Попов В.Н., д.ф.-м.н., главный научный сотрудник ( popov@itam.nsc.ru ) Черепанов А.Н., д.ф.-м.н., профессор, главный научный сотрудник ( ancher@itam.nsc.ru ) Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН (630090, Новосибирск, ул. Институтская, 4/1) Аннотация. Улучшение эксплуатационных свойств деталей при лазерной обработке поверхностей может быть получено модифицированием расплава подготовленными наноразмерными частицами тугоплавких соединений (карбиды, нитриды и

more »

... .). Это позволяет увеличить количество центров кристаллизации, измельчить структуру и повысить однородность затвердевшего металла. Известно, что термокапиллярная конвекция способствует гомогенному распределению материалов, проникающих в расплавленный металл. Так же известно, что присутствие в расплаве поверхностно-активных веществ влияет на характер конвекции. Существуют данные, что структура течений в расплаве зависит от количества поверхностно-активного вещества в металле. Поэтому проводятся исследования с целью получить данные о взаимосвязи характеристик лазерной обработки металла и степени однородности распределения модифицирующих добавок. С использованием численного моделирования оценивается влияние характеристик импульсного лазерного воздействия на распределение модифицирующих частиц при наличии в металле поверхностно-активного вещества. С помощью предлагаемой математической модели рассматриваются следующие нестационарные процессы: разогрев и плавление металла, теплоперенос в расплаве, движение жидкости, зарождение и рост твердой фазы после окончания импульса. При численной реализации модели сначала решается уравнение теплопроводности. При возникновении расплавленного металла определяется граница жидкой фазы. Далее совместно решаются уравнение конвективного теплопереноса и уравнения, описывающие движение несжимаемой жидкости. После завершения лазерного импульса расчеты продолжаются до момента полного затвердевания материала подложки. Предполагается, что модифицирующие наноразмерные частицы под действием конвективных потоков проникают в глубину расплава с его поверхности. Движение и распределение частиц в жидкости моделируются с помощью маркеров. Перемещение маркеров определяется локальными скоростями расплава в окрестности каждого. По результатам численных экспериментов было определено влияние параметров импульсного лазерного воздействия на характер течения и распределение частиц в расплаве. Найдены оптимальные характеристики для плавления подложки лазерным импульсом для различных концентраций поверхностно-активного вещества в железе. Ключевые слова: модифицирование, импульсное лазерное излучение, конвективный тепломассоперенос, наноразмерные тугоплавкие частицы, численное моделирование. * Работа выполнена в рамках партнерского интеграционного проек та ИМАШ УрО РАН - ИТПМ СО РАН № 4 и при финансовой поддержке грантов РФФИ № 14-08-00633, № 13-01-00227.