WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     ||
|

Обязательным условием возникновения пробоя является нарастание концентрации возбужденных электронов при превышении частоты ионизации над частотой диффузионных потерь I = c0E2, при напряженности электрической составляющей электромагнитного поля квантов ЛИ E = /(2 a n e)[me 3], где – диэлектрическая проницаемость вещества, 0 – диэлектрическая постоянная, a - характерный размер области воздействия луча, - круговая частота излучения, – сечение взаимодействия электрон-атом.

Определены условия введения ЛИ в ПП. Показано, что наиболее рациональным режимом распространения фронта ионизации для поперечного прогрева ПП является режим СДВ поглощения, который реализуется при значениях интенсивности ЛИ до ГВт/см2, длительность импульса - порядка 100 нс, при этом начальная температура ПП - не менее 10 кК. Получена зависимость пороговой интенсивности пробоя в ПП от начальной температуры плазмы на выходе из плазмотрона.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ разработана модель взаимодействия ЛИ с ПП, содержащим частицы напыляемого материала. Исходя из допущения, что со всех сторон на частицу оказывается равномерное воздействие по причине малых размеров; форма частицы условно принята сферической. Процессы нагрева и плавления в конденсированной среде рассмотрены в рамках единой расчетной области без разделения на твердое тело и расплав. Для моделирования области нагрева с плавлением использованы уравнения теплопроводности:

v T t + (V,gradT) = a(T)T, где a(T) = T (T) c(T) - температуропроводность; Т(Т) – теплоr проводность; - плотность материала; V – вектор скорости фронта испарения; с(Т) – эффективная сглаженная функция удельной теплоемкости с(Т), которая, кроме сглаживания перепада в значении при фазовом переходе «твердое тело – расплав», включает в себя удельную энергию плавления. Граничные условия на поверхности поглощения-испарения:

- Т T = qT (t), n qT (t) = (1- R(TS )) I (r,t) - IV (T(r)) + qV заданы с учетом I (r,t) - распределения интенсивности падающего излучения в плоскости, нормальной оси луча, PH(TS ) RUTS LV & IV = 1(Ma ) M 2 (Ma ) Ma (1+ 3Ma ) + m(TS,Ma ) RUTS 3 M M – потерь плотности мощности на испарение, R – отражательной способности поверхности, учитывающей ее температуру, 4 qV = (TS - Tn ) – лучистого обмена между поверхностью частицы и ПП.

По неявной конечно-разностной схеме разработан и реализован алгоритм, представленный на рис. 1.

Результаты вычислительного эксперимента показали, что параметры ЛИ, обеспечивающие возникновение оптического пробоя и нагрев частицы порошка Al2O3 до температур 3-3,5 кК при поверхностном испарении 20-30% (рис. 2), должны лежать в пределах: длительность импульса ЛИ 100-300 нс, энергия импульса 0,20,4 Дж. Показано, что при воздействии импульсов ЛИ длительностью выше 400 нс происходит полное испарение частицы, воздействие импульсов ЛИ с длительностью 10-60 нс и менее вызывает испарение частицы на 70-80%.

Так как промышленно выпускаемые лазеры имеют отклонения от требуемых временных и энергетических параметров, в качестве источника ЛИ необходимо использовать Nd: YAG – лазер с линейным четырехзеркальным резонатором, который полностью удовлетворяет условиям лазерно-плазменного напыления. Для лазерно-плазменного напыления подходит установка «Киев - 7» с плазматроном ПУН – 1, обеспечивающая температуру плазмы в пределах 6 – 20 кК.

С использованием рекомендаций главы 1 по способу введения ЛИ в ПП разработан комбинированный узел для лазерноплазменного напыления и проведены прочностные расчеты для элементов конструкции блока совмещения ЛИ с ПП.

Задание начальных условий Аппроксимация коэффициентов состояния частицы от температуры Определение плотности мощности ЛИ за длительность импульса Прямая подгонка: определение коэффициентов по радиусу частицы Обратная подгонка: определение температуры по радиусу частицы да S>=SMAX нет Конец Определение температуры на граничной точке в следующий момент времени S+да TS+1/TS>нет Уменьшим шаг по времени в 2 раза нет TS+1/TS<1.да Увеличим шаг по времени в 2 раза Рис. 1. Блок-схема расчета температуры частицы 7 T, кК t, нс 0 100 200 300 400 500 Рис. 2. Зависимость изменения температуры Т поверхности частицы Al2Oот времени t при длительности импульса ЛИ 100 нс и энергии 0,2 Дж В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ исследовано влияние температуры нагрева и скорости полета частицы при лазерно-плазменном напылении на свойства получаемых керамических покрытий. Рассчитана относительная прочность сцепления покрытия с подложкой:

N(t) / N0 = 1- exp[- ( t) exp(Ea k Tk )], где – частота собственных колебаний атомов, находящихся в контакте; t - время затвердевания частицы порошка; Еа - энергия активации поверхности подложки, Tk = [K (Tч - Т0 ) /(K + Ф(к ))]+ Т0 - температура в зоне контак та, Тч и Т0 – температура частицы и подложки в момент осаждения покрытия; Ф(к) – функция интеграла вероятности;

К = (1 2 ) а2 а1 - критерий тепловой активности частицы по отношению к подложке; 1 и 2 – коэффициенты теплопроводности порошка и подложки; а1 и а2 - коэффициенты температуропроводности порошка и подложки.

