Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Аналитический обзор и обоснование выбора направления исследований 17
1.1. Способ центробежного распыления вращающегося электрода плазменным потоком 18
1.2. Способ центробежного распыления с вращающимся тиглем 24
1.3. Способ распыления расплава в охлаждаемом инертном газе 25
1.4. Современные технологии послойного синтеза изделий 27
1.5. Технология послойного синтеза изделий электронным лучом 33
1.5.1. Формирование изделия из порошка различного химического состава 44
1.5.2. Структурно-параметрическая оптимизация процесса послойного синтеза изделий 49
1.6. Способы упаковки частиц шаровидной формы 54
1.7. Цель и задачи исследования 65
ГЛАВА 2. Моделирование процесса получения порошка тугоплавких металлов и сплавов методом плазменного распыления вращающегося электрода 69
2.1. Вывод аналитических зависимостей теплофизических свойств газов и материала частицы от температуры 70
2.2. Аэродинамическая модель полёта частицы 77
2.2.1. Определение зависимости между частотой вращения электрода и диаметром частицы 77
2.2.2. Расчёт параметров динамики частицы при движении вверх 79
2.2.3. Расчёт параметров динамики частицы при движении вниз 84
2.2.4. Анализ полученных результатов
2.2.5. Расчёт динамики полёта на примере частиц из титановых сплавов 89
2.3. Исследование напряжённого деформированного состояния частицы при ударе об стенку камеры 92
2.4. Моделирование процесса охлаждения частиц распыленного металла в газовой смеси 102
2.4.1. Аэротермодинамическая математическая модель процесса охлаждения частицы 105
2.4.2. Моделирование процесса охлаждения частицы из сплава ВТ6
в газовой смеси аргона и гелия 107
2.4.3. Моделирование процесса охлаждения частицы из сплава ВТ6 в среде гелия и в среде аргона 115
2.4.4. Исследование образования частицы при слёте с венца под различным углом 122
2.5. Анализ технологических режимов получения порошка на базе аппарата параметрической оптимизации 123
2.5.1. Исследование образования частиц при различных частотах вращения электрода 123
2.5.2. Исследование влияния состава газовой смеси на охлаждение частиц 126
2.5.3. Влияние коэффициента турбулентности на охлаждение частиц 128
2.5.4. Исследование влияния рабочего давления на охлаждение частиц 131
2.6. Особенности моделирования охлаждения частиц в процессе получения порошка металлов и сплавов 135
2.7. Моделирование процесса получения порошка на специализированной технологической установке 140
2.8. Выводы по второй главе 144
ГЛАВА 3. Моделирование процесса электронно-лучевого синтеза изделий 147
3.1. Математическая модель взаимодействия сканирующего электронного луча с изделием 148
3.1.1. Распределение мощности электронного луча по поверхности порошка 150
3.1.2. Учёт пористости верхнего слоя порошка 159
3.2. Математическое моделирование процесса послойного спекания/плавления изделий электронным лучом в вакууме с учётом сопряжённых процессов тепло - и массопереноса, гидродинамики расплава 160
3.3. Моделирование процесса синтеза изделий электронным лучом из порошка титанового сплава ВТ6 168
3.3.1. Определение температурного поля при сканировании поверхности электронным лучом 169
3.3.2. Расчёт температурного поля при плавлении порошка с учётом теплоты фазового перехода (двухфазная задача Стефана) 175
3.3.3. Растекание расплавленного порошка по поверхности синтезируемого изделия 189
3.3.4. Параметрическая оптимизация процесса синтеза изделий электронным лучом 202
3.4. Выводы по третьей главе 205
ГЛАВА 4. Исследование порошковых и композиционных изделий, полученных по технологии послойного синтеза 207
4.1. Получение заготовки из титанового сплава ВТ6 требуемого химического состава 207
4.2. Распыление исходного электрода 213
4.2.1. Получение порошка из титанового сплава ВТ6 215 4.2.2. Статистический анализ фракционного состава порошка титанового сплава ВТ6 при различных частотах вращения электрода 219
4.2.3. Получение порошка из молибдена 223
4.3. Синтез изделий из порошка титанового сплава ВТ6
электронным лучом 224
4.4. Высокотемпературная газостатическая обработка титановых образцов, полученных по технологии послойного синтеза 230
4.5. Исследование механических и эксплуатационных свойств опытных образцов, полученных по технологии синтеза электронным лучом 231
4.5.1. Измерение твёрдости 232
4.5.2. Исследование прочностных свойств 233
4.5.3. Испытание на ударную вязкость 235
4.5.4. Испытания на изнашивание образцов, полученных по технологиям электронно-лучевого синтеза и газостатической обработки 236
4.6. Получение порошковых и композиционных изделий методами электронно-лучевого синтеза, вакуумной пайки, плазменного напыления 240
4.7. Получение композиционных образцов методами электронно-лучевого синтеза и электронно-лучевого напыления 248
4.8. Выводы по четвёртой главе 251
ГЛАВА 5. Специализированное технологическое оборудование для реализации технологии послойного синтеза изделий 254
5.1. Вакуумная установка «СИЭЛ-3» для получения изделий с программируемой структурой из порошка различного химического состава методом послойного электронно-лучевого синтеза 255
5.2. Технологическая установка для получения композиционных изделий методами послойного электронно-лучевого синтеза и напыления 267
5.3. Специализированная установка типа «УИП-3» для послойного синтеза изделий ионным пучком 279 5.4. Специализированная установка типа «УТ-1» для ионной химико-термической обработки порошка 286
5.5. Технологическая однокамерная установка «СИЭЛ-5» для реализации гибридной технологии по получению порошковых изделий 291
5.6. Выводы по пятой главе 299
Общие выводы 301
Условные обозначения и сокращения 306
Список использованной литературы
- Способ распыления расплава в охлаждаемом инертном газе
- Расчёт параметров динамики частицы при движении вверх
- Математическое моделирование процесса послойного спекания/плавления изделий электронным лучом в вакууме с учётом сопряжённых процессов тепло - и массопереноса, гидродинамики расплава
- Высокотемпературная газостатическая обработка титановых образцов, полученных по технологии послойного синтеза
Введение к работе
Актуальность темы. Разработка инновационной технологии послойного синтеза изделий (ТПСИ), проектирование принципиально нового специализированного оборудования открывают новые возможности по созданию композиционных изделий из порошков различного химического состава с заданной структурой и заранее прогнозируемыми свойствами (многокомпонентные магниты, композиционные средства противоударной защиты и др.). ТПСИ включает следующие технологические операции: получение порошка из различных металлов и сплавов, в том числе из тугоплавких химически активных металлов; послойное формирование изделий с помощью электронного луча, вакуумной пайки, плазменного и электронно-лучевого напыления и других методов; высокотемпературная газостатическая обработка (при необходимости).
