Аналіз фізико-хімічних процесів, що протікають при лазерному наплавленні. Обґрунтування підходу до вибору порошкових матеріалів для лазерного наплавлення. Розгляд шляхів підвищення якості зносостійких поверхневих шарів, одержаних лазерним наплавленням.
Аннотация к работе
Національний технічний університет України Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наукЦілеспрямована зміна фізико-механічних властивостей поверхневих шарів деталей машин, відновлення їхніх розмірів і форми, вирощування деталей складної просторової конфігурації, так звана технологія “Rapid Prototyping”, є областю ефективного застосування лазерного газопорошкового наплавлення. Потенційними споживачами цієї технології є різні галузі промисловості, повязані з випуском або ремонтом устаткування, яке працює в екстремальних умовах і тому виготовляється із спеціальних, як правило, дорогих матеріалів (нафто-газопромислове, геологорозвідувальне, вугледобувне устаткування, сільськогосподарські і шляхобудівні машини, газотурбінні двигуни, автотракторна техніка і т.і.). Залишається недостатньою відтворюваність результатів наплавлення, не відповідає пропонованим вимогам якість наплавлених шарів Це обумовлено відсутністю ефективних методик визначення й оптимізації режимів наплавлення, науково обгрунтованих підходів до вибору наплавочних матеріалів, даних, що дозволяють прогнозувати поводження наплавлених шарів у процесі експлуатації. Не вирішені питання, що стосуються техніко - економічної доцільності застосування для наплавлення лазерного технологічного устаткування з точки зору потужності вихідного випромінювання, діапазону її регулювання і просторової структури пучка. Математичним моделюванням теплових процесів, що протікають у поверхневому шарі матеріалу при лазерному наплавленні, встановлено, що нерівномірний розподіл потужності лазерного випромінювання, у порівнянні з тими, що традиційно застосовуються (рівномірним, багатомодовим, Гаусовим), дозволяє істотно збільшити час існування рідинної фази, змінювати форму ванни розплаву в напрямку руху теплового джерела, знизити швидкості охолодження і таким чином впливати на напружений стан наплавленого шару.У вступі обгрунтовується актуальність роботи, сформульовані основні засади, що виносяться на захист, доведено наукову новизну та практичну цінність роботи. Перший розділ містить аналіз процесу лазерного наплавлення, пошук шляхів його удосконалення. Значна частина відмовлень машин, що працюють в умовах дії абразивних і агресивних середовищ, високих температур і тисків, безпосередньо повязана зі зносом контактуючих поверхонь деталей. До таких деталей, наприклад, можна віднести лопатки газових турбін; підпятники турбокомпресорів, цапфи бурових доліт, колінчаті і розподільні вали двигунів і таке інше. У першу чергу це обумовлено локальністю процесу і можливістю дозування енергії, що вводиться в матеріал.Основу цієї системи складає фізичний процес плавлення, що характеризується трьома основними параметрами: температурою і часом нагрівання, швидкістю охолодження. Керувати цими параметрами можна за допомогою ряду факторів, повязаних з лазерним променем, умовами реалізації наплавлення, оброблюваною деталлю та матеріалом, який наплавляється. Аналіз взаємозвязків цієї технологічної системи показав, що керуючими параметрами процесу лазерного наплавлення є: потужність і розподіл потужності в плямі фокусування, швидкість відносного руху, розмір плями фокусування, витрата і напрямок подачі порошку. Встановлено, що схема подачі порошкового матеріалу в слід лазерного променя в порівнянні з альтернативною - назустріч променю, на 25-30% економічніше з точки зору витрат енергії випромінювання і на (10-15%) - з точки зору використання порошкового матеріалу. Розподіл температури T(x,y,z,t) у зразку, який рухається зі швидкістю V вздовж осі ОХ, описується нелінійним рівнянням теплопровідності з граничними і початковими умовами: де-залежності теплоємності, густини і теплопровідності матеріалів покриття та деталі від температури T; Wp(x,t) - розподіл густини потужності лазерного випромінювання у плямі фокусування; x,z,t - просторові і часові координати;-обємна теплоємність, що дорівнює ; d-функція Дірака; Q - скрита теплота фазового перетворення; Тн - початкова температура деталі; lx,ly,lz - габарити деталі;Для завдання нерівномірного розподілу потужності в плямі фокусування і розширення діапазону зміни потужності випромінювання розроблений ЛТК має спеціальні фокусуючи системи, що дозволяють сполучати пучки як з однаковим, так і з різним розподілом інтенсивності. Особливий інтерес являє схема, при якій у пучок з кільцевим розподілом вводиться інший пучок суцільного перетину. Змінюючи взаємне положення осей пучків за допомогою поворотного дзеркала і фокусуючи їх однією лінзою, можна ефективно керувати розподілом потужності випромінювання у площині обробки.З метою визначення закономірностей зміни основних характеристик наплавлених шарів (висоти, ширини, товщини зони сплавлення, мікротвердості і структури, характеру та кількості тріщин) у залежності від режимів лазерної обробки і застосовуваних порошкових матеріалів, а також встановлення діапазону варіювання факторів проводились експериментальні дослідження.