ОПТИМИЗАЦИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МОДИФИЦИРУЮЩЕГО МАТЕРИАЛА ПРИ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКЕ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛА

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. 

1. Майоров В.С. Лазерное упрочнение металлов. – В кн.: Лазерные технологии обработки материалов: современные проблемы фундаментальных исследований и прикладных разработок / Под ред. В.Я. Панченко. – М.: Физматлит, 2009. C. 439 – 469.

2. Веденов А.А., Гладуш Г.Г. Физические процессы при лазерной обработке материалов. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 208 с.

3. He X., Fuerschbach P.W., DebRoy T. Heat transfer and fluid flow during laser spot welding of 304 stainless steel // J. Phys. D: Appl. Phys. 2003. Vol. 36. P. 1388 – 1398.

4. Montealegre M.A., Castro G., Rey P. etc. Surface treatments by laser technology // Contemporary Materials. 2010. Vol. 1 (1). P. 19 – 30.

5. Плазмохимический синтез ультрадисперсных порошков и их применение для модифицирования металлов и сплавов / В.П. Сабуров, А.Н. Черепанов, М.Ф. Жуков и др. – Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1995. – 344 с.

6. Зуев А.Л., Костарев К.Г. Особенности концентрационно-ка-пиллярной конвекции // Успехи физических наук. 2008. T. 178. № 10. C. 1065 – 1085.

7. Гладуш Г.Г., Лиханский В.В., Лобойко А.И. Влияние поверхностно-активных веществ на тепло- и массоперенос при плавлении поверхности вещества лазерным импульсом // Квантовая электроника. 1997. T. 24. № 3. C. 274 – 278.

8. Ribic B., Tsukamoto S., Rai R., DebRoy T. Role of surface active elements during keyhole mode laser welding // Journal of Physics D: Applied Physics. 2011. Vol. 44 (48). Article 485203.

9. Seyhan I., Egry I. The surface tension of undercooled binary iron and nickel alloys and the effect of oxygen on the surface tension of Fe and Ni // International Journal of Thermophysics. 1999. Vol. 20. No. 4. P. 1017 – 1028.

10. Ehlen G., Ludwig A., Sahm P.R. Simulation of time-dependent pool shape during laser spot welding: transient effects // Metall. Mater. Trans. A. 2003. Vol. 34A. P. 2947 – 2961.

11. Попов В.Н., Цивинский М.Ю., Цивинская Ю.С. Численная оценка влияния поверхностно-активного вещества в расплаве на конвективный массоперенос при воздействии на металл лазерным импульсом // Математическое моделирование. 2012. Т. 24. №. 3. С. 87 – 96.

12. Попов В.Н., Черепанов А.Н., Дроздов В.О. Моделирование конвективного тепломассопереноса при лазерной обработке металла с использованием модифицирующих материалов // Изв. вуз. Черная металлургия. 2013. № 12. С. 3 – 7.

13. Sahoo P., DebRoy T., McNallan M.J. Surface tension of binary metal-surface active solute systems under conditions relevant to welding metallurgy // Metall. Trans. B. 1988. Vol. 19B. P. 483 – 491.

14. Будак Б.М., Соловьева Е.Н., Успенский А.Б. Разностный метод со сглаживанием коэффициентов для решения задач Стефана // Журнал вычислительной математики и математической физики. 1965. Т. 5. № 5. С. 828 – 840.

15. Höche D., Müller S., Rapin G. etc. Marangoni Convection during Free Electron Laser Nitriding of Titanium // Metall. Mater. Trans. B. 2009. Vol. 40. No. 4. P. 497 – 507.

16. Баландин Г.Ф. Основы теории формирования слитка. – М.: Машиностроение, 1979. – 335 с.

17. Колмогоров А.Н. К статистической теории кристаллизации металлов // Известия АН СССР. Сер. математическая. 1937. Вып. 3. С. 355 – 359.

18. Harlow F.H., Welch J.E. Numerical calculation of time-depend viscous incompressible flow of fluid with free surface // Phys. Fluids. 1965. Vol. 8. P. 2182 – 2189.

19. Patankar S.V., Spalding D.B. A Calculation procedure for heat, mass and momentum transfer in three-dimensional parabolic flows // Int. J. Heat Mass Trans. 1972. Vol. 15. P. 1787 – 1806.

20. Chorin A.J. A numerical method for solving incompressible viscous flow problems // J. Comput. Phys. 1967. Vol. 2. P. 12 – 26