Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ современного состояния вопроса применения аддитивных технологий при производстве ГТД 13
1.1 Использование аддитивных технологий при изготовлении деталей ГТД 13
1.2 Изготовление жаровых труб ГТД и применяемые материалы 17
1.3 Методы аддитивного производства на порошковой основе
1.3.1 Селективное лазерное сплавление 22
1.3.2 Основные дефекты при СЛС и причины их возникновения
1.4 Математическое моделирование процессов нагрева и плавления порошкового материала в СЛС, выбор оптимальных режимов обработки порошкового слоя 34
1.5 Проектирование технологических процессов СЛС 41
Заключение по главе 1 43
2 Разработка математической модели нагрева и плавления порошкового материала в технологии селективного лазерного сплавления 46
2.1 Технологическое оборудование, материалы и содержательное описание процесса селективного лазерного сплавления порошкового материала. Структуризация процесса и постановка задачи моделирования 46
2.2 Постановка физической модели процесса нагрева, плавления и остывания отдельного порошка в слое порошкового материала
2.2.1 Исследование укладки порошка в виде слоя на платформе и анализ предпосылок для их сплавления 53
2.2.2 Передача энергии лазерного излучения шаровой частице и моделирование процесса ввода тепловой энергии в частицу 56
2.2.3 Исследование закономерностей ввода тепловой энергии лазерного потока в порошковый материал с размерами частиц соизмеримыми с размером лазерного пятна. Эффективная плотность потока тепловой энергии лазерного излучения 60
2.3 Постановка математической модели процессов нагрева, плавления и остывания отдельного порошка и выбор математического метода моделирования процесса 71
2.3.1 Представление дифференциального уравнения теплопроводности с фазовыми переходами в материале для реализации сквозной численной процедуры и выбор метода моделирования процесса
2.3.2 Граничные условия и постановка краевой задачи процесса нагрева, плавления и остывания отдельного порошка 79
2.4 Результаты численного моделирования процесса нагрева, плавления и остывания порошкового материала 82
Заключение по главе 2 100
3 Исследование физико-механических свойств материала жаропрочного никелевого сплава, полученного методом СЛС 105
3.1 Оборудование для проведения экспериментов 105
3.3 Исследование жаропрочного металлического порошка марки ВВ751П 106
3.4 Проведение прочностных испытаний пластинчатых образцов 107
3.5 Проведение прочностных испытаний цилиндрических образцов 109
3.5.1 Металлографические исследования структуры синтезируемого материала 111
3.6 Исследование влияния стратегии движения лазерного луча на механические свойства синтезируемого материала ВВ751П 124
3.7 Исследование влияния направления выращивания образцов на механические свойства синтезируемого материала ВВ751П 125
3.8 Исследование влияния режимов обработки на шероховатость поверхности синтезируемого материала 127
Заключение по главе 3 134
4 Разработка методики проектирования технологических процессов изготовления деталей гтд методом селективного лазерного сплавления 137
4.1 Основные этапы проектирования технологических процессов селективного лазерного сплавления 137
4.2 Разработка алгоритма проектирования технологических процессов селективного лазерного сплавления 139
4.3 Разработка информационно-поисковой системы типовых технологических процессов 145
Заключение по главе 4 151
5 Разработка технологического процесса изготовления жаровой трубы камеры сгорания малоразмерного гтд, стендовые испытания 152
5.1 Технологический анализ детали, изготавливаемой методом СЛС, задание направления выращивания 152
5.2 Технико-экономическое обоснование использования технологии СЛС при изготовлении жаровой трубы 155
5.3 Подготовка CAD модели жаровой трубы для процесса СЛС
5.3.1 Моделирование припусков на поверхностях жаровой трубы 158
5.3.2 Моделирование материала поддержки и дополнительных теплоотводов
5.4 Назначение режимов сплавления металлического порошка, процесс изготовления детали методом СЛС 161
5.5 Стендовые испытания изготовленной жаровой трубы 166
5.6 Разработка технологической инструкции по СЛС 169
Заключение по главе 5 170
Заключение 171
Список сокращений и условных обозначений 173
Список литературы
- Методы аддитивного производства на порошковой основе
- Постановка физической модели процесса нагрева, плавления и остывания отдельного порошка в слое порошкового материала
- Проведение прочностных испытаний пластинчатых образцов
- Технико-экономическое обоснование использования технологии СЛС при изготовлении жаровой трубы
Введение к работе
Актуальность работы. Камера сгорания газотурбинного двигателя (ГТД) является одним из наиболее сложных узлов авиадвигателя. Конструкции камер, как правило, отличаются высоким уровнем оригинальности технических решений, обеспечивающих надежную стабилизацию пламени, высокую полноту сгорания топлива, экологическую безопасность продуктов сгорания топлива, высокий ресурс конструктивных элементов камеры сгорания и турбины, а также многие, многие другие требования. Современные методы расчета, современное состояние теории и практики проектирования рабочего процесса в камерах сгорания не позволяют надежно прогнозировать результаты проектных решений. Поэтому главным критерием надежности проектных решений остаются результаты глубокого и обширного экспериментального исследования. Например, в настоящее время для создания эффективной конструкции жаровой трубы камеры сгорания требуется проведение испытаний до сотни различных ее вариантов. Устаревающие технологии изготовления сложных конструкций, особенно из жаропрочных материалов, не отвечают требованиям ни по срокам выполнения проекта, ни по стоимости работ. Необходимы новые прорывные технологии быстрого и точного изготовления широкого ассортимента деталей из жаропрочных материалов. Одним из инновационных направлений решения поставленных задач является технология селективного лазерного сплавления (СЛС).
