Том 24 № 3 2022 1 СОДЕРЖАНИЕ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ СОУЧРЕДИТЕЛИ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» ООО НПКФ «Машсервисприбор» ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР Батаев Анатолий Андреевич – профессор, доктор технических наук, ректор НГТУ ЗАМЕСТИТЕЛИ ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА Иванцивский Владимир Владимирович – доцент, доктор технических наук Скиба Вадим Юрьевич – доцент, кандидат технических наук Ложкина Елена Алексеевна – редактор перевода текста на английский язык, кандидат технических наук Перепечатка материалов из журнала «Обработка металлов» возможна при обязательном письменном согласовании с редакцией журнала; ссылка на журнал при перепечатке обязательна. За содержание рекламных материалов ответственность несет рекламодатель. 16+ РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ Председатель совета Пустовой Николай Васильевич – доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, член Национального комитета по теоретической и прикладной механике, президент НГТУ, г. Новосибирск (Российская Федерация) Члены совета Федеративная Республика Бразилия: Альберто Морейра Хорхе, профессор, доктор технических наук, Федеральный университет, г. Сан Карлос Федеративная Республика Германия: Монико Грайф, профессор, доктор технических наук, Высшая школа Рейн-Майн, Университет прикладных наук, г. Рюссельсхайм, Томас Хассел, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен, Флориан Нюрнбергер, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен Испания: Чувилин А.Л., кандидат физико-математических наук, профессор, научный руководитель группы электронной микроскопии «CIC nanoGUNE», г. Сан-Себастьян Республика Беларусь: Пантелеенко Ф.И., доктор технических наук, профессор, член-корреспондент НАН Беларуси, Заслуженный деятель науки Республики Беларусь, Белорусский национальный технический университет, г. Минск Украина: Ковалевский С.В., доктор технических наук, профессор, проректор по научно-педагогической работе Донбасской государственной машиностроительной академии, г. Краматорск Российская Федерация: Атапин В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Балков В.П., зам. ген. директора АО «ВНИИинструмент», канд. техн. наук, г. Москва, Батаев В.А., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Буров В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Герасенко А.Н., директор ООО НПКФ «Машсервисприбор», г. Новосибирск, Кирсанов С.В., доктор техн. наук, профессор, ТПУ, г. Томск, Коротков А.Н., доктор техн. наук, профессор, академик РАЕ, КузГТУ, г. Кемерово, Кудряшов Е.А., доктор техн. наук, профессор, Засл. деятель науки РФ, ЮЗГУ, г. Курск, Лобанов Д.В., доктор техн. наук, доцент, ЧГУ, г. Чебоксары, Макаров А.В., доктор техн. наук, член-корреспондент РАН, ИФМ УрО РАН, г. Екатеринбург, Овчаренко А.Г., доктор техн. наук, профессор, БТИ АлтГТУ, г. Бийск, Сараев Ю.Н., доктор техн. наук, профессор, ИФПМ СО РАН, г. Томск, Янюшкин А.С., доктор техн. наук, профессор, ЧГУ, г. Чебоксары В 2017 году журнал «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» вошел в индекс цитирования Emerging Sources Citation Index (ESCI) базы Web of Science. Журналы, представленные в индексе цитирования ESCI, отвечают большинству базовых критериев Core Collection и расцениваются компанией Clarivate Analytics как наиболее влиятельные и востребованные издания, имеющие большую вероятность высокого научного интереса. Журнал входит в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук». Полный текст журнала «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» теперь можно найти в базах данных компании EBSCO Publishing) на платформе EBSCOhost. EBSCO Publishing является ведущим мировым агрегатором научных и популярных изданий, а также электронных и аудиокниг. ИЗДАЕТСЯ С 1999 г. Периодичность – 4 номера в год ИЗДАТЕЛЬ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВИНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory» Журнал награжден в 2005 г. Большой Золотой Медалью Сибирской Ярмарки за освещение новых технологий, инструмента, оборудования для обработки металлов Журнал зарегистрирован 01.03.2021 г. Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия. Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-80400 Индекс: 70590 по каталогу OOO «УП УРАЛ-ПРЕСС» Адрес редакции и издателя: 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), корп. 5. Тел. +7 (383) 346-17-75 Сайт журнала http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Цена свободная