Новые возможности по созданию порошковых изделий предоставляют гибридные технологии, которые сочетают различные методы послойного формирования изделия: электронно-лучевой/ионный синтез, вакуумная пайка, электронно-лучевое напыление.
Получение композиционных изделий с необходимым комплексом прочностных и пластических свойств обеспечивается различным сочетанием основного и упрочняющего порошка. В качестве последнего могут использоваться порошки тугоплавких металлов и сплавов (титан, молибден, ниобий, тантал, вольфрам; их карбиды, бориды, нитриды). Одним из путей достижения высокой прочности порошковых изделий является создание бездефектной исходной ячейки для последующего синтеза изделия.
Среди различных методов получения порошка сферической формы в России наиболее широкое распространение получил метод вращающегося электрода/заготовки с плазменным нагревом (PREP), при котором заготовка подаётся в камеру распыления, где в результате оплавления плазменной дугой на торце заготовки образуется жидкая плёнка металла толщиной в несколько раз меньше диаметра образующегося порошка. Разработка технологических режимов получения порошка сферической формы, в том числе тугоплавких металлов и сплавов, методом PREP, технологии послойного синтеза изделий электронным лучом представляет собой актуальную задачу, для реализации которой с целью сокращения расходов на исследование и времени на проведение экспериментальных процессов целесообразно использовать методы математического моделирования.
Процесс синтеза изделий электронным лучом (СИЭЛ) относительно новый, но уже успешно показавший большие перспективы своего использования в аэрокосмической промышленности для изготовления широкой номенклатуры деталей и конструкций самолетов, вертолетов, космических ракет и подсистем, а также в ортопедии, для изготовления имплантатов. В его основу положена операция послойного спекания/плавления металлического порошка в вакууме с помощью электронного луча. Данный подход отличает быстрый переход к изготовлению трехмерных изделий непосредственно от системы автоматизированного проектирования, возможность использования широкого спектра металлов и сплавов, в том числе тугоплавких.
Целью работы является создание нового подхода к получению порошковых и композиционных изделий различного химического состава с программируемой структурой, не реализуемых в рамках равновесных и квазиравновесных
технологических процессов, методами послойного электронно-лучевого плавления/спекания, пайки и напыления; разработка гибридной технологии и специализированного технологического оборудования для синтеза конструкционных и функциональных материалов на основе численного математического моделирования процессов получения порошка методом плазменного распыления вращающегося электрода и послойного электроннолучевого плавления.
В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие основные задачи:
-
Разработка научно-технических основ нового подхода к получению порошковых и композиционных изделий различного химического состава с программируемой структурой методами послойного электронно-лучевого плавления/спекания, вакуумной пайки и электронно-лучевого напыления.
-
Научное обоснование особенностей получения металлических порошков, включая порошки тугоплавких металлов и сплавов, методом плазменного распыления вращающегося электрода на базе аэротермодинамической математической модели, объединяющей аэродинамические параметры с параметрами тепло- и массопереноса и удара частицы о стенку камеры.
-
Разработка математической модели процесса послойного электронно-лучевого синтеза изделий, с учётом фазовых переходов расплавленного слоя и гидродинамических процессов движения жидкого металла.
-
Разработка инновационной гибридной технологии получения изделий из порошков различного химического состава, включающей следующие технологические операции:
получение порошка шаровидной формы из различных металлов и сплавов, включая порошок тугоплавких химически активных металлов;
послойное формирование изделий с помощью электронного луча или ионного пучка, вакуумной пайки, плазменного и электронно-лучевого напыления и других методов;
высокотемпературная газостатическая обработка (при необходимости).
-
Экспериментальное исследование порошковых изделий из титанового сплава ВТ6, полученного по технологии послойного электронно-лучевого синтеза.