Как правило, в условиях опытного производства, время, затраченное на изготовление жаровой трубы, составляет порядка (5…8) месяцев. Традиционный технологический процесс (ТП) включает более 25 операций, чтобы собрать жаровую трубу из более чем шести отдельных компонентов. Сократить время при разработке ТП возможно с применением технологии СЛС.
С применением технологии СЛС цикл производства опытных жаровых труб ГТД
сократится более чем в 8 раз, при этом обеспечивается возможность получения новых
функционально-конструктивных особенностей деталей с новым комплексом
эксплуатационных свойств.
Разработка ТП изготовления жаровых труб методом СЛС является сложной,
комплексной, многовариантной задачей, требующей учета большого числа
разнообразных факторов. Методика проектирования таких технологий изготовления, с интегрированными базами данных ТП типовых деталей, с комплексом математического моделирования процессов сплавления при использовании новых материалов, позволит сократить трудоемкость и стоимость разработки новых опытных ТП.
Стоит отметить, что одним из основных этапов проектирования ТП СЛС является этап установления диапазонов технологических параметров лазерной обработки порошкового материала, основанного на разработке математической модели процесса нагрева и плавления частиц металлического порошка для достижения высоких прочностных и других эксплуатационных свойств синтезируемого материала. Данный этап при проектировании ТП СЛС позволит значительно сократить объем экспериментальных исследований по оптимизации основных физико-механических свойств материала изготавливаемого изделия, в частности, жаровых труб камер сгорания ГТД.
Степень разработанности темы. Разработкой ТП изготовления деталей методами лазерной обработки, а также изучением процессов СЛС занимались отечественные и зарубежные ученые: В.М. Довбыш, М.А. Зленко, М.Д. Кривилев, С.П. Мурзин, А.П. Назаров, А.А. Попович, А.А. Сапрыкин, И.Ю. Смуров, В.Ш. Суфияров, Е.В. Харанжевский, И.В. Шишковский, И.А. Ядроитцев, C.D. Boley, Chee Kai Chua, C. Coddet, A.V. Gusarov, Kai Zeng, S.A. Khairallah, J.P. Kruth, Maarten Van Elsen, T. Ozel, A. Riemer, A.M. Rubenchik, J. Sienz, E.M. Weissman, Xiaoze Du и другие.
Интерес к производству функциональных деталей ГТД методом АТ растет, в связи с этим можно выделить следующие актуальные направления исследований: 1) разработка
методики проектирования ТП СЛС деталей ГТД из металлических порошков. Следует отметить, что в представленных на сегодняшний день результатах проектов по изготовлению функциональных деталей ГТД не отражены основные этапы проектирования ТП изготовления деталей ГТД методом СЛС, а представленные общие рекомендации не позволяют реализовать ТП с требуемым уровнем свойств синтезируемого материала; 2) одним из важнейших этапов разработки технологии СЛС изделий является этап выбора оптимального режима обработки порошкового слоя. Данный этап требует обоснованного подхода к постановке математической модели процесса СЛС, требующего учет возникновения испарения на поверхности частицы порошка, не симметричности подвода лазерного излучения через верхнюю поверхность частицы и зависимость поглощаемого теплового потока от угла падения излучения на поверхность. Решение и результаты математического моделирования для такой постановки задачи ранее в литературе не приводились.
Цель работы: снижение трудоемкости и стоимости изготовления жаровых труб ГТД за счет разработки методики проектирования малооперационного ТП их изготовления методом СЛС металлического порошка жаропрочного никелевого сплава и реализации этого процесса в опытном, с перспективой применения в серийном производстве.
Задачи работы:
-
Разработать математическую модель процесса нагрева и плавления порошкового материала из жаропрочного никелевого сплава в технологии СЛС, адаптированную для численного решения с использованием современного стандартного программного продукта, и провести численное исследование процесса.
