WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     |
|

На правах рукописи

БАЛАШОВА Светлана Александровна МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ПЛАЗМЕННЫМ ПОТОКОМ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ПРОЧНОСТИ ПОКРЫТИЙ Специальность 05.13.18 – Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ.

05.02.08 – Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иваново 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Ковровская государственная технологическая академия им. В.А. Дегтярева»

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Чащин Евгений Анатольевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Мизонов Вадим Евгеньевич, доктор технических наук, профессор Микипорис Юрий Анатольевич

Ведущая организация: КБ "Арматура" – филиал ГКНПЦ им. М.В. Хруничева

Защита диссертации состоится 18 декабря 2009 г.

в 1100 часов в ауд.. Б-237 на заседании диссертационного совета Д 212.064.03 при ГОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина» по адресу: 153003, г. Иваново, ул. Рабфаковская, 34

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГЭУ, с авторефератом можно ознакомиться на сайте ИГЭУ www.ispu.ru

Автореферат разослан « 6 » ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета А. А Шульпин

Общая характеристика работы

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Повышение ресурса техники возможно за счет улучшения эксплуатационных характеристик узлов, содержащих динамически взаимодействующие пары трения, путем поверхностного упрочнения деталей машин. Одним из возможных решений данной задачи является нанесение керамических покрытий, обладающих актуальными для трущихся пар положительными свойствами: высокой износостойкостью, жаропрочностью и коррозионной стойкостью.

Каждый из известных методов нанесения покрытий обладает своими показателями затрат, перечнем используемых для напыления материалов и диапазоном технических показателей покрытий.

Гальванические и химические методы обеспечивают с высокой эффективностью только нанесение металлических покрытий. Номенклатура изделий, обрабатываемых способами биметаллизации и вакуумной обработки, обеспечивающими высокую адгезионную прочность покрытий, ограничена массой и габаритами покрываемой поверхности. Кроме того, необходимость вакуумизации объема рабочей камеры вызывает значительное уменьшение производительности обработки. Плазменное напыление практически не имеет ограничений по габаритам напыляемых деталей и отличается высокой производительностью. Однако при напылении керамики, адгезионная прочность сцепления покрытия с основой ограничена. Поэтому метода, удовлетворяющего всем требованиям, предъявляемым к керамическим покрытиям трущихся пар, не существует. В работах А.Ф. Пузрякова и В.В. Кудинова отдается предпочтение разработке гибридных способов нанесения покрытий, объединяющих различные принципы воздействия на материал покрытия.

Повышение адгезионной прочности покрытий при плазменном напылении является актуальной задачей, которую можно решить за счет интенсифицикации теплового воздействия плазменного потока (ПП) на частицы напыляемого материала путем введения дополнительного источника энергии. Известен способ интенсифицикации теплового воздействия введением электронных пучков с длительностью импульса 10 – 100 нс и плотностью мощности 107 - 109 Вт/см2. Однако использование электронно-лучевой обработки невозможно без применения вакуумного оборудования.

Разработанные в последнее время источники лазерного излучения (ЛИ) обеспечивают генерацию импульсов с энергетическими и временными параметрами излучения, достигающими и превышающими приведенные параметры электронных пучков. При этом лазерная обработка не требует вакуумизации зоны воздействия.

Это делает актуальным решение научно-технической задачи повышения трибологических характеристик пар трения за счет увеличения адгезионной прочности керамических покрытий, полученных лазерно-плазменным напылением. Решение поставленной задачи заключается в проведении, на основании современных технологий математического моделирования и вычислительного эксперимента, комплексного исследования физико-технических основ интенсификации теплового воздействия ПП введением модулированного ЛИ.

Математическое моделирование с использованием численных методов позволит последовательно проанализировать процессы взаимодействия двух концентрированных потоков энергии, синтезировать установку для проведения лазерно-плазменного напыления и оптимизировать параметры ЛИ для достижения максимальной адгезионной прочности при минимальных энергозатратах. С помощью этой модели можно рассчитать оптимальные параметры ЛИ в узком диапазоне, что способствует сокращению времени для наладки оборудования и проведения экспериментов.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ. Целью исследования является разработка математической модели комплексного исследования физико-технических основ взаимодействия лазерного излучения с плазменным потоком для повышения трибологических характеристик пар трения за счет увеличения адгезионной прочности керамических покрытий, полученных лазерно-плазменным напылением.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие основные задачи:

1. Разработка математической модели, позволяющей провести анализ поглощения ЛИ плазменным потоком с температурой 620 кК, учитывающей влияние энергетических и пространственновременных параметров импульсов модулированного излучения, ПП и их взаимного влияния.

2. Разработка математической модели, позволяющей определить влияние параметров ЛИ на температуру ПП, температуру частиц напыляемого материала и оценить пределы регулирования энергетических, временных и пространственных параметров ЛИ, обеспечивающих повышение эксплуатационного ресурса плазменно-напыляемых керамических покрытий пар трения.

3. Определение адгезионной прочности формируемого керамического покрытия в зависимости от параметров ЛИ и начальной температуры ПП с помощью численного эксперимента.

4. Разработка методики, позволяющей определить параметры ЛИ с учетом температуры ПП, обеспечивающие при лазерноплазменном напылении достижение максимальной адгезионной прочности керамических покрытий при одновременной минимизации непроизводительных потерь энергии ЛИ.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Решение поставленных задач выполнено методами математического моделирования, применяемыми в газодинамике, лазерной физике, и описания процессов низкотемпературного плазменного воздействия.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. В ходе решения перечисленных задач автором получены следующие новые научные результаты:

1. Предложен метод лазерно-плазменного напыления Al2O3, заключающийся в создании плазмотроном ПП, подаче в него порошкообразного материала и нанесении напыляемого материала на поверхность подложки, причем, в отличие от известных аналогов на напыляемый материал перед нанесением на подложку воздействуют модулированным ЛИ, что приводит к возникновению оптического пробоя, в области которого поглощается до 95% энергии падающего ЛИ, до 3 раз увеличивает количество поглощенной парциальной энергии ЛИ и до 3-4 раз повышает адгезионную прочность керамических покрытий Al2O3.