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 3 2022 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Пермяков Г.Л., Давлятшин Р.П., Беленький В.Я., Трушников Д.Н., Варушкин С.В., Шеньон П. Численный анализ процесса электронно-лучевой аддитивной наплавки с вертикальной подачей проволочного материала.......................................................................................................................................... 6 Ильиных А.С., Банул В.В., Воронцов Д.С. Теоретический анализ способов пассивного шлифования рельсов................................................................................................................................................................ 22 Чинчаникар С. Моделирование характеристик износа при скольжении композиционного материала на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ), армированного углеродным волокном, в паре трения с SS304 (12Х18Н10Т)......................................................................................................................................... 40 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Аббасов В.А., Баширов Р.Дж. Особенности применения ультразвука при плазменно-механической обработке деталей из труднообрабатываемых материалов........................................................................... 53 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Столяров В.В., Андреев В.А., Карелин Р.Д., Угурчиев У.Х., Черкасов В.В., Комаров В.С., Юсупов В.С. Деформационная способность сплава с памятью формы TiNiHf при прокатке с импульсным током........................................................................................................................................................... 66 Воронцов А.В., Филиппов А.В., Шамарин Н.Н., Москвичев Е.Н., Новицкая О.С., Княжев Е.О., Денисова Ю.А., Леонов А.А., Денисов В.В. Микроструктура и остаточные напряжения многослойных покрытий ZrN/CrN, полученных плазменно-ассистированным вакуумно-дуговым методом............................................................................................................................................................... 76 Иванов И.В., Сафарова Д.Э., Батаева З.Б., Батаев И.А. Сравнение подходов, основанных на методе Вильямсона-Холла, для анализа структуры высокоэнтропийного сплава Al0,3CoCrFeNi после холодной пластической деформациий.............................................................................................................................. 90 Крюков Д.Б. Структурные особенности и технология получения легких броневых композиционных материалов с механизмом локализации хрупких трещин.............................................................................. 103 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 112 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 123 Корректор Л.Н. Ветчакова Художник-дизайнер А.В. Ладыжская Компьютерная верстка Н.В. Гаврилова Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции Издание соответствует коду 95 2000 ОК 005-93 (ОКП) Подписано в печать 05.09.2022. Выход в свет 15.09.2022. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 15,5. Уч.-изд. л. 28,83. Изд. № 137. Заказ 233. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 24 No. 3 2022 3 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL BOARD EDITOR-IN-CHIEF: Anatoliy A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Rector, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation DEPUTIES EDITOR-IN-CHIEF: Vladimir V. Ivancivsky, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Vadim Y. Skeeba, Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Editor of the English translation: Elena A. Lozhkina, Ph.D. (Engineering), Department of Material Science in Mechanical Engineering, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation The journal is issued since 1999 Publication frequency – 4 numbers a year Data on the journal are published in «Ulrich's Periodical Directory» Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”) has been Indexed in Clarivate Analytics Services. We sincerely happy to announce that Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”), ISSN 1994-6309 / E-ISSN 2541-819X is selected for coverage in Clarivate Analytics (formerly Thomson Reuters) products and services started from July 10, 2017. Beginning with No. 1 (74) 2017, this publication will be indexed and abstracted in: Emerging Sources Citation Index. Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working & Material Science”) has entered into an electronic licensing relationship with EBSCO Publishing, the world's leading aggregator of full text journals, magazines and eBooks. The full text of JOURNAL can be found in the EBSCOhost™ databases. Novosibirsk State Technical University, Prospekt K. Marksa, 20, Novosibirsk, 630073, Russia Tel.: +7 (383) 346-17-75 http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 3 2022 4 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL COUNCIL CHAIRMAN: Nikolai V. Pustovoy, D.Sc. (Engineering), Professor, President, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation MEMBERS: The Federative Republic of Brazil: Alberto Moreira Jorge Junior, Dr.-Ing., Full Professor; Federal University of São Carlos, São Carlos The Federal Republic of Germany: Moniko Greif, Dr.-Ing., Professor, Hochschule RheinMain University of Applied Sciences, Russelsheim Florian Nürnberger, Dr.-Ing., Chief Engineer and Head of the Department “Technology of Materials”, Leibniz Universität Hannover, Garbsen; Thomas Hassel, Dr.-Ing., Head of Underwater Technology Center Hanover, Leibniz Universität Hannover, Garbsen The Spain: Andrey L. Chuvilin, Ph.D. (Physics and Mathematics), Ikerbasque Research Professor, Head of Electron Microscopy Laboratory “CIC nanoGUNE”, San Sebastian The Republic of Belarus: Fyodor I. Panteleenko, D.Sc. (Engineering), Professor, First Vice-Rector, Corresponding Member of National Academy of Sciences of Belarus, Belarusian National Technical University, Minsk The Ukraine: Sergiy V. Kovalevskyy, D.Sc. (Engineering), Professor, Vice Rector for Research and Academic Affairs, Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk The Russian Federation: Vladimir G. Atapin, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Victor P. Balkov, Deputy general director, Research and Development Tooling Institute “VNIIINSTRUMENT”, Moscow; Vladimir A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Vladimir G. Burov, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Aleksandr N. Gerasenko, Director, Scientifi c and Production company “Mashservispribor”, Novosibirsk; Sergey V. Kirsanov, D.Sc. (Engineering), Professor, National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk; Aleksandr N. Korotkov, D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University, Kemerovo; Evgeniy A. Kudryashov, D.Sc. (Engineering), Professor, Southwest State University, Kursk; Dmitry V. Lobanov, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary; Aleksey V. Makarov, D.Sc. (Engineering), Corresponding Member of RAS, Head of division, Head of laboratory (Laboratory of Mechanical Properties) M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Russian Academy of Sciences (Ural Branch), Yekaterinburg; Aleksandr G. Ovcharenko, D.Sc. (Engineering), Professor, Biysk Technological Institute, Biysk; Yuriy N. Saraev, D.Sc. (Engineering), Professor, Institute of Strength Physics and Materials Science, Russian Academy of Sciences (Siberian Branch), Tomsk; Alexander S. Yanyushkin, D.Sc. (Engineering), Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary
Vol. 24 No. 3 2022 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Permyakov G.L., Davlyatshin R.P., Belenkiy V.Y., Trushnikov D.N., Varushkin S.V., Pang S. Numerical analysis of the process of electron beam additive deposition with vertical feed of wire material...................... 6 Ilinykh A.S., Banul V.V., Vorontsov D.S. Theoretical analysis of passive rail grinding.................................. 22 Chinchanikar S. Modeling of sliding wear characteristics of Polytetrafl uoroethylene (PTFE) composite reinforced with carbon fi ber against SS304........................................................................................................ 40 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Abbasov V.A., Bashirov R.J. Features of ultrasound application in plasma-mechanical processing of parts made of hard-to-process materials...................................................................................................................... 53 MATERIAL SCIENCE Stolyarov V.V., Andreev V.A., Karelin R.D., Ugurchiev U.Kh., Cherkasov V.V., Komarov V.S., Yusupov V.S. Deformability of TiNiHf shape memory alloy under rolling with pulsed current....................... 66 Vorontsov A.V., Filippov A.V., Shamarin N.N., Moskvichev E.N., Novitskaya O.S., Knyazhev E.O., Denisova Yu.A., Leonov A.A., Denisov V.V. Microstructure and residual stresses of ZrN/CrN multilayer coatings formed by the plasma-assisted vacuum-arc method........................................................................... 