Диссертация (Разработка и исследование технологии выращивания объектов методом коаксиального лазерного плавления порошковых материалов), страница 14

Помимолокального, но распределенного лазерного излучения, тепловую мощностьнесут в подложку частицы, нагретые лучом лазера в полете. В нашем расчетеданная мощность описывается уравнением распределения плотности частиц срассчитанной температурой и, следовательно, энергией.Лазерный луч, газ и газопорошковый поток движутся относительноподложки. При движении позади луча выращивается валик металла. Процессформирования валика является квазистационарным и относится к источнику.В работе [58] рассмотрено описание разбиения на элементарные ячейки,необходимые для расчета твердого тела.4.4.2.

Математическая реализацияМатематический расчет распространения теплоты в объеме подложки снаносимым валиком металла ведется следующим образом:941. Объем дробится на конечные элементы.2. Каждая ячейка рассматривается как элементарный объем с границами играничными условиями [59]. Для каждого элементарного объема справедливовыражение закона сохранения:ρсp∂T∂t= ∇(λ∇T),(4.18)являющееся уравнением теплопроводности без источника, гдеТ - температура,t – время, λ - коэффициент теплопроводности.Известный тепловой источник в общем виде может быть записан как:−λ∇T = Q (x, y, z, t),Где знак «-» означает уменьшение энергии внутри элементарного объема;- Q - эффективная тепловая мощность на поверхности подложки.

В общемслучае она связана с плотностью мощности лазерного луча:Q(x, y, z, t) = qm exp(−kr 2 ) ;(4.19)qm – измеренная максимальная плотность мощности, Вт/м2,r – расстояние от оси перемещающегося луча до расчетной точки.Поскольку процесс нанесения валика – квазистационарный, т.е.

с течениемвремени луч с постоянными условиями перемещается по поверхностиподложки, необходимо задать уравнение движения оси луча вдоль осей: тек = 0 − ( − 1 )тек = 0 + ∗ тектек = ∗ 2{тек =(4.20),где 1 - текущий номер наносимой подряд дорожки, a – длина дорожки, мм, - расстояние между соседними валиками, мм; - расстояние по вертикалимежду нанесенными в многопроходном процессе валиками, мм. Текущаякоордината (тек , утек , тек ), а также текущий номер дорожки nтек , зависит отвремени процесса t.Таким образом, для каждого положения оси движущегося лазерноголуча – точки О с координатами (тек , утек , тек ), переходя к сетке разбиения95модели в рабочем расчете, значение плотности мощности движущегосяисточника вычисляется с помощью следующих уравнений:qij (x, y, z, t) = qm exp(−krij2 ){ = √(тек − ) 2 + (тек − ) 2 + (тек − ) 2Pij (x, y, z, t) = qij dxdy,(4.21)где dx и dy – шаги разбиения сетки по осям ох и оу соответственно,Pij - мощность теплового источника, действующего на ячейку i,j.Совместное решение уравнений 4.20 и 4.21, проводимое одновременнос расчетом теплопроводностной задачи нагрева/охлаждения твердого тела,реализованное в системе моделирования Fluent, позволяет провести расчетрежима нанесения не только одиночного валика, но и нескольких валиков,образующих элементарный объем – стенку или параллелепипед.

Такоемоделированиепозволяетмаксимальноприблизитьсяврасчетенепосредственно к детали.4.5. Численное моделирование процесса выращивания тестовогообъекта1. Первым этапом расчета является просчет геометрии сопла (Рисунок4.2). В данное сопло подавался газ с расходом 0,008 г/мин и давлением навыходе 1,05 атмосферы.

В результате на выходе из сопла, в зоне пролетачастиц, устанавливается стационарная картина скорости газа, истекающего изсопла (Рисунок 4.3). На выходе из сопла после впрыска частицустанавливается их распределение по скоростям и температурам (Рисунок4.4).96Рисунок 4.2.Схема зоны вылета частиц и воздействия лазерного излученияРисунок 4.3.Скорость газа, находящегося в зоне обработки, м/с97Рисунок 4.4.Распределение частиц, вылетевших из сопла, с течением времени, с2.

Вторым этапом расчета является просчет нагрева частиц лазернымизлучением.Мощность лазерного излучения составляла 2 кВт. Диаметр пятна в зонеобработки – 1,3 мм по уровню 0,86. Расход порошка – 8 грамм в секунду.Порошок подавался через коаксиальное сопло в зоне действия объемноголазерного излучения, согласно схеме, представленной на Рисунок 4.2.Установившаяся картина распределения частиц порошка рассчитывается длязаданных параметров: расходов газа и геометрии сопла.Введение лазерного излучения с заданным послойно распределениемплотности мощности позволяет рассчитать нагрев частиц (Рисунок 4.5) и дажеих частичное испарение (Рисунок 4.6).

