Численное моделирование теплофизических процессов модифицирования поверхностного слоя металла при индукционном нагреве

Проведено численное моделирование теплофизических процессов при модифицировании поверхностного слоя металла в перемещающейся подложке. Поверхность подложки покрыта слоем специально подготовленных наноразмерных частиц тугоплавкого соединения, которые после проникновения в расплав служат активными центрами кристаллизации. Исследована возможность применения высокочастотного электромагнитного поля для разогрева и плавления металла в целях его последующего модифицирования. Распределение электромагнитной энергии в металле описано эмпирическими формулами. Плавление металла рассмотрено в приближении Стефана, а при затвердевании предположено, что все наночастицы являются центрами объемно-последовательной кристаллизации. По результатам численных экспериментов выполнена оценка распределения температурного поля, размеров зон плавления и кристаллизации, изменения доли твердой фазы в двухфазной зоне, площади обработанной поверхности подложки в зависимости от скорости ее перемещения и характеристик индукционного нагрева. Установлено, что ширина двухфазной зоны при затвердевании металла не превышает 100 мкм, а время затвердевания составляет несколько миллисекунд

Литература

[1] Плазмохимический синтез ультрадисперсных порошков и их применение для модифицирования металлов и сплавов / В.П. Сабуров, А.Н. Черепанов, М.Ф. Жуков, Г.В. Галевский, Г.Г. Крушенко, В.Т. Борисов. Новосибирск: Наука, 1995. 330 с.

[2] Черепанов А.Н., Попов В.Н. Оценка влияния модификации наноразмерными тугоплавкими частицами жаропрочного сплава // Сибирский физический журнал. 2015. Т. 10. № 3. С. 97–102.

[3] Surface treatments by laser technology / M.A. Montealegre, G. Castro, P. Rey, J.L. Arias, P. Vazquez, M. Gonzalez // Contemporary Materials. 2010. Vol. 1. No. 1. P. 19–30. DOI: 10.5767/anurs.cmat.100101.en.019M URL: http://www.savremenimaterijali.info/index.php?idsek=72

[4] Donghua D., Dongdong G. Influence of thermodynamics within molten pool on migration and distribution state of reinforcement during selective laser melting of AlN/AlSi10Mg composites // International Journal of Machine Tools & Manufacture. 2016. Vol. 100. P. 14–24. DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2015.10.004 URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0890695515300766

[5] Павлов Н.А. Инженерные тепловые расчеты индукционных нагревателей. М.: Энергия, 1978. 120 с.

[6] Черепанов А.Н., Попов В.Н. Численный анализ влияния поверхностно-активного вещества в расплаве на распределение модифицирующих частиц и кристаллизацию при обработке поверхности металла лазерным импульсом // Теплофизика и аэромеханика. 2014. Т. 21. № 3. C. 373–381.

[7] Hoche D., Muller S., Rapin G., et аl. Marangoni convection during free electron laser nitriding of titanium // Metall. Mater. Trans. B. 2009. Vol. 40. No. 4. P. 497–507. DOI: 10.1007/s11663-009-9243-1

[8] Баландин Г.Ф. Основы теории формирования отливки. М.: Машиностроение, 1979. 335 с.

[9] Ehlen G., Ludwig A., Sahm P.R. Simulation of time-dependent pool shape during laser spot welding: transient effects // Metall. Mater. Trans. A. 2003. Vol. 34. No. 12. P. 2947–2961. DOI: 10.1007/s11661-003-0194-x URL: https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs11661-003-0194-x