76 Ivanov I.V., Safarova D.E., Bataeva Z.B., Bataev I.A. Comparison of approaches based on the WilliamsonHall method for analyzing the structure of an Al0.3CoCrFeNi high-entropy alloy after cold deformation....... 90 Kryukov D.B. Structural features and technology of light armor composite materials with mechanism of brittle cracks localization.......................................................................................................................... 103 EDITORIALMATERIALS 112 FOUNDERS MATERIALS 123 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 3 2022 6 ТЕХНОЛОГИЯ Численный анализ процесса электронно-лучевой аддитивной наплавки с вертикальной подачей проволочного материала Глеб Пермяков1, a, *, Роман Давлятшин1, b, Владимир Беленький1, c, Дмитрий Трушников1, d, Степан Варушкин1, e, Шеньон Панг2, f 1 Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Комсомольский проспект, 29, г. Пермь, 614990, Россия 2 Хуачжунский университет науки и технологии, район Хуншань, Луойу, 1037, г. Ухань, 430074, Китайская Народная республика a https://orcid.org/0000-0001-8158-3460, gleb.permyakov@yandex.ru, b https://orcid.org/0000-0002-7388-7699, romadavly@gmail.com, c https://orcid.org/0000-0001-7869-6632, vladimirbelenkij@yandex.ru, d https://orcid.org/0000-0001-7105-7934, trdimitr@yandex.ru, e https://orcid.org/0000-0002-9346-6445, stepan.varushkin@mail.ru, f https://orcid.org/0000-0002-5171-4148, spang@mail.hust.edu.cn ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 621.793.71 История статьи: Поступила: 19 апреля 2022 Рецензирование: 28 апреля 2022 Принята к печати: 18 июня 2022 Доступно онлайн: 15 сентября 2022 Ключевые слова: Электронный пучок Электронно-лучевая наплавка Аддитивные технологии Численный эксперимент Финансирование: Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Пермского края (соглашение С-26/508 от 09.03.2021 г.) и Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (государственное задание № FSNM2021-0011 и № FSNM-2020-0028). Благодарности: Исследования частично выполнены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов» (соглашение с Минобрнаукой № 13.ЦКП.21.0034). АННОТАЦИЯ Введение. В настоящее время во всем мире активно развиваются аддитивные технологии, которые находят все более широкое применение в промышленном производстве. Применение электронного пучка в аддитивных процессах направленного ввода энергии, так называемых Directed Energy Deposition (DED) технологиях, имеет ряд преимуществ, основными среди которых являются гибкость управления пространственно-энергетическими характеристиками теплового источника и наличие вакуумной защитной среды. Стандартной схемой осуществления аддитивной электронно-лучевой наплавки является оплавление электронным пучком проволочного присадочного материала, подаваемого сбоку в зону воздействия электронного пучка, однако такая схема аддитивной электронно-лучевой наплавки не обеспечивает равномерность теплового воздействия в наплавляемой области. Наиболее эффективным вариантом при электронно-лучевой наплавке является вертикальная подача проволоки, обеспечивающая наиболее стабильное формирование ванны жидкого металла и соответственно наплавленных валиков. При этом до настоящего времени отсутствуют результаты численного анализа этого процесса с целью определения основных его закономерностей. Цель работы: проведение численных экспериментов для качественного анализа и определения закономерностей формирования наплавляемых валиков и переноса присадочного материала, зависимости геометрических характеристик получаемых валиков от влияния сил давления паров, направления и величины азимутального угла действия источников тепла. Методами исследования являлась серия численных экспериментов, при которых анализировались варианты процесса электронно-лучевой наплавки при расположении вектора скорости наплавки в плоскости действия электронных пучков, и перпендикулярно этой плоскости для определения основных закономерностей формирования наплавляемых валиков и переноса присадочного материала, зависимости геометрических характеристик получаемых валиков от влияния сил давления паров, направления действия источников тепла и азимутального угла действия источников тепла. Результаты и обсуждение. Установлено, что геометрические характеристики наплавляемых валиков существенно зависят от взаимного расположения вектора скорости наплавки относительно плоскости действия электронных пучков, а учет силы давления паров оказывает значительное влияние на результаты численного моделирования формирования ванны расплава и протекающих в ней гидродинамических процессов. При этом при расположении вектора скорости наплавки перпендикулярно плоскости действия электронных пучков наблюдается более равномерная геометрия наплавляемых валиков металла, а увеличение азимутального угла действия источников тепла повышает вероятность выплесков на периферию наплавляемого валика, что связано с ограничением движения расплава в продольном направлении силами давления паров. Для цитирования: Численный анализ процесса электронно-лучевой аддитивной наплавки с вертикальной подачей проволочного материала / Г.