-
Определить диапазон оптимальных режимов СЛС отечественного порошка жаропрочного никелевого сплава методом численного математического моделирования, провести проверку результатов экспериментальными исследованиями и провести исследование физико-механических свойств полученного после сплавления материала.
-
Разработать методику проектирования ТП изготовления жаровых труб ГТД методом СЛС.
-
Разработать информационно-поисковую систему, содержащую базы данных основных технологических параметров СЛС порошков, для проектирования ТП изготовления жаровых труб ГТД.
-
Разработать ТП изготовления жаровой трубы малоразмерного ГТД из жаропрочного никелевого сплава с использованием разработанной методики проектирования ТП СЛС и провести стендовые испытания изготовленного изделия.
Объект и предмет исследования. Объект исследования – жаровая труба камеры сгорания авиационного ГТД. Предмет исследования – ТП изготовления жаровой трубы ГТД методом СЛС.
Научная новизна работы:
-
Впервые разработана методика проектирования ТП СЛС жаровых труб малоразмерных ГТД, учитывающая значительное количество параметров процесса СЛС, а также содержащая базу данных типовых технологических процессов, реализованную в программном приложении в виде информационно-поисковой системы.
-
Разработана новая общая математическая модель процесса плавления шаровых частиц в СЛС, адаптированная для численной реализации в стандартном конечно-элементном программном продукте ANSYS Transient Thermal, учитывающая фазовый переход в диапазоне температур солидуса и ликвидуса, возможность испарения поверхности, особенности передачи энергии лазерного излучения через верхнюю половину частицы при её размерах меньших, но сравнимых с диаметром пятна излучения и зависимость коэффициента поглощения излучения от угла его падения.
-
Численным моделированием установлено, что только при определенной величине диапазона дисперсности размеров частиц используемой порошковой фракции сплава
марки ВВ751П возможен режим лазерной обработки, при котором у всех частиц этой фракции температура в их нижней точке не менее температуры ликвидуса, а в верхней точке не превышает температуры испарения материала. С увеличением величины диапазона дисперсности размеров частиц допустимые диапазоны мощности и скорости движения лазерного излучения для такой обработки убывают и отсутствуют, начиная с определенной величины диапазона размеров частиц.
-
Для композиции жаропрочного порошкового материала марки ВВ751П установлены требования к допустимому диапазону дисперсности частиц и оптимальные режимы их обработки лазерным излучением, подтвержденные результатами экспериментальных исследований.
-
В результате математического моделирования и экспериментальных исследований выявлены оптимальные технологические параметры режимов при СЛС отечественного жаропрочного порошкового материала марки ВВ751П и получен заданный комплекс эксплуатационных характеристик материала и изделия в целом.
-
Разработан ТП изготовления жаровой трубы малоразмерного ГТД методом СЛС отечественного жаропрочного порошкового материала марки ВВ751П. Жаровая труба прошла стендовые испытания в составе камеры сгорания малоразмерного ГТД.
Теоретическая значимость работы заключается в разработке новой математической модели нагрева и плавления порошкового материала, которая в сочетании с аналитическим методом учета особенностей передачи энергии лазерного излучения через верхнюю половину частицы при её размерах меньших, но сравнимых с диаметром пятна излучения позволяет улучшить понимание процесса оценки термического состояния частиц в их композиции, обрабатываемой на одном режиме, оптимизировать процесс послойной обработки и формообразования детали в целом.
Практическая значимость результатов работы заключается в разработке методики и, интегрированных в методику, баз данных, позволяющей при проектировании ТП изготовления жаровых труб ГТД, учесть множество факторов, оказывающих влияние на технологию формообразования детали, и позволяющей сократить сроки прохождения этапов НИОКР при проектировании новых ТП; в разработке и реализации ТП изготовления жаровой тубы малоразмерного ГТД из отечественного порошка жаропрочного никелевого сплава с использованием выявленных оптимальных режимов процесса СЛС.
Результаты исследований нашли практическое применение при выполнении следующих работ:
«Создание и опытная отработка аддитивных технологий для предприятий региона» (в рамках подпрограммы «Развитие инновационного территориального аэрокосмического кластера Самарской области» на 2015 - 2018 годы государственной программы Самарской области «Создание благоприятных условий для инвестиционной и инновационной деятельности в Самарской области» на 2014 - 2018 годы, договор № 93-4 от 07.11. 2016г.).
«Разработка новой методологии создания малоразмерных газотурбинных двигателей (этапы 1 и 2)» (в рамках реализации программы повышения конкурентоспособности федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Самарский национальный исследовательский университет имени академика СП. Королева» среди ведущих мировых научно-образовательных центров шифр темы 05-Р001-402).
