Моделирование температурного поля при лазерной наплавке материала с памятью формы на основе никелида титана

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Приоритетными направлениями развития материалов и технологий является разработка интеллектуальных, адаптивных материалов и покрытий, в том числе материалов с эффектом памяти формы (ЭПФ), и высокоэффективных ресурсосберегающих технологий их получения. К числу наиболее широко используемых в технике и медицине материалов с ЭПФ относится никелид титана, интерметаллид на основе TiNi эквиатомного состава, отличительной особенностью которого является способность подвергаться аномально высокой деформации с последующим полным или частичным ее восстановлением в процессе снятия внешней нагрузки, высокая демпфирующая способность, коррозионная стойкость, износостойкость. В связи с высокой стоимостью никелида титана целесообразно использовать его в качестве материала для поверхностного модифицирования (ПМ), обеспечивая уникальные свойства материала с ЭПФ в наиболее нагруженных поверхностных слоях.

Большая часть современных технологий ПМ осуществляется в условиях высокоэнергетических воздействий (лазерных, плазменных, электронно-лучевых, магнетронных) и сопровождается нагревом, охлаждением, давлением. Это обусловливает неравномерность распределения свойств и термодинамических параметров (плотности, теплоемкости, температуры, давления, химического потенциала, энтропии). В настоящее время уже разработан ряд технологий ПМ материалами с ЭПФ среди которых одной из эффективных является технология лазерной наплавки (ЛН) TiNi. Основой этой технологии является тепловое воздействие лазерного излучения на слой TiNi в виде проволоки, порошка или обмазки.

ЛН, как перспективная технология, имеет ряд преимуществ: позволяет осуществлять послойное нанесение материала, что дает возможность создавать трехмерные объекты любой степени сложности и любой пространственной ориентации; создавать детали с необходимым чередованием слоев или с формированием слоев в различных зонах детали и таким образом обеспечить изготовление детали с заданными свойствами. Для описания процесса лазерной наплавки и обеспечения возможности прогнозирования свойств изделия необходима разработка физико-математических моделей, построение эффективных численных алгоритмов и их экспериментальной верификации. Одной из особенностей теплофизических процессов при реализации ЛН является довольно значительные градиенты температуры по толщине наплавляемого слоя, что вызывает термические напряжения при кристаллизации. Поскольку функциональные свойства материала с ЭПФ определяются температурами фазовых превращений, то основной характеристикой процесса ЛН является температурное поле в материале. Знание распределения температуры в материале позволяет выработать рациональные технологические режимы обработки, обеспечивающие проявление ЭПФ. Поэтому разработка физико-математических моделей, позволяющих осуществлять мониторинг формирования структуры и свойств поверхностных слоев TiNi, является актуальной задачей. Целью настоящей работы является разработка тепловой физико-математической модели процесса ЛН материала с ЭПФ TiNi на сталь с использованием импульсного лазерного излучения (установка «Квант»). Описание модели включает следующие этапы: предположения и упрощения, используемые при построении модели; анализ энергетического баланса процесса ЛН; численное моделирование тепловых процессов ЛН; оценка распределения поля температур в поверхностном слое TiNi; экспериментальная оценка полученных решений.

Энергетические характеристики импульсной лазерной наплавки TiNi. Использование энергии лазерного излучения при формировании поверхностных слоев TiNi требует решения ряда задач. Согласно известным энергетическим условиям лазерной обработки с оплавлением энергия излучения Е расходуется на поглощение поверхностью Еabs, на потери вследствие отражения поверхностью Еdis, на энергию, поглощаемую покрытием Еco и не дошедшую до материала основы.

 (1)

Изучение тепловых процессов внутри этой системы необходимо для прогнозирования структурно-фазового состояния покрытия и микроструктурных изменений в материале основы вследствие воздействия лазерного излучения при наплавке. Энергетический баланс системы в трехмерной постановке может быть описан уравнением (2) (рис. 1):

(2)

где - теплопроводность составляющих материалов, Вт/мК; с - удельная теплоемкость, Дж/кгК; - плотность, кг/м3; Т - температура, К; x, y, z - пространственные координаты.