Л. Пермяков, Р.П. Давлятшин, В.Я. Беленький, Д.Н. Трушников, С.В. Варушкин, П. Шеньон // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2022. – Т. 24, № 3. – С. 6–21. – DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.3-6-21. Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2022 Том 24 № 3 с. 6–21 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.3-6-21 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov ______ *Адрес для переписки Пермяков Глеб Львович, к.т.н., научный сотрудник, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Комсомольский пр., 29, 614990, г. Пермь, Россия Тел.: +7 (964) 18504-75, e-mail: gleb.permyakov@yandex.ru
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 3 2022 7 TECHNOLOGY Введение В настоящее время во всем мире активно развиваются аддитивные технологии, которые находят все более широкое применение в промышленном производстве. Общий рост рынка аддитивных технологий ежегодно составляет более 20 %. Аддитивное производство основывается на новой эффективной концепции цифрового производства, при которой имеет место тесная связь всех этапов конструирования и производства изделия, обеспеченная наличием цифрового прототипа изделия и применением принципов сквозного проектирования. В качестве материалов для печати металлом используют порошки или проволочный материал. Использование порошков позволяет получить конечное изделие со сложной геометрией и высоким качеством поверхности, однако внедрение этих технологий сдерживается высокой стоимостью порошковых материалов и низкой производительностью. Использование в качестве исходного материала проволоки позволяет достичь высокой производительности процесса и существенной экономии по сравнению с порошковыми технологиями в связи с использованием более дешевого проволочного материала. Применение электронного пучка в аддитивных процессах направленного ввода энергии, так называемых Directed Energy Deposition (DED) технологиях, имеет ряд преимуществ, основными среди которых являются гибкость управления пространственно-энергетическими характеристиками теплового источника и наличие вакуумной защитной среды [1–5]. Такие технологии начали активно применяться в промышленности с начала 2000-х годов для изготовления деталей реактивных двигателей, лопаток турбин и других изделий из конструкционных сталей и сплавов цветных металлов [5–10]. Сочетание этих технологий с последующей механической обработкой позволяет добиться высокой эффективности изготовления деталей по сравнению с традиционными технологиями. Стадии производства изделия предшествует предварительное моделирование с целью определения параметров технологии изготовления изделия для обеспечения требуемых эксплуатационных характеристик. При этом достоверность результатов моделирования в значительной мере зависит от качества и адекватности используемой модели процесса. Возможность моделирования технологического процесса представляет значительный интерес и является резервом для оптимизации технологических режимов изготовления деталей, разработки управляющих программ, минимизации дефектов и повышения качества изготовления сложных деталей. Одним из важных факторов процессов электронно-лучевых аддитивных технологий, использующих наплавку проволочного материала, является ориентация подачи проволоки. Стандартной схемой осуществления аддитивной электронно-лучевой наплавки является оплавление электронным пучком проволочного присадочного материала, подаваемого сбоку в зону воздействия электронного пучка. Такая схема аддитивной электронно-лучевой наплавки не обеспечивает равномерность теплового воздействия в наплавляемой области, так как электронный пучок не взаимодействует с частью наплавляемой поверхности в результате его экранировки присадочной проволокой. Разработан ряд моделей этого процесса, посвященных анализу процессов тепломассообмена при аддитивном формообразовании [11–14]. Наиболее эффективным вариантом при электронно-лучевой наплавке является вертикальная подача