Методы исследований:
Теоретические исследования осуществлялись методами математического моделирования с использованием аналитических методов теории теплопроводности, плавления и кристаллизации твердых тел, а также методами численного моделирования с использованием современного стандартного программного продукта ANSYS Transient Thermal. Экспериментальные исследования образцов, полученных методом СЛС,
осуществлялись с использованием стандартных методик на аттестованном оборудовании. Стендовые испытания жаровой трубы малоразмерного ГТД были проведены по методикам, обеспечивающим реальные условия эксплуатации изделия.
Положения, выносимые на защиту:
-
Методика проектирования ТП изготовления жаровых труб малоразмерных ГТД методом СЛС.
-
Математическая модель процесса нагрева и плавления порошкового материала жаропрочного никелевого сплава в технологии СЛС и ее численная реализация с использованием современного стандартного программного продукта ANSYS Transient Thermal.
-
Результаты численных исследований на разработанной математической модели и установленное положение о влиянии величины диапазона дисперсности размеров частиц используемой порошковой фракции на величину допустимого диапазона мощности и скорости движения лазерного излучения для качественного сплавления порошка.
-
Результаты экспериментального исследования физико-механических и эксплуатационных характеристик материала и изделия в целом, полученного из порошка отечественного жаропрочного никелевого сплава ВВ751П методом СЛС.
-
Разработанный ТП изготовления жаровой трубы малоразмерного ГТД методом СЛС отечественного порошка жаропрочного никелевого сплава.
Апробация результатов исследования. Основные результаты работы доложены на международном молодежном форуме «Будущее авиации и космонавтики за молодой Россией» в рамках международного форума двигателестроения МФД-2014 (Москва, апрель 2014 г.); научно-практической конференции «Аддитивные технологии в российской промышленности» (Москва, февраль 2015 г.); 2-ой международной научной конференции «Аддитивные технологии: настоящее и будущее», (Москва, март 2016 г.); международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения», (Самара, июнь 2016 г.); V Московском международном форуме инновационного развития «Открытые инновации», (Москва, октябрь 2016 г.), конгрессе «Процессы пластического деформирования авиакосмических материалов. Наука, технология, производство» (Металлдеформ-2017), (Самара, июль 2017 г.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 8 научных статей, из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, 5 в журналах, индексируемых в базе данных Scopus.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 129 наименований и пяти приложений. Общий объем диссертации составляет 221 страниц, 88 рисунков и 14 таблиц.
Автор выражает особую благодарность и признательность д.т.н., профессору Богдановичу Валерию Иосифовичу за консультирование при разработке математической модели нагрева и плавления порошкового материала в технологии СЛС, за помощь в представлении полученных результатов моделирования. Автор благодарит коллектив кафедры технологий производства двигателей Самарского университета за ценные советы в процессе выполнения работы, а также сотрудников предприятия ОАО «ВИЛС» за предоставленные результаты механических и металлографических исследований образцов.
Методы аддитивного производства на порошковой основе
В производстве ГТД в последние годы происходят революционные изменения, связанные с созданием и расширяющимся применением новых технологий, способных коренным образом улучшить качественные показатели выпускаемых изделий и условия производства. Их называют приоритетными, ключевыми или критическими технологиями. К таким технологиям, в частности, относятся технологии непосредственного получения трехмерных объектов на основе математической модели изделия [21]. Данные технологии получили название аддитивные.
Аддитивные технологии (трехмерная печать) появились в конце 80-х гг. XX в. В стандарте американской ассоциации испытаний и материалов (American Society for Testing and Materials) ASTM F2792-12a [65] определён термин аддитивных технологий, который звучит как «процесс объединения материалов с целью создания объекта из данных 3D-модели, как правило, слой за слоем, в отличие от «вычитающих» производственных технологий».
Одним из динамично развивающихся направлений аддитивных технологий (АТ) является процесс селективного лазерного сплавления/плавления (СЛС) металлического порошка. Данный метод основан на послойном формировании изделия путем сканирования лазерным лучом порошкового слоя, нанесенного на подложку. Технология селективного лазерного сплавления была разработана в конце 1980-х годов, как производственный процесс послойного формообразования, который был использован в качестве быстрого прототипирования [65, 22]. Позже данная технология стала применяться при производстве деталей для долгосрочного использования.
В работах [52, 17] представлено комплексное исследование процесса СЛС металлических порошков жаропрочных никелевых сплавов зарубежного производства. Изучены физико-механические свойства синтезируемого материала, проведено сравнение механических свойств СЛС-образцов с традиционными способами изготовления. В условиях импортозамещения для аэрокосмической отрасли актуальным становится вопрос использования в технологии СЛС в качестве строительного материала порошков отечественного производства.