Численное моделирование тепловых процессов при лазерной наплавке TiNi на сталь. Краевые задачи, описывающие нагрев материалов концентрированными потоками энергии (КПЭ), являются во многих случаях задачами теплопроводности с граничными условиями второго рода, решение которых позволяет получить информацию о распределении температуры, глубине и скорости нагрева и охлаждения поверхностного слоя. К настоящему времени выполнено большое количество экспериментальных и теоретических работ, посвященных вопросам математического моделирования тепловых процессов при лазерной обработке различных материалов. Однако, как показал анализ источников информации, в настоящее время сведения о решении подобного рода задач для TiNi-покрытий ограничены.

Аналитически описать теплофизические процессы при импульсной лазерной наплавке можно соотношениями для линейного случая одномерной тепловой модели. Очевидно, что одномерная модель вносит ряд ограничений, но с ее помощью можно получить необходимую оценку процессов и явлений в простой удобной форме. Композиция сталь-сплав TiNi может быть представлена в виде двухслойного материала с различающимися теплофизическими характеристиками.

Для упрощения решения задачи приняты следующие допущения: постоянный во времени импульс; плотность потока по поверхности имеет Гауссово (нормальное) распределение; процесс кристаллизации имеет место при постоянной скорости; покрытием поглощается 50% вкладываемой энергии; наплавка производится из обмазок; в качестве защитного газа используется аргон. Задавались условием идеального теплового контакта материалов (т.е. отсутствием термического сопротивления на границе слоев), теплофизические характеристики которых не зависят от времени.

При квазистационарном режиме генерации импульсного лазера решение задачи определения поля температур в одномерной постановке для композиции «сталь - TiNi» описывается системой дифференциальных уравнений теплопроводности общего вида:

лазерный термический наплавка градиент

(3)

где z - координата от поверхности облучения в центре пятна нагрева; а1, а2 - коэффициенты температуропроводности, м/с2, материалов.

В общем случае коэффициент температуропроводности определяется:

. (4)

Краевые условия:

 . (5)

Для нахождения распределения температуры по глубине зоны термического влияния (ЗТВ) использовался метод интегральных преобразований Фурье (ИПФ). Решение задачи при идеальном тепловом контакте между слоями было ранее получено Г.Я .Дульневым с помощью преобразования Лапласа по ф.

; (6)

, (7)

где А - коэффициент поглощения (А=0,5);

q0 - плотность подводимого потока энергии, Вт/м2;

коэффициент:

; (8)

функция ierfc (x) - интеграл от функции интеграла вероятности:

. (9)

Для рассматриваемой модели основополагающие уравнения теплопередачи согласно представлениям о геометрии зоны плавления (рис.2, б) следующие:

1) зона 1 (жидкий расплав):

; (10)

2) зона 1-2 (твердый раствор):

; (11)

3) зона 2 (основа):

, (12)

где T1, T12, T2 - температуры, и а1, а12, а2 - температуропроводности зон 1,

1-2, 2; - положение фронта кристаллизации поверхности раздела «твердый раствор - жидкий расплав».

Если ввести обозначения теплопроводностей зон I, I-II, II л1, л 12, л 2, и температур - окружающей среды Т0, точки охлаждения расплавленного слоя Тно, и начальной температуры ванны расплава Твр, дополнительные условия для теплопередачи записываются:

, , при ; (13)

, при ,

при ; (14)

при , при , (15)

где - плотность сплава, L - скрытая теплота кристаллизации.

В случае формирования покрытия из обмазки трудность представляет нахождение величины теплопроводности л12, так как при расплавлении порошок консолидируется, что сопровождается изменением теплопроводности и плотности. В расчете примем, что теплопроводность после расплавления обмазки равна теоретической для объемного сплава TiNi, л1C. Теплопроводность несвязанного порошка, л1П, рассчитывается из условия представления в виде слоя обмазки твердых частиц:

, (16)

где N к- координационное число частиц порошка ПН55Т45; V1П - объемная фракция частиц.

Таким образом, с учетом (10-16) получаем скорректированное решение тепловой задачи. При её решении на стадии охлаждения в условии задают нулевой поверхностный лазерный источник, а начальное условие тождественно равно распределению температуры в момент окончания лазерного импульса. Тогда решение на стадии охлаждения будет иметь симметричный с нагревом вид.