-
Получение композиционного материала из порошков титанового сплава и молибдена методами послойного электронно-лучевого плавления, вакуумной пайки, электронно-лучевого напыления различных металлических (сплавы на основе никеля, кобальта, хрома, алюминия, иттрия) и керамических слоев (оксиды циркония и иттрия).
-
Разработка научно-технических основ и конструкционных решений специализированного технологического оборудования для:
производства порошков химически активных металлов и сплавов (титан, молибден, ниобий, вольфрам, цирконий, интерметаллиды и др.);
реализации гибридных технологий послойного электронно-лучевого плавления/спекания и напыления;
реализации операций послойного синтеза изделий электронным и/или ионным пучком.
8. Проектирование математического, алгоритмического и программного
обеспечения специализированного технологического оборудования для получения
порошка методом плазменного распыления вращающегося электрода и послойного
синтеза изделий.
Научная новизна диссертационной работы состоит в создании концепции нового подхода к получению изделий с программируемой структурой из порошка различного химического состава, проектировании численных математических моделей процессов получения порошка и послойного электронно-лучевого синтеза, развитии научно обоснованных технических решений при разработке специализированного технологического оборудования, а именно:
-
Научно обоснован и разработан новый подход для получения порошковых и композиционных изделий с программируемой структурой из порошка различного химического состава методами послойного электронно-лучевого синтеза, пайки и напыления. Предложенный подход позволяет не только создавать принципиально новые композиционные изделия с прогнозируемыми свойствами, которые невозможно получить традиционными способами, но и изготавливать из них изделия сложной геометрической формы. Композиция порошка различного химического состава в каждом горизонтальном и вертикальном слое материала может быть изначально запрограммирована. В процессе «роста» изделия осуществляется заданное формирование структуры изделия путём локальной термической обработки изделия электронным лучом или модификации слоя ионным пучком.
-
Определены научно-технические закономерности процессов получения новых порошковых и композиционных изделий с использованием различных технологических методов, основанные на предварительном моделировании и отработке всех технологических операций, что позволяет формировать изделия из порошка различного химического состава, включая порошок химически активных металлов.
-
Предложена математическая модель процесса получения порошка тугоплавких металлов и сплавов методом плазменного распыления вращающегося электрода, включающая:
аналитические зависимости теплофизических свойств газовой среды и материала частицы от температуры;
аналитическую модель аэродинамики полёта частицы;
численную модель расчёта деформаций вследствие взаимодействия частицы со стенкой камеры;
численную аэротермодинамическую модель, связывающую аэродинамические параметры (скорость, время полёта частицы) с параметрами тепло- массопереноса (температура, давление, плотность, коэффициент динамической вязкости и др.).
4. Предложено математическое обеспечение процесса электронно-лучевого синтеза
изделий, включающее:
последовательность технологических операций;
модель взаимодействия сканирующего электронного луча с изделием (расчёт мощности луча, скорости сканирования, удельной энергии);
численную модель тепло- и массопереноса при синтезе изделия с учётом переноса тепла и фазовых превращений расплавленного слоя (задача Стефана), гидродинамических процессов движения вязкого сжимаемого жидкого металла со свободной верхней границей вследствие действия гравитационных, капиллярных и термокапиллярных сил;
расчёт оптимальных значений параметров процесса на базе аппарата векторной оптимизации.
5. Изучены свойства порошкового титанового сплава ВТ6, полученного по
технологии послойного синтеза электронным лучом.
6. Экспериментально исследованы общие закономерности получения композиционных изделий с программируемой структурой из порошков титанового сплава и молибдена с применением различных методов послойного синтеза (электронный луч, напыление, пайка).
Научная новизна конструкторских и программных решений защищена тремя патентами и одним свидетельством РФ о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Решение поставленных задач базируется на научных положениях теорий индукционного нагрева, электронно-лучевой обработки, плавления, центробежного распыления, тепловых процессов, упругого и пластического деформирования материалов, технологии машиностроения, численных методов решения дифференциальных уравнений, системном анализе систем управления, работ по теории и практике параллельных вычислений.
Для решения поставленных задач использованы современные методы исследований и измерительная аппаратура: сканирующий интерференционный микроскоп ZYGO NewView 7300; атомно-силовой микроскоп Solver 47Н с приставкой для исследования модуля Юнга и твердости на наноуровне; растровый электронный микроскоп Jeol 6510 LV; система микроанализа INCA Energy++ фирмы Oxford Instruments; исследовательский инвертированный микроскоп Axiovert 200 МАТ; электронный измеритель шероховатости TR200; оптический профилометр NanoMap; универсальный твердомер Zwick/Roell ZHU 250; испытательная машина Zwick/Roell-Z050; маятниковый копер RKP-450.
Практическая значимость результатов работы:
-
Разработана гибридная технология получения новых классов композиционных изделий с заданной структурой, не реализуемая в рамках равновесных и квазиравновесных технологических процессов.
-
Рассчитаны конструктивные параметры специализированного оборудования и технологические режимы процесса получения порошка тугоплавких металлов и сплавов методом плазменного распыления вращающегося электрода.
-
Рассчитаны технологические режимы процесса синтеза порошковых изделий с помощью электронного луча, параметры управляющей программы процесса электронно-лучевого синтеза изделий для сплава ВТ6.
-
Изучены состояние поверхности и механические характеристики порошкового титанового сплава ВТ6, полученного методом электронно-лучевого синтеза.
