорошка4.3. Подача порошка в поле действия лазерного излучения4.3.1. Физическая постановкаПервый этап – расчет доставки порошкового материала к подложке вполе действия лазерного излучения.Входными данными для расчета газопорошкового потока являются трипараметра:1.

Расход порошкового материала, q (г/с). Этот параметр полученпересчетом объемного расхода qv (см3/с) через насыпную плотность, ρн (г/см3)по формуле:q = ρн / qv(4.6)Объемный расход qv – величина, задаваемая на порошковом питателе.Расход прямо пропорционален скорости вращения диска питателя, подающегопорошок. Данный параметр на практике задается через питатель порошка.862. Расход транспортирующего газа qтр, л/с.

Данный параметр процессатак же задается на питателе.Точность задания обоих параметров на современном оборудованиидостаточно высокая.3. Гранулометрический состав порошкового материала. Важныйпараметр технологии. Под гранулометрическим составом подразумеваютобычно распределение частиц по размерам и геометрической форме.Существует вполне определенный диапазон размеров и форм частиц,оптимально подходящих для технологии прямого выращивания. В случаеотклонений от этого диапазона стабильность технологии резко падает:слишком крупный размер частиц порошка (>150 мкм) создает в системеподачи засоры.

Слишком мелкий порошок (<20 мкм) подается в зонулазерного воздействия неэффективно и раздувается защитным газом. Формачастиц также влияет на стабильность подачи: колотые частицы создают оченьширокуюперетяжкугазопорошковогопотока,снижаякоэффициентиспользования порошка. Оптимальной для технологии является сферическаяформа частиц.Подача порошкового материала в поле действия лазерного излучения –сложная физическая задача газодинамики.

Необходимо учитывать рядпараметров, как лазерного излучения, так и порошкового потока. Известнонесколько работ в этом направлении. Так, в диссертации Третьякова Р.С.проведено численное моделирование газодинамики порошка. Однако, вработе не используется нагрев частиц порошка лазерным излучением. Крометого, отсутствует подложка металла при продувке различных сопел. В нашейработе принимаем полученные результаты и усложняем расчетную систему,приближая ее к реальному процессу.

Введение лазерного луча позволяетрассчитать нагрев частиц, пролетающих в интервале «срез сопла – подложка»и учесть нагрев защитного и транспортирующего газа. Подача порошка поддействиемгазовогопотокапроисходитвтехнологиинепрерывно.Моделирование процесса подачи порошка под лазерный луч необходимо87реализовывать в течение всего времени расчета. Возникает так называемая«стационарная задача»: порошок и газ вводятся в сопло как смесь двухматериалов, и впрыскиваются не однократно, а через фиксированныепромежутки времени, так, чтобы расход за единицу времени соответствовалреальному расходу порошка через оснастку соответствующего масштаба.Учитывая взаимодействие между порошком и лазерным лучом, былосоздано аналитическое решение для расчета нагрева порошка под срезомсопла.