д.ф.-м.н., главный научный сотрудник
Dr. Sci. (Phys.-Math.), Chief Researcher
д.ф.-м.н., профессор, главный научный сотрудник
Dr. Sci. (Phys.-Math.), Professor, Chief Researcher
Улучшение эксплуатационных свойств деталей при лазерной обработке поверхностей может быть получено модифицированием расплава подготовленными наноразмерными частицами тугоплавких соединений (карбиды, нитриды и др.). Это позволяет увеличить количество центров кристаллизации, измельчить структуру и повысить однородность затвердевшего металла. Известно, что термокапиллярная конвекция способствует гомогенному распределению материалов, проникающих в расплавленный металл. Так же известно, что присутствие в расплаве поверхностно-активных веществ влияет на характер конвекции. Существуют данные, что структура течений в расплаве зависит от количества поверхностно-активного вещества в металле. Поэтому проводятся исследования с целью получить данные о взаимосвязи характеристик лазерной обработки металла и степени однородности распределения модифицирующих добавок. С использованием численного моделирования оценивается влияние характеристик импульсного лазерного воздействия на распределение модифицирующих частиц при наличии в металле поверхностно-активного вещества. С помощью предлагаемой математической модели рассматриваются следующие нестационарные процессы: разогрев и плавление металла, теплоперенос в расплаве, движение жидкости, зарождение и рост твердой фазы после окончания импульса. При численной реализации модели сначала решается уравнение теплопроводности. При возникновении расплавленного металла определяется граница жидкой фазы. Далее совместно решаются уравнение конвективного теплопереноса и уравнения, описывающие движение несжимаемой жидкости. После завершения лазерного импульса расчеты продолжаются до момента полного затвердевания материала подложки. Предполагается, что модифицирующие наноразмерные частицы под действием конвективных потоков проникают в глубину расплава с его поверхности. Движение и распределение частиц в жидкости моделируются с помощью маркеров. Перемещение маркеров определяется локальными скоростями расплава в окрестности каждого. По результатам численных экспериментов было определено влияние параметров импульсного лазерного воздействия на характер течения и распределение частиц в расплаве. Найдены оптимальные характеристики для плавления подложки лазерным импульсом для различных концентраций поверхностно-активного вещества в железе.
The improvement of operational properties of metal parts during the laser surface treatment can be obtained by modifying the melt with the prepared nano-sized particles of refractory compounds (carbides, nitrides, and others.). It allowsthe number of crystallization centersto be increased, the structure to be grinded and the uniformity of the solidified metal to be raised. It is known that thermocapillary convection promotes the homogeneous distribution of materials penetrating into the molten metal. It is also known that the presence of surface-active substances in the melt influences the character of convection. There is evidence that the structure of flow in the melt depends on the amount of surface-active substances in the metal. Therefore, the studies were conducted to obtain data on the relationship of characteristics of metal processing by laser and the uniformity degree of modifying additives distribution. Using the numerical modeling the effects of characteristics of pulsing laser action on allocation of modifying particles are estimated at the presence of surface-active substance in metal. With the help of mathematical proposed model the following non-stationary processes are considered: heating and melting of the metal, heat transfer in the melt, fluid motion, nucleation and growth of the solid phase after termination of the pulse. During the numerical realization of the model the heat conduction equation was firstly solved. Upon appearance of molten metal the boundary of the liquid phase was determined. Further the coupled equations of convective heat transfer and motion of an incompressible fluid were solved. After the laser pulse termination, the calculations are continued until the complete solidification of the substrate material is achieved. It was supposed that modifying nano-sized particles under the influence of convective flows penetrate into depth of a melt from its surface. The movement and distribution of particles in a fluid was modeled using markers. The movement of the markers was determined by the local velocity of the melt. According to the results of numerical experiments, the effect of the parameters of pulsed laser action on the nature of the flow and distribution of the particles in the melt were determined. Optimum parametersfor the melting of the metalsubstrate by a laser pulse are proposed for various surface-active substances concentrations.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.