-
Получены композиционные изделия из порошков титанового сплава ВТ6, молибдена, оксида молибдена методами послойного электронно-лучевого плавления и вакуумной пайки; электронно-лучевого напыления различных металлических (сплавы на основе никеля, кобальта, хрома, алюминия, иттрия) и керамических слоев (оксиды циркония и иттрия).
-
Разработаны конструктивные решения специализированного оборудования для реализации гибридных технологий, сочетающих различные методы послойного формирования изделия (электронно-лучевой синтез, ионный синтез, вакуумная пайка, электронно-лучевое напыление, ионно-имплантационная модификация поверхности порошка с использованием источника высокоэнергетических ионов). Предложенные оригинальные конструкторские решения механизмов могут быть использованы в различном оборудовании послойного синтеза изделий.
-
Предложена классификация специализированного технологического оборудования для реализации операции послойного синтеза электронным лучом в зависимости от способа подачи и устройства хранения порошка, схемы
формирования различных сочетаний порошков, способа формирования горизонтального слоя из порошков различного химического состава. 8. Разработаны различные исполнения мультипроцессорных систем управления специализированного оборудования, включающие набор современных микропроцессорных, микроконтроллерных и компьютерных аппаратных средств; библиотеки математического и алгоритмического обеспечения; программные модули, которые реализуют различные априорные и адаптивные законы управления процессами получения порошка, послойного синтеза изделий и базируются на обработке информации в реальном масштабе времени с использованием датчиков обратной связи и устройств управления сканированием луча. Программные решения позволяют повысить уровень управляемости и повторяемости параметров технологического процесса, исключить влияние субъективных факторов на процесс синтеза.
Достоверность положений, выводов и рекомендаций диссертации обеспечиваются корректностью постановки задач исследования и комплексным подходом к их решению; большим объемом расчетов и экспериментов и критическим сравнением полученных данных с результатами других авторов; использованием современных методов математического моделирования, экспериментальных исследований, аналитического оборудования; привлечением статистических методов обработки результатов.
Личный вклад автора заключается в разработке концепции диссертационной работы и нового подхода для получения порошковых и композиционных изделий, формулировании цели, определении задач, проектировании математических моделей, выполнении экспериментальных исследований, участии в разработке систем управления и программного обеспечения специализированного технологического оборудования.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Новый подход к получению конструкционных, функциональных и композиционных изделий с программируемой структурой и заданными свойствами из порошков различного химического состава, основанный на пооперационном математическом моделировании процессов получения порошка методом плазменного распыления вращающегося электрода и послойного синтеза изделий методами электронно-лучевого плавления/спекания, пайки и напыления и др.
-
Аэротермодинамическая математическая модель процесса получения порошка шаровидной формы методом плазменного распыления вращающегося электрода, связывающая аэродинамические параметры (скорость, время полёта частицы) с параметрами тепло- массопереноса (температура, давление, плотность, коэффициент динамической вязкости и др.).
-
Математическая модель процесса синтеза изделий электронным лучом, включающая:
управляемый нагрев подложек различной геометрической формы,
спекание/плавление слоя порошка с помощью электронного луча,
расчёт оптимальных параметров на базе аппарата векторной оптимизации.
-
Обоснование технологических режимов процесса послойного электроннолучевого синтеза изделий из порошка титанового сплава.
-
Алгоритмическое и программное обеспечение процесса синтеза изделий из порошка тугоплавких титановых сплавов.
-
Конструкторские решения специализированного технологического оборудования для реализации технологий получения порошка методом
плазменного распыления вращающегося электрода, послойного синтеза изделий методами электронно-лучевого и ионного плавления/спекания, вакуумной пайки, электронно-лучевого напыления, ионно-имплантационной модификации поверхности слоя с использованием источника высокоэнергетических ионов. 7. Результаты исследований химического состава, механических и триботехнических свойств порошковых и композиционных изделий, полученных по технологии послойного синтеза изделий.
Апробация результатов работы. Результаты исследований и основные узлы предложенных конструктивных решений технологического оборудования докладывались и обсуждались на первой Санкт-Петербургской международной научно-технической конференции «Электронно-лучевые технологии», г. Санкт-Петербург, 2008 г.; второй Санкт-Петербургской международной научно-технической конференции «Электронно-лучевые технологии», г. Санкт-Петербург, 2011г.; третьей Санкт-Петербургской международной научно-технической конференции «Электронно-лучевые технологии», г. Санкт-Петербург, 2014 г.; научно-практической конференции кафедры «Сварочное производство» МАТИ, г. Москва, 2009 г.; первом инновационном форуме «Университет - региону», г.Тверь, 2008 г.; втором инновационном форуме «Университет - региону», г. Тверь, 2010 г.; симпозиуме Межрегиональной Общественной Организации «Московский Межотраслевой Альянс Главных Сварщиков» (МРОО ММАГС), г.Москва, 2014 г.; научно-производственной конференции «Новое специализированное оборудование для современных технологических процессов», г.Ржев, 2014г.; втором Международном технологическом форуме «Инновации. Технологии. Производство», секция «Аддитивные технологии», г. Рыбинск, 2015 г.
