Модель взаимодействия лазерного излучения и металлопорошковой композиции в процессе прямого лазерного выращивания заготовок для деталей газотурбинных двигателей


Цитировать

Полный текст

Аннотация

Представлена модель для анализа процесса взаимодействия лазерного излучения и металлопорошковой композиции в процессе прямого лазерного выращивания крупногабаритных камер сгорания газотурбинных двигателей. Металлопорошковая композиция подаётся в зону плавления коаксиально с лазерным излучением. Задача состоит в том, чтобы полностью расплавить порошок лазерным излучением до его попадания в ванну расплава на платформе построения. Лазерное излучение поглощается по мере прохождения через газопорошковую струю, его энергия также используется для расплавления платформы построения или предыдущего слоя. Таким образом, для определения параметров технологического режима, обеспечивающего расплавление порошинок, необходимо определить границы параметров, при которых происходит полное расплавление каждой частицы металлопорошковой композиции в газопорошковой струе. Для моделирования теплообмена внутри частицы использовался закон поглощения лазерного излучения Бера – Ламберта с применением метода сосредоточенных параметров. Необходимая энергия для расплавления порошкового материала определялась через энтальпию. Полученное одномерное дифференциальное уравнение приращения энтальпии решено численно методом Эйлера. С помощью разработанной модели определено расстояние от точки начала взаимодействия лазерного луча с металлопорошковой композицией до зоны её полного расплавления, и исследовано влияние скорости газопорошковой струи, мощности лазерного излучения, насыпной плотности металлопорошковой композиции и среднего радиуса порошинок на расстояние до зоны полного расплавления.

Об авторах

А. В. Балякин

Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва

Автор, ответственный за переписку.
Email: balaykinav@ssau.ru
ORCID iD: 0000-0002-1558-1034

