Введение к работе
Актуальность проблемы. Проблема коренного улучшения качества материалов и изделий, повышение их ресурса и эксплуатационных характеристик в современных условиях развития техники и машиностроения становится особенно актуальной. Данная проблема в большинстве случаев решается путем нанесения многофункциональных, в том числе защитных и объемно-упрочненных покрытий и их обработки концентрированными потоками энергии (КПЭ). Широко востребованными становятся износостойкие, коррозионностойкие и теплозащитные материалы, материалы с оптимальным сочетанием прочностных и пластических свойств. При выборе металла или сплава с заданными свойствами может оказаться, что набор предъявляемых требований противоречив или стоимость изделия становится неприемлемой. Нанесение тонкого слоя покрытия и его последующее оплавление с целью улучшения функциональных характеристик или специальная обработка рабочих поверхностей деталей и изделий позволяет решить эти проблемы и значительно удешевить производство.
В диссертации рассматриваются такие методы высокоэнергетического воздействия на поверхность изделий, в том числе изделий с покрытиями, как обработка плазменной струей и электрической дугой, лазерным и электронным пучком, очистка поверхности металлической подложки от оксидного слоя пятном вакуумной дуги. Их исследование с помощью вычислительного эксперимента представляется актуальным, поскольку проведение физического эксперимента крайне затруднено вследствие малости зон термического воздействия, интенсивного нагрева и последующего охлаждения, а также времени протекания процессов плавления и кристаллизации; весьма проблематично также использование контактных методов измерения температуры в системе покрытие -подложка. Протекающие при этом теплофизические процессы в значительной мере предопределяют динамику физико-химических процессов и структурных изменений в обрабатываемом материале. Следовательно, прогнозирование особенностей их протекания способствует оптимизации режимов обработки, а также более достоверной интерпретации данных материаловедческого анализа обработанных образцов и изделий.
Несмотря на существенные различия в технических принципах генерации КПЭ для обработки покрытий и поверхности, природа их воздействия описывается сходными физико-математическими моделями. Они основаны на исследовании нестационарной сопряженной задачи нелинейной теплопроводности для анизотропной гетерогенной среды при наличии объемного или поверхностного источника теплоты с учетом фазовых превращений (плавление, затвердевание, испарение).
Для решения поставленной задачи вычислительный метод должен предоставлять возможность наиболее точного описания составных областей со сложной изменяющейся во времени геометрией. Это возможно с использованием неортогональных и неструктурированных сеток. Реализация эффективного
алгоритма автоматической триангуляции становится особенно актуальной для нестационарной задачи с динамически изменяющейся геометрией области решения при зарождении фронтов фазовых переходов.
Наиболее распространенным методом дискретизации в неструктурированном случае является метод конечных элементов (МКЭ). В настоящее время он используется в широко известных программных комплексах, таких как ANSYS/EMAG, FEMLAB, FLUX3D и др. Метод находит широкое применение как практически апробированный и хорошо зарекомендовавший себя инструмент и сохраняет привлекательность с точки зрения дальнейшего развития его математических основ.
Таким образом, не только предметная область обработки покрытий и поверхности с помощью различных КПЭ, но и развитие эффективных вычислительных и программных средств на базе МКЭ и построения неструктурированных сеток представляется актуальной темой исследования.
Целью работы является: 1) разработка вычислительных алгоритмов и программного комплекса на их основе для моделирования теплофизических процессов при обработке поверхности и покрытий концентрированными потоками энергии; 2) исследование с помощью разработанных средств процессов плазменного напыления, очистки металлической подложки от оксидного слоя пятном вакуумной дуги; обработки поверхности и покрытий, в том числе композиционных, импульсными и подвижными источниками тепла.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи исследования:
разработка на основе МКЭ алгоритмов для реализации задач нестационарного сопряженного кондуктивного теплопереноса в составных областях с учетом фазовых превращений (плавление, затвердевание, испарение);
создание проблемно-ориентированного комплекса программ для проведения вычислительных экспериментов;
исследование, с использованием разработанных вычислительных средств, процессов взаимодействия капли расплава с подложкой, завершающегося формированием сплэта, обработки покрытий стационарным и импульсным КПЭ, в том числе квазиламинарной плазменной струей, очистки поверхности стальных изделий от оксидного слоя пятном вакуумной дуги, а также нагрева поверхности подвижным пятном электрической дуги.
Методами исследования являются: методы математического моделирования, расчеты на множестве сгущающихся конечно-элементных разбиений с последующим анализом сходимости к экспериментальным данным и аналитическим решениям. Сопоставление и критериальное обобщение результатов вычисленных экспериментов и интерпретация опытных данных.
Научная новизна работы заключается в следующем. 1. Для класса задач нестационарного сопряженного кондуктивного теплопереноса в составных областях с динамически изменяющейся геометрией и
учетом одновременного протекания процессов плавления, затвердевания и испарения впервые разработан вычислительный алгоритм на основе МКЭ, позволяющий проводить численные исследования процессов обработки поверхности и покрытий в широком диапазоне плотностей мощности тепловых потоков 10 - 10иВт/м .
На основе предложенных алгоритмов создан и оттестирован программный комплекс. Его функциональные возможности включают в себя: а) использование априорных аналитических оценок пространственно-временных масштабов задачи; б) адаптивное сгущение сеток; в) динамическое масштабирование области решения; г) применение итерационных процедур определения фронтов фазовых переходов, основанных на возможности МКЭ естественным образом учитывать специфику краевых условий на границах плавления, затвердевания, испарения.