Эффективность и работоспособность выдвинутых в диссертационной работе
научных положений подтверждается внедрением электронно-лучевого и
центробежного оборудования, оснащённого мультипроцессорными
компьютерными системами управления в ОАО "Электромеханика" (г. Ржев), ОАО «ВИЛС» (г. Москва), ОАО «НПО Сатурн» (г. Рыбинск), ММПП «Салют» (г. Москва).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 56 печатных работ, в том числе 37 в изданиях, включенных в Перечень ВАК РФ, а также 3 патента на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов, библиографического списка и приложений. Работа изложена на 422 страницах, содержит: 23 таблицы, 188 рисунков. Библиографический список включает 180 наименований.
Способ распыления расплава в охлаждаемом инертном газе
Среди различных методов получения порошков в РФ наиболее широкое распространение получил метод вращающегося электрода с плазменным нагревом (PREP) [58], схема которого приведена на рисунке 1.1. Вращающийся электрод подаётся в камеру распыления, где в результате оплавления плазменной дугой на торце электрода образуется жидкая плёнка металла толщиной в несколько раз меньше диаметра образующегося порошка. Отделение частицы от электрода происходит с торцевого жидкого венца, диаметр которого больше диаметра электрода [58].
Схема процесса получения порошка методом вращающегося электрода (I - смещение факела плазмы относительно оси заготовки, А - технологический зазор между заготовкой и плазматроном, йф диаметр факела на торце заготовки)
Частицы расплава, оторвавшиеся от венца вращающейся заготовки, перемещаясь в газовой среде, образуют после кристаллизации порошок шарообразной формы, которые из плавильной камеры перемещаются в приемный бункер. Для более интенсивного отвода тепла от частицы, помимо охлаждения излучением, используется конвективное охлаждение в потоке смеси инертных газов (аргон и гелий), процентный состав которой определяется технологией и свойствами инертных газов: - гелий имеет на порядок большую теплопроводность, чем аргон, что обеспечивает большие скорости охлаждения частиц; - аргон имеет большую плотность, чем гелий, что увеличивает время полёта частицы в камере, отчасти, компенсирую меньшую теплопроводность аргона; - аргон, имея меньший потенциал ионизации, чем гелий, также обеспечивает устойчивость дугового разряда.
К числу преимуществ метода PREP следует отнести получение плотных безгазовых частиц шарообразной формы. Механизм каплеобразования, описанный в работе [58], включает формирование тонкой плёнки расплавленного металла размером 20-50 микрон на торце электрода вследствие воздействия плазмы; движение жидкого металла к периферийной обогреваемой поверхности электрода и образование венца; перетекание расплава в формирующиеся на венце головки произвольной формы; отрыв частиц от венца при превышении сил центробежного ускорения по сравнению с силами поверхностного натяжения.
Приведённый механизм показывает, что на первом этапе, формирование частицы до момента её отделения от венца, практически отсутствует её взаимодействие с газовой средой. Следовательно, исключается появление частиц с газовыми и прочими включениями. Охлаждение и кристаллизация в смеси инертных газов происходит на втором этапе. Более того, при скоростях кристаллизации свыше 10 - 10 С/с образуются частицы с мелкозернистой структурой.
Важнейшими параметрами, влияющими на скорость охлаждения частицы, являются диаметр частицы, теплопроводность газовой смеси, давление в камере распыления.
Скорость зарождения кристаллов возрастает с ростом скорости охлаждения, что приводит к пропорциональному уменьшению размера зерен. Влияние скорости охлаждения частиц расплавленного металла на характеристики микроструктуры исследованы во многих работах [16, 57, 148]:
Распыление при скорости охлаждения частицы до 104оК/с, как правило, приводит к формированию микрокристаллических и тонких дендритных структур. При переохлаждении капли можно получить порошок шарообразной формы с недендритной структурой [148]. Скорость охлаждения частиц может быть увеличена за счёт дополнительного конвективного охлаждения. При охлаждении со скоростью свыше 10 - 10 С/с формируются частицы с микрокристаллической и тонкой дендритной структурой.
Процесс получения порошка методом PREP характеризуется достаточно большими коэффициентами теплоотдачи вследствие турбулентных явлений, источниками которых являются:
Следует отметить, что особенностью получения порошка методом PREP, и одновременно его недостатком, является необходимость получения литых электродов. Это ограничивает возможности метода для проведения научно-исследовательских работ по получению порошка из химически активных металлов и сплавов. Из известных на сегодняшний день способов получения электродов можно выделить индукционный с холодным тиглем.
Метод индукционной плавки в холодном тигле обеспечивает получение отливок для электродов из порошковой шихты, твердых растворов или химических соединений из нескольких компонент [69]. На базе данного метода получены нитинол, обладающий эффектом памяти (сплав 43% титана и 57% никеля), интерметаллиды типа ТІА1, сложнолегированные титановые сплавов на основе Ті - А1 с добавлением Nb, Сг и других легирующих элементов (для создания авиадвигателей 5-го поколения), сплавы ВТ6 (Ti-6A1-4V), ВТ-35 (Ti-15W-3G-3Al-3Sn-lZr-lMo) [15]. Метод PREP достаточно хорошо исследован при распылении жаропрочных никелевых сплавов и, отчасти, титановых сплавов. Известны ММ процесса распыления, описывающие процесс получения порошка шарообразной формы из жаропрочных никелевых сплавов [62, 63, 129]. В то же время разработка технологических режимов получения порошка тугоплавких металлов и сплавов методом PREP представляет собой актуальную задачу, для реализации которой с целью сокращения расходов на исследование и времени на проведение экспериментальных процессов целесообразно использовать методы математического моделирования. Численное моделирование процесса дает возможность до проведения опыта прогнозировать параметры внутренней структуры материала, предсказывать новые механизмы взаимосвязей режимов процессов и кристаллизации порошка.