старший преподаватель кафедры технологий производства двигателей

Россия

Список литературы

  1. Gibson I., Rosen D., Stucker B. Additive manufacturing technologies: 3Dprinting, rapid prototyping, and direct digital manufacturing, second edition. New York: Springer, 2015. 498 p. doi: 10.1007/978-1-4939-2113-3
  2. Алексеев В.В., Бобров А.Н., Калугин К.С. Исследование комплексных прочностных характеристик моделей газовых турбин, изготовленных аддитивными методами // Вестник Московского авиационного института. 2019. Т. 26, № 2. С. 43-50.
  3. Смелов В.Г., Кокарева В.В., Чупин П.В., Дмитриев Д.Н. Проектирование технологического процесса селективного лазерного сплавления жаропрочного сплава для изготовления горелочного устройства // Вестник Московского авиационного института. 2023. Т. 30, № 1. С. 131-141. doi: 10.34759/vst-2023-1-131-141
  4. Балякин А.В., Олейник М.А., Злобин Е.П., Скуратов Д.Л. Обзор гибридного аддитивного производства металлических деталей // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2022. Т. 21, № 2. С. 48-64. doi: 10.18287/2541-7533-2022-21-2-48-64
  5. Смуров И.Ю., Конов С.Г., Котобан Д.В. О внедрении аддитивных технологий и производства в отечественную промышленность // Новости материаловедения. Наука и техника. 2015. № 2 (14). С. 11-22.
  6. Кравчук А.Д., Маряхин А.Д., Потапов А.А., Панченко В.Я., Комлев В.С., Новиков М.М., Охлопков В.А., Дувидзон В.Г., Латышев Я.А., Челушкин Д.М., Чобулов С.А., Александров А.П., Шкарубо А.Н. Применение аддитивных технологий в нейрохирургии // Материалы V Международной конференции «Аддитивные технологии: настоящее и будущее» (22 марта 2019 г., Москва). М.: ВИАМ, 2019. С. 253-274.
  7. Куликов М.Ю., Ларионов М.А., Гусев Д.В., Шевчук Е.О. Улучшение шероховатости поверхностей деталей из полимерных материалов, полученных с помощью аддитивных технологий // Вестник Брянского государственного технического университета. 2021. № 7 (104). С. 12-18. doi: 10.30987/1999-8775-2021-7-12-18
  8. Белов П.С. Влияние параметров постобработки на шероховатость поверхности изделий, получаемых методами аддитивных технологий // Вестник МГТУ «Станкин». 2019. № 1 (48). С. 57-61.
  9. Земляков Е.В., Туоминен Я., Поздеева Е.Ю., Туричин Г.А., Комарова Е.А. Формирование поверхностных слоёв при лазерной наплавке с использованием мощных волоконных лазеров // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. 2013. № 1 (166). С. 231-236.
  10. Ольшанская Т.В., Саломатова Е.С. Обзор современных способов управления электронным лучом при электронно-лучевой сварке // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. 2016. Т. 18, № 4. С. 169-187. doi: 10.15593/2224-9877/2016.4.13
  11. Балякин А.В. Процесс прямого лазерного выращивания жаропрочного сплава: влияние мощности и термической обработки на микроструктуру и механические характеристики // Вестник Сибирского государственного индустриального университета. 2023. № 4 (46). С. 64-78. doi: 10.57070/2304-4497-2023-4(46)-64-78
  12. Максимов П.В., Сметанников О.Ю. Численное моделирование остаточных напряжений в авиационных деталях, произведённых методами аддитивного послойного синтеза // Материалы XXI Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС'2019) (24-31 мая 2019 г., Алушта). М.: МАИ, 2019. С. 299-301.
  13. Toyserkani E., Khajepour A., Corbin S. 3-D finite element modeling of laser cladding by powder injection: effects of laser pulse shaping on the process // Optics and Lasers in Engineering. 2004. V. 41, Iss. 6. P. 849-867. doi: 10.1016/S0143-8166(03)00063-0
  14. Vastola G., Zhang G., Pei Q.X., Zhang Y.-W. Controlling of residual stress in additive manufacturing of Ti6Al4V by finite element modeling // Additive Manufacturing. 2016. V. 12, Part B. P. 231-239. doi: 10.1016/J.ADDMA.2016.05.010
  15. Cao X., Ayalew B. Control-oriented MIMO modeling of laser-aided powder deposition processes // Proceedings of the American Control Conference (July, 01-03, 2015, Chicago, IL, USA). 2015. P. 3637-3642. doi: 10.1109/ACC.2015.7171895
  16. Hoadley A.F.A., Rappaz M. A thermal model of laser cladding by powder injection // Metallurgical Transactions B. 1992. V. 23. P. 631-642. doi: 10.1007/BF02649723
  17. Ganeriwala R.K., Strantza M., King W.E., Clausen B., Phan T.Q., Levine L.E., Brown D.W., Hodge N.E. Evaluation of a thermomechanical model for prediction of residual stress during laser powder bed fusion of Ti-6Al-4V // Additive Manufacturing. 2019. V. 27. P. 489-502. doi: 10.1016/j.addma.2019.03.034
  18. Hodge N.E., Ferencz R.M., Vignes RM. Experimental comparison of residual stresses for a thermomechanical model for the simulation of selective laser melting // Additive Manufacturing. 2016. V. 12, Part B. P. 159-168. doi: 10.1016/j.addma.2016.05.011
  19. Lu X., Lin X., Chiumenti M., Cervera M., Hu Y., Ji X., Ma L., Yang H., Huang W. Residual stress and distortion of rectangular and S-shaped Ti-6Al-4V parts by directed energy deposition: Modelling and experimental calibration // Additive Manufacturing. 2019. V. 26. P. 166-179. doi: 10.1016/j.addma.2019.02.001
  20. Костенков С.Н., Харанжевский Е.В., Кривилев М.Д. Метод определения характеристик взаимодействия лазерного излучения с нанокомпозитными порошковыми материалами // Физика металлов и металловедение. 2012. Т. 113, № 1. С. 98-103.
  21. Сычев А.Е., Вадченко С.Г., Боярченко О.Д., Vrel D., Сачкова Н.В. Особенности взаимодействия интерметаллидов на основе Ti-Al, Ni-Al с металлическими подложками Ti и Ni в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза // Перспективные материалы. 2012. № 2. C. 15-20.
  22. Qi H.,  Mazumder J.,  Ki H. Numerical simulation of heat transfer and fluid flow in coaxial laser cladding process for direct metal deposition // Journal of Applied Physics. 2006. V. 100, Iss. 2. doi: 10.1063/1.2209807
  23. Liu Ch.-Y.,  Lin J. Thermal processes of a powder particle in coaxial laser cladding // Optics and Laser Technology. 2003. V. 35, Iss. 2. P. 81-86. doi: 10.1016/S0030-3992(02)00145-7
  24. Bergman T.L., Lavine A.S., Incorpera F.P.,  DeWitt D.P. Fundamentals of heat and mass transfer. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, 2011. 1080 p.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение, 2024

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах