Введение к работе
Акт^алміость. Одним из .качественно новых технологических процессов получения поверхностных покрытий, все шире внедряемых на машиностроительных производствах, является лазерное легирование. Высокая концентрация подводимой энергии и локальность подвода позволяют производить обработку только требуемого участка поверхности металла без нагрева остального объема и нарушения его структуры и свойств. Это позволяет не только значительно увеличить производительность обработки, но и получать качественно новые свойства поверхностей, недоступные традиционным методам обработки материалов. :
В случае лазерного поверхностного легирования глубина обработки в зависимости от режима облучения может меняться от долей микрометра до нескольких миллиметров, а содержание легирующего элемента при малой продолжительности обработки может быть доведено до предельно больших значений. Получающийся поверхностный слой представляет собой сплав легирующих элементов с базовым мет&члом с содержанием легирующих элементов до 70%. Высокие скорости нагрева и охлаждения приводят к образованию метастабильных сплавов с недостижимым в обычных условиях содержанием легирующих элементов.
В ряде экспериментальных работ показано, что по результатам производственных испытаний лазерное термоупрочнение изделий из инструментальных сталей позволяет повысить их долговечность в 3-5 раз по сравнению с традиционной термообработкой. При этом образующийся поверхностный слой имеет повышенную в несколько раз микротверд'остьи в 17-70 раз - износостойкость. В зависимости ог вносимой примеси имеется возможность изменять в положительную сторону и другие характеристики поверхностного слоя металла.
На фоне большого количества экспериментальных работ вопросам моделирования и обоснования теплофизических явлений, возникающих при лазерном воздействии на металлы, уделяется недостаточное внимание. Анализ рассмотренных работ (Углов А.А., Гуськов А.Г., Смуров И.Ю., Саночкин Ю.В., Тагиров К.И., Лашин A.M., Пшеничников А. Ф. и др.) показывает, что задача прогнозирования тепломассообмена при лазерном воздействии на металл с учетом его плавления, концентрационной и термокапиллярной конвекции, неоднородных теплофизических свойств в широком температурном интервале является нерешенной. И поскольку многообразие форм лазерной обработки позволяет применять лазерную технологию для различных технологических режимов, задача моделирования лазерного воздействия является актуальной.
Цель работы. Целью настоящей работы является разработка математической модели теплофизики процесса лазерного легирования металла на основе сопряженной системы дифференциальных уравнений тепломассопереноса, учитывающих плавление, концентрационную и термокапиллярную конвекцию, реалшащія ее на ПЭВМ, проверка адекватности и проведение параметрігческих расчетов для изучения закономерностей процесса лазерного легирования металлов.
Научная новизна.
Поставлена и решена нестационарная связанная краевая задача теплофизики лазерного легирования металла с использованием обмазок и из газовой среды.
Получены новые данные об особенностях переноса и перераспределения примеси в расплаве.
Разработанная модель впервые применена для решения трехмерной задачи в приближении плоского слоя.
Разработана инженерная методика приближенного моделирования гидродинамики в лунке расплава при лазерном оплавлении металла.
Практическая значимость. Результаты диссертационной работы: математическая модель, алгоритмы, программное обеспечение и теоретические оценки рекомендуются для использования па машиностроительных и других предприятиях, где используются или вводятся в эксплуатацию лазерные технологии обработки материалов и получения поверхностных покрытий.
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры металловедения, термической и лазерной обработки Пермского государственного технического университета. В частности, результаты работы применены при подготовке учебного курса "Лазерная обработка материалов" для магистрантов и студентов старших курсов специальности "Металловедение и термическая обработка" ПГТУ.
Достоверность полученных в работе результатов и выводов подтверждается удовлетворительным соответствием известным данным экспериментальных исследований и произведенных автором теоретических оценок.
На задшту выносятся:
математическая формулировка краевой задачи;
проверка адекватности математической модели;
-металлургические и гидродинамические эффекты лазерного воздействия на металлы;
оценка интенсивности конвективного перемешивания жидкого металла в лунке расплава;
результаты моделирования процесса оплавления металла лучом лазера;
результаты моделирования процессов лазерного легирования с использованием обмазок и внедрения примеси из газовой среды.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на на семинаре «Физическая гидродинамика» кафедры теоретической физики (руководитель - профессор Д.В. Любимов) Пермского государственного университета, а также на семинарах кафедр общей физики (руководитель - профессор А.И. Цаплин), теоретической механики (руководитель - профессор Ю.И. Няшин), математического моделирования систем и процессов (руководитель - профессор П.В. Трусов) Пермского государственного технического университета.
Результаты всей работы и отдельных ее частей были представлены и обсуждались на Межрегиональных научно-технических конференциях "Математическое моделирование систем и явлений" (Пермь, 1993), "Математическое
моделирование систем и процессов" (Пермь, 1994), Всероссийских научно-технических конференциях "Математическое моделирование систем и процессов" (Пермь, 1995), "Математическое моделирование физико-механических процессов" (Пермь, 1996, 1997), научно-практической конференции «Проблемы образования, научно-технического развития и экономики уральского региона» (Березники, 1996), 11-й и 12-й Международных зимних школах по механике сплошных сред (Пермь, 1997, 1999), научно-технической конференции «Проблемы прикладной математики; и механики» (Пермь, 1998), Всероссийской конференции «Фридмановские чтения» (Пермь, 1998), Всеросс. школы-конференции «Математическое моделирование в естественных науках» (Пермь, 1998), научно-технической конференции с международным участием «Информационные технологии в - инновационных проектах» (Ижевск, 2000).
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 17 статьях и тезисах докладов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Материал изложен на 155 страницах и содержит 72 рисунка.