Выполнен цикл вычислительных экспериментов, позволивший впервые:
определить область применимости модели эквивалентного цилиндра для расчета формирования сплэтов при газотермическом напылении;
провести сравнение воздействий на покрытие стационарного и импульсного КПЭ и определить диапазоны плотностей мощности для их наиболее эффективного использования;
исследовать влияние плотности мощности теплового потока на скорость испарения материала покрытия, глубину подплавенного микрообъема подложки и скорость его охлаждения для модельной задачи очистки поверхности металлической подложки от оксидного слоя пятном вакуумной дуги в наиболее полной постановке с учетом фазовых превращений и в оксидном слое, и в подложке.
Практическая ценность. Разработанный программный комплекс позволяет проводить вычислительные эксперименты, результаты которых могут быть использованы для повышения эффективности таких технологических процессов, как плазменное напыление, очистка металлической подложки от оксидного слоя пятном вакуумной дуги, обработка двухкомпонентного Ni-Al поверхностного слоя для обеспечения последующего синтеза целевого интерме-таллида, обработка поверхности импульсными и подвижными источниками тепла. Цикл модельных вычислительных экспериментов, проведенный в ходе данной работы, позволил:
исследовать диапазоны плотностей мощности КПЭ, для которых реализуются различные сценарии обработки двухкомпонентных (Ni-Al) поверхностных слоев, осажденных с помощью холодного газодинамического напыления;
исследовать динамику плавления и степень испарения покрытия из нержавеющей стали заданной толщины, напыленного на подложку из никеля, при различных плотностях мощности и размерах пятна приложения стационарного и импульсного тепловых потоков;
провести сравнение времен и энергий, необходимых для полного расплавления покрытия, а также глубины теплового воздействия на подложку в зависимости от плотности мощности теплового потока;
оценить влияние степени неоднородности теплового потока в пятне воздействия на форму поверхности испарения и плавления в момент достижения фронтом плавления поверхности подложки;
исследовать испарение поверхностного оксидного слоя при одновременном подплавлении микрообъема подложки под пятном привязки вакуумной дуги и его последующем охлаждении и затвердевании, что представляется важным для адекватного описания теплофизических процессов и прогнозирования состояния поверхности металлической подложки после ее очистки от оксидного слоя;
определить области применимости модели эквивалентного цилиндра при моделировании соударения капли расплава с подложкой.
Практическая ценность работы подтверждается также справкой об использовании разработанного программного комплекса в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН (г. Томск).
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием адекватных математических моделей изучаемых явлений и подтверждается сравнениями с аналитическими решениями и данными лабораторных экспериментов, проведением серий расчетов на сгущающихся сетках, сопоставлениями с результатами работ других авторов.
Личный вклад. Автором разработан и программно реализован вычислительный алгоритм на основе МКЭ, позволяющий проводить численные исследования процессов обработки поверхности и покрытий в широком диапазоне плотностей мощности тепловых потоков. Выполнен анализ точности разработанных методов и алгоритмов. Проведен цикл модельных вычислительных экспериментов.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на XVII Межреспубликанской конференции "Численные методы решения задач теории упругости и пластичности" (Новосибирск, 2001), на I Международном симпозиуме "Advanced Fluid Information" (Sendai, Japan, 2001), на XVI (Taormina, Italy, 2003) и XVIII (Kyoto, Japan, 2007) Международном симпозиуме по плазмохимии, на Международных конференциях по термическому напылению (Bazel, Switzerland, 2005), (Maastricht, Netherlands, 2008), XIV Международной конференцию по методам аэрофизических исследований ICMAR2008 (Новосибирск, 2008), III Всероссийской конференции "Взаимодействие высококонцентрированных потоков энергии с материалами в перспективных технологиях и медицине" (Новосибирск, 2009), а также на семинаре Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН.
Основные результаты диссертационной работы получены в рамках Программы 6.5 ИТПМ СО РАН на 2004-2006 гг. "Физико-химическая механика гетерогенных сред и технологий на их основе", Проект "Исследование механизмов и условий формирования нано- и микроструктуры материалов при
плазменном и холодном газодинамическом напылении, высокочастотном электромагнитном и физико-химическом воздействии"; Программы 6.5 ИТПМ СО РАН на 2007-2009 гг. "Механика гетерогенных сред и нанотехнологии", Проект "Физико-химические основы формирования регулируемой микро - и наноструктуры при создании перспективных порошковых материалов, комбинированных покрытий и упрочненных поверхностных слоев"; Междисциплинарных интеграционных проектов СО РАН №93 на 2003-2005 гг. "Разработка принципов и технологий создания наноструктурных состояний в поверхностных слоях и на внутренних границах раздела высокоресурсных конструкционных и функциональных материалов", № 90 на 2006-2008 гг. "Научные основы создания многослойных наноструктурных покрытий и интерфейсов в гетерогенных материалах для работы в полях экстремальных внешних воздействий", а также грантов РФФИ №98-02-17810, 07-08-00209.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе: 1 - в издании, входящем в перечень рекомендуемый ВАК РФ, 3 - в рецензируемых журналах, 5 - в сборниках трудов конференций. В совместных публикациях автору принадлежат алгоритмы определения фронтов плавления и испарения, построения и адаптации сетки, вычислительные схемы и результаты численного моделирования взаимодействия капель расплава с подложкой в рамках модели эквивалентного цилиндра, вычислительные схемы и результаты численного моделирования взаимодействия КПЗ с поверхностью.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Полный объём составляет 140 страниц, включая 15 таблиц и 63 рисунка. Список использованных источников содержит 97 наименований.