Принцип оптимальности при проектировании операции получения порошка методом PREP можно сформулировать следующим образом: определить такие значения вектора искомых параметров X, которые обеспечили бы наибольшую эффективность процесса при выполнении ограничений по размеру и качеству порошка.
Расчёт параметров динамики частицы при движении вверх
Основной задачей настоящей главы является разработка ММ процесса получения порошка тугоплавких металлов и сплавов методом PREP. Численная модель позволяет не только исследовать процесс получения порошка из различных металлов и сплавов, включая тугоплавкие, но и выбрать оптимальные значения параметров управляющей программы (частота вращения электрода, рабочая мощность плазматрона, диаметр факела на торце заготовки, смещение факела плазмы относительно оси заготовки, технологический зазор между заготовкой и плазматроном, состав смеси инертных газов и др.).
Для расчёта диаметра порошка шарообразной формы, исследования процесса охлаждения и кристаллизации частиц в полёте, определения напряженно-деформированного состояния в области взаимодействия частицы со стенкой камеры был разработан ряд ММ:
Следует отметить, что связь между различными моделями процесса имеет достаточно сложный характер. Пунктирными линиями на рисунке 2.1 показано распределение потоков информации между моделями.
Среди исследований, посвященных данному вопросу, особо следует отметить работы В.Т. Мусиенко [57, 58] и В.К. Орлова [62, 63]. Как правило, в данных работах рассматриваются автономные модели, рассматривающие только отдельные физические процессы. Задачей настоящего исследования было построение ММ процесса на базе системного подхода, объединяющего аэродинамические параметры с параметрами тепло- массопереноса и удара частицы со стенкой. Взаимосвязь частоты вращения электрода и диаметра частицы
Вывод аналитических зависимостей теплофизических свойств газов и материала частицы от температуры Функциональные зависимости коэффициента динамической вязкости, плотности газов и материала частицы от температуры необходимы для исследования аэродинамики полёта частицы в инертной среде, коэффициентов теплопроводности и теплоёмкости - при исследовании тепловых процессов. Известны, приведённые в работе [3], значения теплофизических свойств гелия (таблица 2.1.1) и аргона (таблица 2.1.2) при температурах до 1000С и 1200С.
Используя данные приведённых таблиц, осуществим экстраполяцию значений коэффициента динамической вязкости, теплопроводности, плотности инертных газов с целью получения аналитических зависимостей в области высоких температур.
Для получения функциональных зависимостей коэффициентов динамической вязкости /л и теплопроводности X воспользуемся формулой Сатерленда [149]: pi -- = Cj т!-5/(тг+с2) Учитывая уравнение Клайперона для идеальных газов, функциональную зависимость плотности от температуры можно представить в следующем виде: В результате для расчёта динамической вязкости гелия получены следующие значения коэффициентов Сі = 1.634 10" , Сг = 147.977; для аргона -Сі = 1.914 10"6, С2= 137.477.
Аналогично, с использованием метода наименьших квадратов, были определены коэффициенты Сз и С4 для расчёта коэффициента теплопроводности: для гелия - Сз = 0.014477, С4 = 221.6391, для аргона - Сз = 0.001594, С4 = 164.718.
Для расчёта плотности гелия по формуле (2.1.3) коэффициент С5 равен 2153.7, для аргона - С5 = 207.5.
Нелинейная зависимость теплофизических параметров гелия от температуры, рассчитанная по формулам (2.1.1, 2.1.2, 2.1.3) и табличным данным, приведена на рисунках 2.1.1 - 2.1.3 (сплошная линия - табличные данные, пунктирная линия - расчётные данные).
Следует отметить хорошее совпадение зависимостей х(Т), р(Т), Х(Т), полученных по аналитическим формулам и табличным данным. Аналогичные зависимости получены для аргона. О.ООЕ-ЮО
Помимо теплофизических параметров газовой среды для моделирования процесса получения порошка необходимо знать зависимость теплофизических свойств материала заготовки от температуры (для нашего случая - на примере титана).
Нелинейная зависимость теплопроводности титана до температуры 1300 приведена в работе [2], до температуры 1660С - в работе [130]. Для получения значений коэффициента теплопроводности при более высоких температурах, необходимых при моделировании процесса охлаждения частиц с учётом фазового перехода, воспользуемся полиномом 4 степени:
Для нахождения коэффициентов АІ используем метод наименьших квадратов. В результате решения системы уравнений с 5 неизвестными имеем: ЦТ) = 22.359 - 0.0207 Т1 + 4 7 О"5 f-З Ю-8 Ґ + 9 Ю-12 Т4, Вт/(м град) (2.1.11) Функциональная зависимость плотности титана от температуры имеет следующий вид:
Температура в формулах (2.1.10-2.1.12) измеряется в градусах Цельсия. Значительные изменения теплопроводности Х(Т), плотности р(Т), теплоёмкости с(Т) показывают, что система дифференциальных уравнений тепло- и массопереноса, описывающая процесс получения порошка, существенно нелинейная.