В 22 странах уже созданы национальные ассоциации по аддитивным технологиям, объединенные в альянс GARPA. Открываются специализированные предприятия (например, завод GE по производству форсунок камер сгорания для двигателей LEAP). Такие топливные форсунки, изготовленные методами аддитивных технологий, устанавливаются на двигателе LEAP-1В [84]. Масса форсунки снизилась на 25%, при этом долговечность в 5 раз больше. К 2020 году фирма GE планирует изготавливать до 100 000 деталей аддитивными технологиями, при этом рассчитывает на уменьшение веса до 500 кг на каждый авиационный двигатель. Количество машин для 3D печати, используемое фирмой, — более 300.
Фирма Rolls-Royce [107] уже проводит летные испытания двигателя Trent XWB с изготовленным с помощью аддитивных технологий крупногабаритным титановым корпусом передней опоры. Выстроен целый завод, на котором уже налажен промышленный процесс выращивания лопаток из интерметаллида титана для турбин низкого давления. Фактически реализован полный производственный цикл: начиная от получения порошка и заканчивая лабораторными исследованиями продукции. Размер выращиваемых лопаток с бандажными полками — до 325 мм высотой, это колоссальный выигрыш и в массе, и в скорости изготовления, и в расходе материала. Данные лопатки предназначены для использования на сертифицированных двигателях семейства LEAP фирмы CFMI. Перед этим в компании в течение семи лет проводились исследования и квалификация материала, производства, деталей: испытывались образцы, которые были выращены вертикально, горизонтально, под углом 45, чтобы добиться такого технологического процесса, когда разница в свойствах в различных направлениях не превышала бы допустимой величины. Фирма MTU Aero Engines [2] на сегодняшний день имеет оборудование для изготовления деталей из металлических порошков сплавов Inconel 718, MAR-M-509, Steels и New Superalloys. Для двигателя A320neo внедряется в серийное производство изготовление бароскопов методами аддитивных технологий.
Одним из ярких примеров внедрения аддитивных технологий в производство является разработанная ЦИАМ [2] лопатка с проникающим охлаждением. В этой лопатке имеются двойные стенки, наружная соединена с внутренней, раздающей воздух, образуя полости с необходимым значением давления. Воздух может проходить между внутренней и наружной стенками, охлаждая последнюю. Кроме того, лопатка имеет развитую перфорацию. Изготовить такую лопатку методом литья не представляется возможным. Это новая конструкция с новым качеством, которое позволяет повысить КПД, эффективность охлаждения, прочностные характеристики, ресурс, надежность.
ОАО «Авиадвигатель» [23] для экспериментальных работ в отсеке камеры сгорания и для газогенераторов двигателей ПД-14 изготовили завихрители методом СЛС из материала ЭП648. В результатах данных проектов не отражены основные этапы проектирования ТП изготовления деталей ГТД методом СЛС, а представленные общие рекомендации не позволяют реализовать ТП с требуемым уровнем свойств синтезируемого материала. В диссертации [36] рассмотрена разработка ТП изготовления сложнопрофильных деталей из жаропрочного кобальтового сплава методом СЛС на примере деталей «Сопло», «Турбина», а также представлена методика выбора наиболее рациональных компоновок для проектирования установок СЛС.
Постановка физической модели процесса нагрева, плавления и остывания отдельного порошка в слое порошкового материала
В левой части рисунка 1.12 падающее излучение в основном воздействовало на небольшие частицы порошка с более крупными частицами на периферии. Это приводит к множественным отражениям и увеличению поглощения. В правой части большая часть лазерного излучения достигла подложки, создавая тем самым меньшее количество отражения и уменьшенное поглощение. Авторы считают доказанным, что локальные неоднородности размещения порошка по их размерам и размерам пор в слое приводят к значительной неравномерности поглощения энергии частицами. Надо отметить, что в работе рассматривается только отражение излучения с позиций геометрической оптики. При этом влияние дополнительной энергии, отраженной от других поверхностей слоя не превышает 0,1 в коэффициенте абсорбции без учета выделения уменьшения поступившей энергии в частицы меньших размеров при движении лазерного источника.
Надо отметить, что фактически все рассматриваемые модели процесса СЛС требуют применения численных методов из-за большого диапазона изменения температур в системе и соответствующего изменения теплофизических параметров, сложной объемной геометрии самой модели рассматриваемого объекта и наличия значительного разнообразия протекающих физических процессов.