Параметры излучения получены спомощью прибора Prometec UFF 110 и заданы с шагом 2 мм для зоны междусрезом сопла и поверхностью подложки (Таблица 13).98Таблица 13.Параметры лазерного излучения, принятые в расчетеz, мм024681012141618Qmean,Qmax,Вт/см2Вт/см2k, 1/см2r86, мм944792834380,0006980,6361277253831760,0005490,5472245976737910,0019860,41340461712138520,0013540,35470941721282500,0007290,23296407128922130,0004080,199153248745974610,0003550,184245835773750700,0001580,1203484916104547480,0001360,1054629202138876060,0001220,091Рисунок 4.5.Частицы, нагретые в полете лазерным излучением.

Температура – в градусахКельвина99Рисунок 4.6.Доля испаренного никеля в объеме газа, указанная в процентах.В результате пролета частиц порошка сквозь зону действия лазерногоизлучения, на поверхности обработки устанавливается осесимметричноераспределение нагретых до различных температур частиц. В файле,описывающем частицы порошка, долетевшие до поверхности обработки,содержится информация о ряде параметров:- координата частицы порошка относительно оси лазерного луча: (x; y);- температура частицы порошка, К;- диаметр частицы порошка, м- скорость частицы порошка (vx, vy, vz).Эта информация, наряду с параметрами излучения, задается как входныеданные в третий этап расчета.3. Расчет формирования нанесенного валика.Распределениечастицпорошкапокоординатам,скоростямитемпературам движется по поверхности подложки совместно с лазернымлучом и образует нанесенный валик.

Воздействие движущимся лазернымизлучением обеспечивает условие нагрева подложки до определенной100температуры. Если температура слишком низкая, и подложка не расплавилась,валик не формируется. Если температура нагрева подложки достаточная –формируется валик в соответствии с доставляемым количеством порошка.Задача формирования, нагрева и остывания конечного объекта и являетсяцелью данного расчета.Как показали экспериментальные исследования, при выращиванииобъектов необходимо учитывать влияние повторных нагревов металла отпоследующих проходов, вплоть до температуры 700 градусов Цельсия.Обработка такого сложнолегированного сплава, как Инконель 718, требуетучета термического цикла процесса выращивания не только на стадиикристаллизации, но и заранее, на стадии разработки траектории процессаобработки.

Для решения задач, поставленных этапом разработки стратегииразбиения объекта на слои, был проведен ряд экспериментов повыращиванию. Основные данные, полученные из модельной задачи:1.Геометрические параметры валика в зависимости от скоростипроцесса выращивания. Модельный расчет позволяет проследить взаимосвязьскорости процесса и формы наносимого валика.2.Коэффициент использования порошкового материала (КИП). Этонаиболее важный экономический параметр любой действующей порошковойтехнологии. Необходимость его расчета вызвана оценкой целесообразноститехнологии еще на этапе технического предложения.3.Температурныециклывразличныхточкахвыращенногоматериала.

Как было сказано выше, исследуемый материал являетсячувствительным к окружающей атмосфере при температуре выше 900градусов Кельвина. В связи с этим, для технологии выращивания объекта безохрупчивания, необходимо дать остыть металлу до температуры 500 градусови не допустить его повторного и длительного нагрева выше 900 градусовКельвина при нанесении валика поверх.Для оценки температурного цикла при различных условиях процессабыло проведено численное моделирование выращивания объекта типа101«стенка», как самого перегретого объекта из всех возможных. Очевидно, чтопауза в каждой точке выращенного металла зависит как от скорости процесса,так и от длины валика.

За тестовый образец взят объект длиной 20 мм(минимальнаядлинаперавыращиваемойлопатки).Методомпоследовательного наслоения одиночных валиков был выращен объект«стенка» с основанием 20х3 мм.В Таблице 14 представлены различные тестовые режимы выращивания.Остальные параметры процесса в данном расчете приняты постоянными.Таблица 14.Режимы выращивания объекта «стенка» в модельной задаче№ режима123456Скоростьперемещения,мм/с557,57,51010Температураподогрева, К3006003006003006004.6. Сравнение экспериментальных и численных данных обэлементарном объекте выращивания4.6.1.

Формирование валиков с помощью математическогомоделированияНа Рисунке 4.7 изображен внешний вид смоделированных валиков,полученных на режиме 1. Лазерное излучение движется по линии соскоростью в соответствии с режимом. Температура каждой точки поверхностии объема может быть вычислена с помощью модели. На рисунке цветовое102обозначение контура поверхности показывает температуру нагрева в каждыймомент времени процесса.а) 1-й проход, вид сбокуб) 1-й проход, вид спередив) 2-й проходг) 2-й проход, вид спередиРисунок 4.7.Выращивание объекта «стенка», проведенное на режиме №14.6.2. Сравнение модели и экспериментальных данныхСетка режимов, указанная в Таблице 4.4, была испробована на опытномобразце установки.