Результаты расчета представлены на рис. 3.

Анализ результатов вычислительного эксперимента показал наличие максимального значения относительной прочности сцепления, которое, применительно к частицам диаметром до 60 мкм. достигается при нагреве напыляемых частиц от температуры 3 кК.

Принимая за критерий оптимизации отсутствие непроизводительных потерь дополнительной энергии модулированного ЛИ, энергетические и временные параметры ЛИ должны удовлетворять следующим значениям: энергия импульса – 0,2 – 0,4 Дж, длительность импульса ЛИ – 100 – 300 нс. (рис. 3). При этом адгезионная прочность увеличивается до 3 – 4 раз по сравнению с плазменным напылением с 3040 МПа до 100-150 МПа.

1,N(t)/N(0) 1,0,0,0,0,Wi, Дж 0,0 0,1 0,2 0,3 0,Рис. 3. Относительная прочность сцепления частиц с подложкой N(t)/N0 в зависимости от энергии импульса ЛИ: 1) длительность импульса 100 нс, 2) 200 нс; 3) 300 нс Введение ЛИ в ПП, содержащий частицы напыляемого материала, способствует нагреву и ускорению частицы. Скорость частицы рассчитана как ч = 1,4 п,7 / d0,4 0,5, ч ч что в приближении кинетической энергии движения составляет ч = (2Wk чV)1 2, где dч – диаметр частицы; ч – плотность частицы; п- скорость плазмы; Vч – объем частицы; Wк – кинетическая энергия частицы.

В результате оценки скорость частицы при воздействии на нее СДВ увеличивается до 800-820 м/с, что превышает значение 300310 м/с при плазменном напылении. Это приводит к увеличению ударного давления:

Py = 0,5 µ ч c3 ч, где µ - коэффициент жесткости частицы; сз – скорость звука в жидкости, и к образованию физико-химического взаимодействия покрытия с подложкой при отсутствии подогрева основы. С учетом увеличения скорости напыляемых частиц в 2,5-2,7 раза увеличится и скорость напыления. Это приведет к локальному нагреву поверхности детали и, как следствие, к отсутствию ее коробления.

При увеличении скорости и температуры частиц напыляемого материала существует возможность значительного увеличения производительности метода, уменьшения пористости и увеличения прочности сцепления покрытия с подложкой. Увеличение относительной адгезионной прочности до 3-4 раз позволит уменьшить массогабаритные показатели деталей до 2,0-2,5 раз.

В ПЯТОЙ ГЛАВЕ приведены результаты вычислительного эксперимента, выполненного численными методами, дана оценка относительной прочности сцепления напыляемых частиц с подложкой, по результатам математического моделирования взаимодействия ПП и ЛИ, а также по результатам математического моделирования взаимодействия ЛИ с ПП, содержащим мелкодисперсную фазу. Разработана методика выбора параметров ЛИ, обеспечивающих получение максимальной адгезионной прочности плазменно напыляемых покрытий, позволяющая: определять энергетические и пространственно-временные характеристики импульсов ЛИ в зависимости от параметров ПП, которые обеспечивают оптический пробой с формированием фронта поглощения в режиме СДВ; определять предельно допустимые температуры нагрева частиц напыляемого материала, содержащихся в ПП, в зависимости от его температуры, параметров ЛИ и обеспечивающей поверхностное испарение частиц не более 30 %; исследовать влияние параметров ЛИ на адгезионную прочность формируемых керамических покрытий; оптимизировать параметры ЛИ и ПП из условия достижения адгезионной прочности покрытия 100-150 МПа при минимизации непроизводительных потерь энергии ЛИ.

По предложенной методике определены параметры воздействия установки лазерно-плазменного напыления на базе комплекса «Киев-7» и построен график, представленный на рис. 4, на котором изображена область оптимальных режимов процесса лазерноплазменного напыления для достижения адгезионной прочности 100-150 МПа при максимальной эффективности использования энергии ЛИ. Приведены результаты экспериментов, подтверждающих адекватность разработанной математической модели.

Т, кК Рi, Вт 109 1011 1013 1015 1,E+09 1,E+11 1,E+13 1,E+15 1,E+Рис. 4. Область оптимальных режимов реализации лазерно-плазменного напыления: 1)- длительность импульса 100 нс, 2)- 150 нс, 3)- 200нс, 4)- 250 нс, 5)- 300 нс для ЛИ с диаметром 1 мм; 6)- длительность импульса 100 нс и 7)- 300 нс для ЛИ с диаметром 10 мм ОБЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Разработан метод и плазматрон для лазерно-плазменного напыления керамических покрытий.

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. Определен оптимальный режим распространения фронта ионизации - режим СДВ поглощения, который реализуется при значениях интенсивности ЛИ до 1 ГВт/см2, длительность импульса порядка 100 нс, при этом начальная температура ПП не менее кК.