Можно условно разделить рассматриваемые модели на модели двух уровней [100]: макромасштабные и микромасштабные. Макромасштабные модели часто рассматривают порошковый слой, как некоторый новый сплошной материал с эффективными значениями физико-механических характеристик материалов. Здесь решаются задачи прогнозирования тепловых и остаточных напряжений, усадки материала и изменения геометрических размеров слоя [59, 82, 88], проводится оценка проникновения расплава на существующие слои ниже спеченного слоя и оценка увеличения площади контакта между частицами, в зависимости от скорости лазерного сканирования [98, 15]. На микромаштабном уровне [100] обычно рассматриваются модели определения термического состояния отдельных частиц, растекание материала в зонах контакта и причины различных типов пористости материала. В работах [60, 100] были изучены современные методы численного моделирования процессов аддитивного производства, с описанием, примерами и сравнением разработанных моделей. Перспективность численного моделирования отражена в работах [59 - 61, 94, 86, 91], где подробно рассмотрен вопрос прогнозирования остаточных напряжений в синтезируемом материале, представлена математическая модель теплопереноса в пористых средах с фазовыми переходами для описания процессов высокоскоростного оплавления порошкового слоя. Исследование процессов теплопередачи на уровне бассейна расплава помогает изучить механизм образования и контролировать уровни пористости и усадки материала, а также формирование микроструктур, дает представление о полученных свойствах материала. Однако, в этих моделях неоднородная среда частиц и пустот между ними заменяется на эквивалентную однородную среду, что в целом оправдывается поставленными задачами моделирования.
Во многих работах, например [105, 108, 123], моделирование процессов СЛС основывается либо на уравнении теплопроводности Фурье, либо на совместном рассмотрении уравнения Фурье с уравнениями Навье-Стокса при рассмотрении порошкового слоя как эквивалентной сплошной среды с использованием представлений о движении вязкой жидкости.
При численном моделировании используются самостоятельно разработанные программы, основанные на методах конечных разностей и конечных элементов, либо коммерческие программы, такие как ANSYS, FLUENT/CFX, ABAQUS. Надо отметить, что микромаштабное моделирование процесса СЛС, как анализ термического состояния отдельных частиц и, тем более, термического состояния отдельных частиц в их композиции частиц различных размеров, обрабатываемых на одном режиме, представлено далеко не в полном объеме для установления оптимальных режимов обработки. Важность результатов моделирования таких процессов, для выбора режима, связана с тем, что порошковый материал в состоянии поставки имеет значительное рассеивание по размерам. При этом на многих режимах, возникающие значительные градиенты температуры по сечению частицы, приводят к температурам ниже температуры ликвидуса в нижней её части с наличием развитого процесса испарения в её верхней части. Поэтому, если некоторый режим для частицы определенного диаметра обеспечивает её проплавление во всем объеме, то частицы большего диаметра могут быть не расплавлены в своей нижней части, а частицы меньшего диаметра могу находится на стадии интенсивного испарения или вскипания.
Решение таких задач с фазовыми переходами плавления в области температур солидуса, ликвидуса и испарения даже для тел простой геометрии представляют определенные сложности, которые достаточно подробно рассмотрены в обстоятельной монографии по алгоритмам для метода конечных разностей [45].
Надо отметить, что в настоящее время разработаны мощные программные продукты численного конечно-элементного (например, ANSYS, NF и т.д.) решения краевых задач теплопроводности, представленных в стандартном виде с классическим дифференциальным уравнением теплопроводности для однородной среды. Наличие таких продуктов фактически приводит только к необходимости сведения формулируемых математических моделей рассматриваемого процесса к этому стандартному виду с обоснованием однородности среды, сведения дифференциального уравнения теплопроводности и краевых граничных условий к стандартному виду, представленному в этих продуктах.
Проведение прочностных испытаний пластинчатых образцов
Надо иметь в виду, что соотношение (2.1) является модельным и удобным в математическом плане представлением распределения лазерного излучения, впрочем, как и других высоко энергетических источников тепла. Оно обычно используется для описания движения источника тепла вдоль поверхностей с малой кривизной и площадью, существенно превышающей размеры лазерного пятна.
В случае, когда размеры лазерного пятна соизмеримы с размерами обрабатываемой поверхности и тем более, когда эти поверхности, как в нашем случае являются поверхностью шара, модельным и удобным в математическом плане является представление распределения лазерного излучения плоским круговым источником с равномерным распределением плотности потока энергии в фокальной плоскости излучения.
В плоском круговом источнике с равномерным распределением плотности потока энергии в фокальной плоскости излучения плотность потока энергии излучения принимает постоянное значение / в пределах круга с диаметром Dn. Величина этой плотности потока лазерного излучения связана с полной мощностью всего потока энергии Nn через круг лазерного пятна в фокальной плоскости очевидным соотношением: / = /ср = 4Nn/nD%. (2.3) Отметим, что величина полной мощности всего потока энергии лазерного излучения Nn, выходящая из оптоволоконной системы и проходящая через круг лазерного пятна в фокальной плоскости в соотношениях (2.2) и (2.3) вообще то не совпадает и меньше величины мощности лазерной установки N, приводимой технической документации на установку и должна определяться специальными измерениями.
