Математическое моделирование взаимодействия лазерного излучения с плазменным потоком для повышения прочности покрытий

• Автор: Балашова, Светлана Александровна
• Шифр специальности: 05.13.18, 05.02.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Ковров
• Количество страниц: 147 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .

ГЛАВА 1. Постановка задачи разработки модели процесса лазерноплазменного напыления

1.1. Нанесение покрытий с улучшенными трибологическими характеристикми

1.2. Роль и место плазменного напыления в нанесении керамических покрытий

1.3. Постановка задачи

ГЛАВА 2. Метод лазерноплазменного напыления

2.1. Анализ возможностей методов математического моделирования для нанесения покрытий

2.2. Воздействие ПП на частицу напыляемого материала

2.3. Выбор ЛИ в качестве дополнительного источника энергии для повышения эффективности плазменного напыления.

2.4 Воздействие ЛИ на ПП

Выводы
ГЛАВА 3 Установка для лазерноплазменного напыления
3.1. Воздействие ЛИ на ПП, содержащий мелкодисперсную фазу
3.2. Выбор источника ЛИ.
3.3. Синтез установки для лазерноплазменног о напыления.
Выводы.
ГЛАВА 4. Влияние параметров ЛИ на свойства формируемых
покрытий.
4.1. Влияние температуры частицы напыляемого материала на свойства покрытий.
4.2. Влияние скорости напыляемых частиц на свойства
покрытий.
Выводы.
ГЛАВА 5. Оптимизация параметров ЛИ для лазерноплазменного напыления.
5.1 Выбор рациональных режимов лазерноплазменного напыления
5.2 Анализ результатов эксперимента
5.3 Методика выбора параметров ЛИ для лазерноплазменного напыления
Выводы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА


Разработано программное средство для оценки температурного состояния плазменно-напыляемой частицы в зависимости от параметров ЛИ и ПП (свидетельство на регистрацию № 0 от г. Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы для разработки новых плазмотронов для лазерно-плазменного нанесения покрытий, состоящих из корпуса, катода, анодного блока, сопла, оптических элементов для фокусировки и ввода лазерного излучения в ПП, систем подвода порошка напыляемого материала и плазмообразующего газа, и отличающихся тем, что оптические элементы для фокусировки и ввода ЛИ в ПП установлены на внешней стороне корпуса, с возможностью пересечения оптической оси ЛИ и оси ПП на выходе его из сопла (патент на полезную модель № 1от г. Показана возможность увеличения прочности сцепления покрытия Л с подложкой до 3-4 раз с - МПа до 0-0 МПа. Диссертация содержит 5 глав. В первой главе рассмотрены предпосылки, обусловившие необходимость проведения разработки, исследования и обоснования математической модели взаимодействия двух концентрированных потоков энергии в виде ЛИ и ПП. Проведены исследования методов напыления для повышения эксплуатационных характеристик пар трения узлов и агрегатов машин. Определены роль и место газотермических методов напыления при решении задач обеспечения показателей безотказности и долговечности техники. Проведен анализ способов нанесения керамических покрытий. Однако решение этой задачи традиционными методами может сопровождаться значительным ростом затрат на оборудование, невысокой производительностью метода и ограничениями на размеры напыляемых деталей. Показано, что разработка гибридных способов нанесения покрытий является наиболее актуальным направлением развития поверхностного упрочнения, которые нельзя осуществить без математического моделирования сложных физических процессов взаимодействия, объединяющих различные принципы воздействия на материал покрытия. Сформулированы цель исследования и научная задача, показаны пути ее решения. Во второй главе рассмотрены возможности газотермических методов нанесения покрытий, показано, что наиболее перспективным из них для напыления порошка А^Оз является плазменное напыление. Методом конечных приращений исследована зависимость температуры частиц напыляемого материала от параметров ПП. Анализ результатов вычислительного эксперимента, показал, что для увеличения прочности сцепления плазменно напыляемых керамических покрытий необходимо интенсифицировать тепловое воздействие на частицу напыляемого порошка введением модулированного ЛИ, которое характеризуется высокой плотностью мощности, что приводит к образованию области оптического пробоя. Совмещение ПП в зоне его выхода из плазмотрона с областью оптического пробоя обеспечивает повышение температуры плазмы, а, следовательно, и напыляемого материала, за счет поглощения энергии ЛИ. По результатам проведенных исследований математического объекта была разработана укрупненная модель взаимодействия ЛИ с ПП. I - интенсивность ЛИ; р0 - плотность газовой среды; у - показатель адиабаты газа. По результатам проведенных исследований была разработана мат. ЛИ с ПП. Определено, что при интенсивности излучения до 1 ГВт/см2, длительности импульса -0 не и начальной температуре ПП не менее кК возникает фронт ионизации, который'способствует объемному поглощению ЛИ в ПП и распространяется в режиме СДВ. Получена зависимость пороговой интенсивности пробоя в ПП от начальной температуры плазмы на выходе из плазмотрона (рис. Объемный и равномерный прогрев ПП обеспечивается созданием ионизационного фронта на удаленной от лазера стороне ПП путем острой фокусировки луча ЛИ со смещением фокуса за удаленную границу ПП. В третьей главе разработана модель взаимодействия ЛИ с ПП, содержащим частицы напыляемого материала. Принимали, что со всех сторон на частицу будет оказываться равномерное воздействие по причине малых размеров; форма частицы условно принимается сферической. Процессы нагрева и плавления в конденсированной среде рассматривались в рамках единой расчетной области без разделения на твердое тело и расплав.