Задание теплофизических характеристик материалов. Физическая модель процесса импульсного лазерного излучения, определяется рядом параметров: радиусом или диаметром пятна нагрева - r или d, м; длительностью импульса лазерного воздействия - I, с и энергией в импульсе - E, Дж. Производилось расплавление предварительно нанесенной обмазочной пасты порошка никелида титана ПН55Т45 толщиной д=0,21 мм на сталь 30ХГСА. Размер частиц порошка составлял 50-150 мкм,. Температура плавления порошка ПН55Т45 Тпл1=1583 К. В интервале температур нагрева, когда материал достигнет температуры плавления, плотность определяется интерполяцией и составляет 1=6,45103 кг/м3. В интервале температур Ас1, Ас3, Мн согласно справочным данным плотность стали с2=7,66·103 кг/м3 и определяется интерполяцией значений плотности для 20, 300, 600єС. Теплоемкость (с1=838 Дж/кгК; с2=913 Дж/кг·К) и теплопроводность после расплавления порошковой обмазки рассчитывалась через теоретическую теплопроводность объемного сплава TiNi л1C, л1С=18 Вт/мК; 2=29,33 Вт/мК. Температуропроводность, определяемая по формуле (4) составляет: а1=3,33·10-6 м2/с, а2=4,19·10-6 м2/с, h1=0,00021 м; b2=0,01 м; l2=0,055 м. Высота, ширина, длина образца h2=0,01 м; b2=0,01 м; l2=0,055 м. Максимальная глубина зоны обработки 0,3·10-3м.

Задание параметров процесса лазерной обработки. Для реализации технологии лазерной наплавки использовали установку импульсного действия Квант 12М. Технологические параметры лазерной наплавки приведены в табл. 1.

В процессе моделирования приняты следующие параметры лазерной наплавки. Радиус пятна лазерного излучения r = 0,2510-3м, мощность Р = 10 Вт. Плотность мощности лазерного воздействия:

.

Скорость сканирования лазерного пучка по поверхности определяется линейной скоростью перемещения детали v = 2,0910-3м/c. Длительность импульса:

.

Теплофизические оценки выбора расчетной модели. Для подтверждения правомерности выбора расчетной модели необходимо произвести сопоставление. Поскольку hф ~ r, то источник КПЭ является точечным. В этом случае при определении технологических режимов обработки КПЭ можно пренебречь отводом тепла по направлению Х движения лазерного луча. Рассчитывается распространение тепла только по направлению Z, т.е. вглубь материала. Расстояние, на которое распространяется тепловой фронт вглубь материала за время действия КПЭ:

м.

Расчет показывает, что тепловая задача может рассматриваться как одномерная, так как размеры образца много больше ЗТВ, следовательно, достаточно вычислить распределение температуры по глубине. Толщина обрабатываемого слоя меньше расстояния, на которое распространяется тепловой фронт за время действия КПЭ. Таким образом, реализуется теплофизическая модель тонкой пластины, т.е. прогрев происходит на весь ее минимальный размер. Для стальной основы реализуется модель полубесконечного тела. Скорость распространения теплового фронта в материале поверхностного слоя за время действия КПЭ:

.

Распределение поля температур в слое TiNi. При оценке распределения температур в процессе лазерной наплавки рассматривалась одномерная задача при воздействии точечным источником с гауссовским распределением в импульсном режиме. Для решения дифференциального уравнения теплопроводности в процессе лазерной наплавки сплава TiNi использовали метод ИПФ. Решали пошаговую задачу при числе разбиений N=5, i=0…n, и L=1, j=1…L:

,. (17)

Значение коэффициента g определяли по формуле (8). В любой момент времени t? ? i одномерное распределение температур в слое TiNi рассчитывалось по формулам (10) - (15).

Методом расчета на ЭВМ с помощью пакета MathCAD построены зависимости изменения температуры на разной глубине слоя TiNi и стальной основы. Расчет на стадии охлаждения имеет симметричный с нагревом вид.