Однако только часть этой плотности потока лазерного излучения (2.1) или (2.3) преобразуется в плотность теплового потока, который нагревает материал. Определенная часть этого потока, в силу физических законов взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, переизлучается приповерхностным слоем электропроводного материала и рассеивается в окружающем пространстве. Кроме того, часть потока отражается от поверхности из-за падения излучения под углом отличным от нормального.
Для описания этих потерь лазерного излучения обычно используется коэффициент оптического поглощения лазерного излучения Л. При описании взаимодействия лазерного излучения с металлами используют уравнения Френеля, из которых следует, что коэффициент отражения излучения зависит от комплексного показателя преломления материала, вида поляризации электромагнитной волны и угла падения излучения на поверхность [41]. Для чистых металлов и сплавов при нормальном падении излучения коэффициент отражения излучения изменяется в широких пределах от 0,95 до 0,5, что приводит к коэффициенту поглощения излучения в пределах от 0,05 до 0,5 в зависимости от вида металла, состояния его поверхности и вида поляризации электромагнитной волны. Такие малые значения реально реализуемого поглощения лазерного излучения требуют специальных экспериментальных исследований по определению коэффициента поглощения для каждого вновь используемого металла. При падении излучения под углом к нормали поверхности поглощение излучения сильно зависит не только от угла падения, но также вида поляризации электромагнитной волны. Установлено, что при линейной и эллиптической поляризации происходит существенно более значительное изменение поглощаемой мощности от угла падения по сравнению с круговой поляризацией электромагнитной волны [41, 38, 56].
При круговой поляризации с модой TEM00 коэффициент поглощения не зависит от угла между направлением вектора напряженности электрического поля излучения и нормалью к поверхности, а зависит только от угла падения излучения на поверхность пропорционально косинусу этого угла. Поэтому в современных лазерах для обработки материалов используют круговую поляризацию, что и реализовано на лазере, используемом в настоящей работе. В связи с этим выражение для коэффициента поглощения оптического лазерного излучения кл в нашем случае можно представить в широко используемом для круговой поляризации [26, 16, 104] виде: кл(в) = fc ocos0 , (2.4) где кло - коэффициент поглощения оптического лазерного излучения при нормальном падении излучения на поверхность, в - угол между направлением падения излучения на поверхность и нормалью к этой поверхности в точке падения излучения. Таким образом, плотность теплового потока, который вводится в материал при СЛС, с использованием соотношений (2.3) и (2.4) можно представить для кругового плоского равномерного источника в виде: q(d ) = /сл(6»)/ср = /сл 0/ср cos в. (2.5)
Технико-экономическое обоснование использования технологии СЛС при изготовлении жаровой трубы
Алгоритм такого определения режима обработки порошковой композиции математическим моделированием сводится к следующему. Для выбранного значения плотности теплового потока q050 лазерного излучения численным моделированием устанавливается зависимость изменения температуры при нагреве частицы максимального размера (в данном случае 50 мкм), подобно тому как это было сделано, например, на рисунке В.2.15. По этой зависимости определяется минимальное значение момента времени в диапазоне времен меньших времени нагрева верхней точки поверхности частицы до температуры испарения, при котором после прекращения действия лазерного излучения в процессе её охлаждения происходит полное проплавление частицы. При этом возможны два варианта - либо существует такое значение времени меньшее времени начала её испарения, либо нет и это время превышает время начала испарения материала частицы. Во втором случае переходим к моделированию процесса при другом значении плотности теплового потока с повторным выполнением описанной процедуры. Если же существует такое значение времени, то оно принимается в качестве времени нагрева этой частицы tH50. По этой величине времени и соотношению (2.10а) определяем скорость движения лазерного пятна, а по соотношению (2.11а) определяем время tH2o= 2- tH(50, в течение которого будет нагреваться частица минимального диаметра (в данном случае 20 мкм) при её нагреве с плотностью теплового потока q02o = 0,666-q050 (2.11). Для выбранного значения плотности теплового потока q02o лазерного излучения численным моделированием устанавливается зависимость изменения температуры при нагреве этой частицы в течение времени tHi20, подобно тому как это было сделано, например, на рисунке В.2.18. На таком режиме эта частица заведомо полностью проплавляется и если температура верхней точки её поверхности меньше температуры испарения, то полученные значения q050 и скорости движения лазерного пятна могут быть приняты в качестве параметров режима обработки порошковой композиции. Если же температура верхней точки её поверхности больше температуры испарения, то на основе анализа длительности действия процесса испарения и перепада температуры по сечению частицы решается вопрос о возможности вскипания её материала в этом процессе. Если длительность процесса такова, что с поверхности испаряется слой не значительной величины и её вскипание маловероятно, то необходим анализ частиц большего диаметра, на пример 30 мкм. Можно так же считать, что такой режим обработки этой частицы удовлетворяет требованиям по СЛС. Если длительность процесса испарения частицы 20 мкм велика, то такой режим не может быть признан удовлетворительны для этой частицы, а рассмотренные параметры режима не могут быть приняты для обработки композиции порошков с диаметрами (50…20)мкм. В связи с этим возникает необходимость рассмотрения композиции порошка с меньшим рассеиванием диаметров, например, (40…20) мкм, которая анализируется в соответствии с изложенной схемой. Однако, при этом необходимо проанализировать нагрев и возможность проплавления отсекаемой фракции частиц с диаметром 50 мкм с целью принятия решения её удаления до загрузки в оборудование СЛС или удаления обдувом после лазерной обработки слоя порошка.