2. Разработана математическая модель, описывающая процесс лазерно-плазменного напыления покрытий Al2O3.

3. Определены условия ввода ЛИ в ПП, обеспечивающие поглощение до 95% энергии ЛИ.

4. Разработан и реализован алгоритм расчета температуры частицы напыляемого материала при совместном воздействии на нее ЛИ и ПП с граничными условиями, включающими как ЛИ и ПП, так и потери за счет испарения и отражения излучения от поверхности частицы, без рассмотрения границы твердое телорасплав, что учитывается в функции удельной теплоемкости.

5. Рассчитана адгезионная прочность формируемого керамического покрытия Al2O3 в зависимости от выбранных параметров ЛИ.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ результатов, полученных в диссертации, заключается в разработке методики, позволяющей определить параметры ЛИ с учетом температуры ПП, обеспечивающие при лазерно-плазменном напылении достижение максимальной адгезионной прочности керамических покрытий при одновременной минимизации непроизводительных потерь энергии ЛИ.

Разработано программное средство для оценки температурного состояния плазменно-напыляемой частицы в зависимости от параметров ЛИ и ПП (свидетельство на регистрацию № 12240 от 29.01.2009 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 № 75391от 01.04.08 г.).

Показана возможность увеличения прочности сцепления покрытия Al2О3 с подложкой до 3-4 раз с 30-40 МПа до 100-150 МПа.

Предложены научно-обоснованные рациональные режимы лазерно-плазменного напыления, обеспечивающие повышение относительной прочности сцепления покрытия Al2O3 с подложкой.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Программное средство "Расчет температуры частиц при воздействии плазменного потока" использовалось для определения области рациональных режимов лазерно-плазменного напыления покрытия из Al2O3 пар трения для оборудования фирмы "НОВОТЕХ".

Пары трения гидравлических узлов машин с керамическим покрытием из порошка Al2O3 использовались в ООО "КонтейнексМонолит", эксплуатация этих узлов подтвердила увеличение ресурса в 1,8-2,0 раза за счет повышения адгезионной прочности.

Результаты исследований используются при разработке технологических процессов напыления керамических покрытий, повышающих износостойкость пар трения, входящих в состав гидроцилиндров на предприятии ФГУП ВНИИ Сигнал.

АПРОБАЦИЯ. По теме диссертации получен 1 патент на полезную модель, 1 свидетельство на регистрацию программного средства.

Основные результаты, полученные в диссертационной работе, докладывались на международных конференциях: ХХХIV Гагаринские чтения, Москва, 2008-2009гг.; Технология ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки, С.–Петербург, 15-18 апреля 2008г.; Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности, С.–Петербург, 28-30 апреля 2008г.; XVI Туполевские чтения, Казань, 28 – 29 мая 2008г., "Молодежь и наука: реальность и будущее", г.Невинномысск, 3 марта 2009 г., ХV Бенардосовские чтения, г. Иваново, 27-29 мая 2009 г.; а также на научно-практических конференциях: III и IV научно-технической конференции аспирантов и молодых ученых, Ковров, 2008-2009гг.;

молодежной школе-семинаре Современные нанотехнологии и нанофотоника для науки и производства, г. Владимир, ноябрь 2008г.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации лично автором и в соавторстве опубликовано 16 работ, из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, получен 1 патент на полезную модель и свидетельство об отраслевой регистрации разработки.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, пяти разделов и заключения, она содержит 124 листа, рисунков, 6 таблиц и список литературы из 103 названий.

Содержание работы ВО ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность темы, определены цель и задачи исследований, сформулированы положения, выносимые на защиту.

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. Выполнен анализ способов нанесения керамических покрытий. Отмечено, что повышение теплового воздействия на частицу напыляемого материала приведет к увеличению адгезионной прочности. 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, которое нельзя осуществить без математического моделирования сложных физических процессов взаимодействия, объединяющих различные принципы воздействия на материал покрытия.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ методом конечных приращений исследована зависимость температур частиц мелкодисперсной фазы от параметров ПП. Анализ результатов вычислительного эксперимента показал, что для увеличения прочности сцепления плазменно напыляемых керамических покрытий необходимо интенсифицировать тепловое воздействие ПП на частицу напыляемого порошка введением модулированного ЛИ. Показано, что в случае образования ЛИ оптического пробоя и совмещения его зоны с ПП в области оптического пробоя поглощается до 95 % энергии падающего ЛИ:

162 е6Z2kTn - h h ис = exp- exp 1- -, kT kT c h3 где c – скорость света; - частота излучения; Z – заряд иона; * – потенциал ионизации атома; Т – температура ПП; n – концентрация в нем атомов; k – постоянная Больцмана, h – постоянная Планка.

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 разработана укрупненная модель взаимодействия ЛИ с ПП. Определено, что наиболее подходящим режимом распространения фронта ионизации для поперечного прогрева ПП является режим СДВ поглощения, который реализуется при умеренных значениях интенсивности ЛИ, а скорость ее распространения стабильна и задается интенсивностью излучения:

1 1 3 I VСДВ = (2( - 1)), где I – интенсивность ЛИ; 0 - плотность газовой среды; - показатель адиабаты газа.

Pages:     |
|



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.