5. Установлена зависимость пороговой интенсивности пробоя в ПП от начальной температуры плазмы на выходе из плазмотрона.

6. Разработан и реализован алгоритм расчета температуры частицы напыляемого материала, показавший, что частица нагревается до значений порядка 3 кК, при этом энергетические и пространственно-временные параметры импульса ЛИ должны находится в пределах: длительность импульса 100-300 нс, энергия импульса 0,2-0,4 Дж, диаметр луча 1-10 мм.

7. С помощью численного эксперимента определена относительная прочность сцепления формируемого керамического покрытия Al2O3 со стальной подложкой 12Х18Н9Т при лазерноплазменном напылении, которая увеличивается до 3-4 раз и достигает максимального значения при использовании импульсов ЛИ с энергией 0,3-035 Дж.

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

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

Список литературы, опубликованной по теме диссертации Научные статьи, опубликованные в изданиях по списку ВАК:

1. Плазмотрон для лазерно-плазменного нанесения покрытий [Текст]: пат.№75391 Рос.Федерация: МПК С 23 С 4/12, Н 05 Н 1/42/ Курганов И.А., Митрофанов А.А., Федин А.В, Чащин Е.А., Шилов И.В., Балашова С.А.; заявитель и патентообладатель ООО "Лазерно-плазменные технологии".- №2008112130; заявл. 01.04.08;

опубл. 10.08.08, Бюл. №22. – ил.

2. Свид-во об отраслевой регистрации разработки. Расчет температуры частицы при воздействии плазменного потока [Текст]/ С.А.Балашова, Е.А.Чащин, П.В.Воротнев (РФ). - № 12240; заявл.

29.01.2009г; опубл. 11.02.2009.

3. Балашова, С.А. Продление ресурса оборудования для наземных отработок космических аппаратов [Текст] / С.А.Балашова, Е.А.Чащин, И.В.Шилов, А.А.Митрофанов // Информация и космос.

– 2009. – №2. – С.115-119.

4. Балашова, С.А. Повышение эксплуатационных характеристик керамических покрытий [Текст] / С.А.Балашова, Е.А.Чащин, И.В.Шилов, А.А.Митрофанов // Вестник Саратовского государственного технического университета. – 2009. – №2 (38). – Вып. 1. – С. 72-79.

5. Балашова, С.А. Повышение эксплуатационных свойств покрытий, нанесенных лазерно-плазменным напылением [Текст] / Е.А. Чащин, С.А. Балашова // Приводная техника.-2009.- № 3 (79).С.37-40.

Публикации в других изданиях:

6. Балашова, С.А. Взаимодействие импульсного лазерного излучения с плазменным потоком, содержащим мелкодисперсную фазу [Текст] / Е.А. Чащин, И.В. Шилов, С.А. Балашова // Материалы 10-й международной научно-практической конференции. Технология ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки: Ч. 1.- С.-Пб., 2008. – С. 312.

7. Балашова, С.А. Лазерно-плазменное напыление керамических покрытий [Текст] / Е.А.Чащин, И.В.Шилов, С.А.Балашова // ХХХIV Гагаринские чтения. Международная молодёжная научная конференция: сборник научных трудов: Ч. 3.- М., С.126-127.

8. Балашова, С.А. Модель взаимодействия лазерного излучения с плазменным потоком, содержащим мелкодисперсную фазу [Текст] / С.А. Балашова, Е.А. Чащин, И.В. Шилов, А.А. Митрофанов // Сб. трудов пятой международной научно-практической конференции. Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности; под ред. А.П. Кудинова, Г.Г. Матвиенко. - С.-Пб. – Т.12. – 2008. - С. 151 - 152.

9. Балашова, С.А. Модель теплового состояния мелкодисперсной частицы, находящейся под совместным воздействием плазменного потока и лазерного излучения [Текст] / С.А. Балашова, М.А. Кузнецов, А.А. Митрофанов, И.В. Шилов // Материалы III научно-технической конференции аспирантов и молодых ученых: Ч 2.- Ковров: ГОУ ВПО КГТА им. В.А. Дегтярева, 2008. - С.13-18.

10. Балашова, С.А. Плазмотрон для лазерно-плазменной обработки [Текст]/ С.А.Балашова, А.В.Федин, Е.А.Чащин, А.А.Митрофанов, И.В. Шилов. // Материалы III научнотехнической конференции аспирантов и молодых ученых: Ч 2.- Ковров: ГОУ ВПО КГТА им. В.А. Дегтярева, 2008. – С.3-7.

11. Балашова, С.А. Выбор источника излучения для лазерноплазменного напыления / Е.А. Чащин, И.В. Шилов, С.А. Балашова // Научно-технический сборник к 100-летию со дня рождения Д.Ф.

Устинова, 2008. – С. 56-61.

12. Балашова, С.А. Источник лазерного излучения для лазерно-плазменного нанесения покрытий [Текст] / Е.А. Чащин, И.В.

Шилов, С.А. Балашова // Молодежная школа-семинар Современные нанотехнологии и нанофотоника для науки и производства. – ВлГУ, – 2008. – С.29-30.

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.