По такому алгоритму было проведено исследование всего диапазона возможных значений плотностей потока лазерного излучения с использованием метода деления диапазона пополам и определены диапазоны плотностей потока и скоростей движения для проведения дальнейших экспериментальных исследований.
На рисунке В.2.19 - В.2.22 приведены некоторые результаты исследований по определению режима лазерного сплавления рассматриваемой композиции порошка, при которых материал при нагреве не доводится до полного проплавления, а их полное проплавление реализуется уже в процессе их охлаждения за счет перераспределения энергии, введенной в частицы.
Из рисунка В.2.19, в сравнении с рисунком В.2.15 видно, что время действия лазерного потока на эту частицу уменьшается с tp50=3,8210-4 с до tH 50=2,4510-4 с в 1,6 раза, что позволяет в этом случае назначить большую скорость движения лазерного пятна v =0,122 м/с по сравнению со скоростью движения лазерного пятна v = 0,0785 м/с для рисунка В.2.15. Это в свою очередь уменьшает интенсивность нагрева частиц меньшего диаметра. Расчет показывает, что для этого режима обработки композиции порошков температуры в верхней и нижней точках поверхности для частиц 40 мкм составляют 2735С и 1273С, для частиц 30 мкм составляют 2913С и 2673С и для частиц 20 мкм составляют 2913С и 2880С, соответственно. Однако, время нагрева испаряющейся поверхности для частиц 30 мкм уменьшается с 2,8710-4 с до 0,6010-4 с, а частицы 20 мкм с 4,93 10-4 с до 2,1910-4 с. Следовательно, в этом случае также, как и на рисунке В.2.15, происходит нагрев частиц 30 и 20 мкм до температуры испарения, но при значительно меньших промежутках времени нагрева их испаряемых поверхностей. Причем, если этот режим обработки для частицы 30 мкм можно признать в целом удовлетворительным, то для частицы 20 мкм он заведомо приведет к её вскипанию.
Проведенные исследования с варьированием плотности теплового потока показали, что при рассеивании диаметров порошка в пределах (50…20) мкм не существует режима обработки, при котором частицы максимального диаметра в 50 мкм полностью проплавлены, а частицы минимального диаметра в 20 мкм не доводятся до состояния вскипания при интенсивном испарении.
В связи с этим были проведены исследования по выбору режима обработки композиции порошка из анализа проплавления частицы в 40 мкм по аналогии со схемой, использованной ранее при обработке порошка в 50 мкм.
На рисунке В.2.20 приведены результаты исследований температуры верхней и нижней точек шара диаметром 40 мкм в зависимости от времени нагрева при оптимальном значении плотности теплового потока 0 = 1,6 109Вт/м2 до минимального момента времени н,40=1,2210-4 с, при котором в процессе последующего охлаждения частица полностью проплавляется, и последующего изменения температур этих точек при охлаждении шара со всей поверхности.
Из рисунка В.2.20 видно, что в момент прекращения действия лазерного излучения на частицу температура верхней и нижней точек шара составляет 2863С и 816С, а в процессе остывания устанавливается в 1349,4С . Из данных рисунка В.2.20 и соотношению (2.10а) получаем величину скорости движения лазерного пятна при обработке порошковой композиции равной = 0,328 мс. На таком режиме обработки порошковой композиции на частицу диаметром 20 мкм и 50 мкм действуют тепловые потоки 0,20 = 0,822-0,40 и 0,50 = 1,234-0,40 в течение времени н,20= 1,5-н,40 и н,50= 0,752-н,40. Результаты моделирования их нагрева приведены на рисунках В.2.21, В.2.22.