Коэффициент поверхностного натяжения частицы о(Т), равный работе, необходимой для увеличения поверхности жидкости на единицу площади при постоянной температуре, зависит от свойств расплава и охлаждаемой среды. При моделировании следует учитывать зависимость коэффициента поверхностного натяжения от температуры.
Таким образом, в настоящем разделе определены аналитические зависимости теплофизических свойств газовой среды (гелия и аргона) и материала частицы (титан) при температурах до 2000С, что предоставляет новые возможности при исследовании тепловых процессов и численном моделировании. Полученные зависимости позволяют прогнозировать значения теплофизических параметров в диапазоне температур, отсутствующие в справочной литературе.
Задачей настоящего раздела является построение аналитической аэродинамической модели полёта частицы с целью получения зависимостей связывающих скорость, время и координаты частицы от момента её отрыва до окончания полёта.
Математическое моделирование процесса послойного спекания/плавления изделий электронным лучом в вакууме с учётом сопряжённых процессов тепло - и массопереноса, гидродинамики расплава
На рисунке 2.4.9 отчётливо виден фазовый переход из жидкого состояния частицы в твёрдое, описываемый математически задачей Стефана. Время охлаждения в диапазоне от температуры ликвидус до температуры солидус составляет 0,015 с. Скорость охлаждения частицы из титанового сплава ВТ6 в данном диапазоне равна 7 10 С/с.
Распределение скоростей потока газа в области частицы приведено на рисунке 2.4.10, где также представлены две графические зависимости скорости полёта частицы от времени, полученные: на базе аэродинамической модели (верхний график); на базе модели ANSYS CFX (нижний график). Отличие динамики изменения скорости частицы от времени можно объяснить зависимостью числа Рейнольдса, коэффициента аэродинамического сопротивления, коэффициента динамической вязкости от температуры.
Точность расчёта скорости полёта частицы имеет прикладное значение: до встречи частицы со стенкой камеры важно уменьшить скорость полёта частицы до минимально возможного значения. В этом случае кинетическая энергия частицы, пропорциональная квадрату скорости, окажет небольшое влияние на деформацию частицы.
В начале полёта частицы градиент давления больше, плавно уменьшаясь во время полёта. По мере увеличения числа Рейнольдса уменьшается влияние коэффициента динамической вязкости на сопротивление частице, в то же время влияние распределения поля давления - возрастает, и ставится доминирующим. Таким образом, в результате моделирования на примере порошка из титанового сплава ВТ6 были получены поля распределения температуры, давления, плотности, коэффициента динамической вязкости во время полёта частицы в газовой смеси аргона и гелия.
В качестве исходных данных для проведения аэротермодинамического расчёта используются зависимости скорости частицы от времени в течение всего полёта, найденное в аэродинамических расчётах: на твёрдую частицу из титанового сплава шарообразной формы диаметром 100 микрон действует поток газа (гелия) с начальной скоростью V0 = 92 м/с (рисунок 2.4.12). Температурный интервал между температурами солидус и ликвидус материала частицы составляет 100С (температура солидус Tsoi = 1580С, температура ликвидус Тнч = 1680С).
Моделирование процесса охлаждения частицы проводилось в двух средах: аргоне и гелии. Графики изменения температуры частицы от времени в среде аргона приведены на рисунке 2.4.13 а, в среде гелия - на рисунке 2.4.13 б, из них видно, что градиент температуры по сечению частицы очень малый и составляет не более 2С.
Охлаждение частицы из титана от температуры плавления Tnq = 1680С до температуры охлаждения Тохл = 1100С в среде аргона происходит за 0,025 с; в среде гелия - за 0,016 с. Таким образом, расчёт показал, что скорость охлаждения частицы в среде гелия существенно больше, чем в аргоне. Температурное поле и динамика изменения температуры частицы от времени (а - в среде аргона, 6-е среде гелия)
Тепловые потоки QK и Qp при охлаждении частицы, вследствие соответственно конвективного теплообмена частицы с газовой средой и радиационного излучения, представлены на рисунка 2.4.14.
Расчёт показывает, что при охлаждении частицы преобладающим является конвективный теплообмен между частицей и газовой средой. Величина радиационной составляющей меньше конвективной в несколько раз. Поэтому при проведении приблизительных расчётов по охлаждению частицы ею можно пренебречь. Heat :oriwectionar d radiation
Существенное отличие в плотности аргона и гелия оказывает значительное влияние на динамику изменения скорости полёта частицы: - в среде гелия вследствие малой плотности скорость медленно уменьшается, сокращая тем самым время полёта; в среде аргона скорость полёта частицы быстрее уменьшается, увеличивая тем самым время полёта.
Представление скоростей потока газа в области частицы приведено на рисунке 2.4.16. Полученные зависимости показывают, что до встречи частицы со стенкой камеры важно уменьшить скорость полёта частицы до минимально возможного значения. В этом случае кинетическая энергия частицы, пропорциональная квадрату скорости, окажет небольшое влияние на деформацию частицы.
Так, например, кинетическая энергия частицы при охлаждении в аргоне при температурах частицы 1300С (t = 0,015 с) и 1200С (t = 0,02 с) отличается на 20%, что при малом диаметре камеры распыления может привести к деформации частицы при её столкновении с корпусом камеры. Поэтому при проектировании геометрических размеров камеры распыления необходимо опираться на данные ММ.