Как показывает расчет, для наплавляемого никелида титана особенности движения фронта кристаллизации могут определить формирование структуры. Количественная оценка распределения температур в процессе лазерного воздействия является важным элементом управления микроструктурой поверхностных слоев TiNi. Температура зоны плавления, ее пространственная ориентация, форма и размеры зависят от параметров обработки. Для формирования структуры поверхностного слоя TiNi, определяющей эксплуатационные свойства изделия, необходима оптимизация технологических параметров импульсной лазерной наплавки, что выполнено экспериментально. Кроме того, на основе полученного распределения температур в процессе лазерной наплавки и анализа энергетического баланса системы, можно приближенно оценить толщину наплавляемого слоя.

Модельная линейная толщина определяется из уравнения радиуса полуцилиндрического валика Rв наплавки сплава TiNi:

, (18)

где А - коэффициент поглощения энергии наплавленным TiNi-покрытием; P - мощность лазерного луча, Вт; v - скорость обработки, м/с; с - удельная теплоемкость, Дж/кг·К; Qс - скрытая теплота сплава TiNi, Дж/кг.

Для получения заданной толщины наплавки Rв на единицу длины сплава TiNi с концентрацией связующего Х можно определить объем порошковой обмазки Voб по уравнению (19):

. (19)

Полученные решения (18-19) являются теплофизическими выражениями для слоя TiNi, связанными с параметрами процесса лазерной обработки. Экспериментальная верификация модели. При решении технологической задачи ЛН формализованными являются этапы планирования эксперимента, моделирования и регрессионного анализа. К основным параметрам лазерной наплавки, влияющим на формирование наплавленных слоев, относятся: мощность лазерного излучения и ее распределение в пятне фокусирования, размер пятна, количество и состав наносимого порошка, скорость наплавки. Меняя параметры наплавки, можно изменять геометрию и структуру наплавленного слоя, управлять его физико-механическими и эксплуатационными характеристиками. При разработке технологического процесса лазерной наплавки никелида титана варьировали параметрами, представленными в табл. 1.

Таблица 1. Технологические параметры лазерной наплавки

На основе статистической обработки результатов экспериментов по отработке технологии импульсной лазерной наплавки TiNi на сталь установлена связь толщины наплавляемого слоя и параметров технологического процесса в кодированном и явном виде:

, (20)

, (21)

где 0, 1, 2, 3 - истинные значения коэффициентов, которые являются случайными нормально распределенными величинами, определенными с помощью статистического анализа; - толщина наносимой обмазки, мм; v - скорость наплавки, мм/мин; dп - диаметр пятна излучения, мм.

Анализ микроструктуры поверхностных слоев TiNi, полученных по отработанной технологии, показал отсутствие пор, дефектов структурных неоднородностей. Наплавленный слой имеет характерную геометрию в форме равномерно чередующихся сегментов, обусловленных импульсным лазерным воздействием, и узкой зоны термического влияния.

Основная структурная составляющая покрытия сплава TiNi- аустенитная В2-фаза, наблюдается небольшое количество оксидов титана, фазы В19ґ (В2-фаза - 94,595%, В19ґ - 4,55,5%). При увеличении количества наплавляемых слоев (более трех) формируется побочная интерметаллидная фаза TiNi3. Исследования химического и фазового анализа наплавленных слоев свидетельствует о соответствии материала с эффектом памяти формы.

Разработана тепловая модель импульсной лазерной наплавки функционального материала с эффектом памяти формы на основе TiNi, позволяющая осуществлять мониторинг температур и, как следствие, определяющая структуру и свойства поверхностного слоя.

Выполненное моделирование значительно сокращает затраты времени и ресурсов на разработку технологии, позволяет прогнозировать качество поверхностного слоя еще на этапе разработки технологии и, в конечном итоге, способствует принятию эффективных технических и технологических решений.

Экспериментально показано, что импульсное лазерное воздействие позволяет эффективно модифицировать поверхность изделий. Полученные статистические модели технологических параметров процесса импульсной лазерной наплавки TiNi, позволяют оптимизировать структуру и функционально-механические свойства поверхностного слоя.

Размещено на Allbest.ru