Распределение давления газа в конце полёта частицы показано на рисунок 2.4.17. Во время полёта частицы градиент давления плавно уменьшается. По мере увеличения числа Рейнольд са уменьшается влияние коэффициента динамической вязкости на сопротивление частице, в то же время влияние распределения поля давления - возрастает, и ставится доминирующим.
Предположение о возможности моделирования процесса охлаждения частицы в газовой среде с постоянным коэффициентом аэродинамического сопротивления приводит к погрешности в расчётах. Для повышения точности расчёта следует учитывать зависимость коэффициента Сх от скорости полёта частицы и температуры. Зависимость коэффициента аэродинамического сопротивления от времени в различных средах приведена на рисунок 2.4.18.
Число Рейнольдса, а, следовательно, и коэффициент аэродинамического сопротивления Сх зависят от теплового воздействия частицы и газовой среды, что подтверждается расхождением в значениях коэффициента аэродинамического сопротивления Сх, полученного из модели ANSYS CFX (красный цвет) и расчётом по формуле Клячко (синий цвет).
Высокотемпературная газостатическая обработка титановых образцов, полученных по технологии послойного синтеза
Учёт пористости верхнего слоя порошка следует учитывать при операциях предварительного нагрева формируемого изделия, при плавлении порошка - только в начальный малый момент времени. Поэтому при моделировании операции плавления порошка пористостью можно пренебречь. Верхний слой порошка, как правило, укладывается в гексагональную плотнейшую упаковку. Влияние пористости верхнего слоя порошка следует учитывать через коэффициент теплопроводности, излучательный теплоперенос в порах. В работе [139] предложена следующая формула для определения эффективной теплопроводности Хе двухфазной системы, состоящей из металлической матрицы с теплопроводностью А и теплопроводностью среды в порах Xf в предположении, что фазы расположены последовательно по отношению к одномерному тепловому потоку:
Математическое моделирование процесса послойного спекания/плавления изделий электронным лучом с учётом сопряжённых процессов тепло- и массопереноса, гидродинамики расплава Рассмотрим процессы переноса тепла и фазовых превращений (плавления/кристаллизации) при электронно-лучевом синтезе в рамках модели, включающей в себя нелинейные уравнения теплопроводности и кинетическое уравнение.
Процесс переноса тепла при электронно-лучевом спекании/плавлении во многом определяется теплофизическими свойствами металла: температурой плавления, удельной теплоемкостью, теплопроводностью и плотностью. Механические свойства материала (твердость, вязкость и т.д.) в противоположность этому не оказывают на процесс влияния.
Процессы тепло- и массопереноса при моделировании операции послойного синтеза изделий описываются системой из трёх уравнений: 1. Дифференциальное уравнение энергии. 2. Уравнение движения (уравнение Навье-Стокса). 3. Уравнение неразрывности. Процесс распространения тепла от действия сканирующего по поверхности луча от нормально кругового источника с мощностью q, перемещающегося по поверхности со скоростью VCK, описывается следующим дифференциальным уравнением теплопроводности [84]:
Для решения уравнения (3.2.1) методом конечных элементов используется следующее граничное условие: заданный поток тепла q имеет вид [139]:
Температурную зависимость поглощательной способности металлов можно аппроксимировать полиномом первой степени, коэффициент теплопроводности и объёмную теплоёмкость - полиномом третьей степени:
Нагрев верхней поверхности слоя металла происходит сверху электронным лучом. В центре пятна на поверхности температура максимальна, уменьшаясь к краю пятна, что создаёт определённый температурный градиент на свободной поверхности. При плавлении возникает движение жидкости. Это приводит к термокапиллярным течениям вследствие зависимости поверхностного натяжения от температуры. Зависимость поверхностного натяжения от температуры, или эффект Марангони, создает существенное возмущение.
Так как объектом плавления является порошок шаровидной формы, то поверхность раздела двух сред искривлена. Следовательно, давления в обеих средах различны. Коэффициент поверхностного натяжения жидкости о, который равен работе, необходимой для увеличения поверхности жидкости на единицу площади при постоянной температуре, зависит от свойств жидкости и среды, с которой граничит жидкость.
Зависимость коэффициент поверхностного натяжения от температуры можно определить через следующую формулу [130]: Чем больше у жидкости поверхностное натяжение, тем с большей силой она стягивается. Поэтому при наличии градиента поверхностного натяжения жидкость будет перемещаться в область с большим коэффициентом поверхностного натяжения.
Поверхность жидкого металла стремится принять свою равновесную форму под влиянием силы тяжести и сил поверхностного натяжения. Следует отметить, что влияние капиллярности на гравитационные волны существенно при малых длинах волн.
Эффекты, связанные с движением жидкости вблизи поверхности раздела и вызванные зависимостью поверхностного натяжения от температуры или концентрации примесей, носят название эффектов Марангони. Действующая на поверхность ванны расплава сила Марангони приводит к перемешиванию расплава от центра к краям слоя.
Последняя составляющая уравнения (3.2.18) позволяет учесть волновой характер процессов, сопровождающих движение в расплавленном слое порошка для свободной поверхности, разделяющей поверхности двух фаз: жидкости и вакуумного пространства.