проволоки, обеспечивающая наиболее стабильное формирование ванны жидкого металла и соответственно наплавленных валиков. При этом для оплавления вертикально подаваемой проволоки целесообразно использовать две электронные пушки, симметрично оплавляющие присадочную проволоку. В работе [15] разработана математическая модель процесса оплавления вертикально оплавляемого проволочного материала двумя симметрично расположенными электронными пучками без учета сил давления паров, а также дополнительных параметров процесса, таких как расположение и угол действия источников тепла, который оказывает значительное влияние на результаты численного моделирования формирования ванны расплава и протекающих в ней гидродинамических процессов. В соответствии с этим целью данной работы служит проведение численных экспериментов для качественного анализа и определения ос-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 3 2022 8 ТЕХНОЛОГИЯ новных закономерностей формирования наплавляемых валиков, характера переноса присадочного материала и зависимостей геометрических характеристик получаемых валиков от влияния сил давления паров, относительного расположения вектора скорости наплавки и плоскости действия электронных пучков и величины азимутального угла действия источников тепла. Методика исследований При аддитивной электронно-лучевой наплавке двумя симметрично действующими электронными пучками в процессе движения подложки возможны различные варианты расположения плоскости, в которой действуют электронные пучки, относительно вектора скорости наплавки и величины азимутального угла действия источников тепла. В данной работе при численном моделировании использовалась ранее разработанная авторами математическая модель [15], в которой рассматривается взаимодействие твердого и жидкого металла. Для этого выделяются две фазы: Ωl – жидкая и Ωs – твердая, объединение которых представляет собой всю исследуемую область Ω. Твердая фаза, в свою очередь, состоит из проволоки Ωwire и подложки Ωsub. Движение металлического расплава можно описать как движение вязкой несжимаемой жидкости. В общем случае система уравнений будет состоять из дифференциальных уравнений, описывающих эволюцию плотности ρ, скоростей u и температуры T в форме балансовых законов (уравнения баланса массы, импульса и энергии соответственно): , , 1 ( ) , , 0, 0, , , , wire l v s s p rad d dt d p dt d d dt dt dT c s s dt u R u f f f g R u R q R (1) где u – скорость; ρ – плотность; fν – вязкие силы; fs – сила поверхностного натяжения; fv – сила давления паров; g – ускорение свободного падения; cp – удельная теплоемкость; q – тепловой поток; k – коэффициент теплопроводности; sυ – потери тепла на испарение; srad – потери тепла на излучение. Плотность ρ и давление P связаны с помощью уравнения состояния: 7 2 0 0 0 ( ) 1 , 7 c P (2) где c0 и ρ0 – скорость звука и плотность при нулевом приложенном напряжении. Для несжимаемых жидкостей вязкие силы примут следующий вид: 2 , v f u (3) где η – динамическая вязкость. Следуя континуальному подходу Брэкбилла и Коте [16], основанному на континуальной поверхностной силе (Continuous Surface Force, CSF), эффекты поверхностного натяжения рассматриваются как объемные силы в уравнении (1), распределенные по межфазному объему конечной ширины. Сила поверхностного натяжения складывается из нормальной и тангенциальной составляющей: (I ) , s f n nn (4) где α – коэффициент поверхностного натяжения; – кривизна поверхности; n – нормаль к поверхности; I – единичный тензор, ( ) d T dT . Зависимость коэффициента поверхностного натяжения от температуры выбрана линейной: 0 0 0 ( ) ( ), T T T (5) где α0 – коэффициент поверхностного натяжения при температуре T0. Эта зависимость и отражает эффект Марангони. Помимо стандартных капиллярных эффектов высокие температуры, характерные для процессов аддитивного производства, приводят к испарению металла, что ведет к образованию силы давления паров и потере тепла на испарение. Обычно для моделирования этих процессов используется феноменологическая модель [17, 18]:
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 3 2022 9 TECHNOLOGY ( ) , ( ) p T p T f n 1 1 exp , p T C C T T (6) где Tυ – температура кипения, постоянные 0 54 p a C , p и T C h R содержат атмосферное давление pa, молярную скрытую теплоту плавления hυ и молярную газовую постоянную R. Следуя той же феноменологической модели, что и для давления паров, потери тепла за счет испарения имеют вид ( ) , s m h h T 0, 82 ( ) , M s C m c p T T (7) ,0 ( ) . h T p T h T c dT где скорость энтальпии на единицу площади поверхности s получается из произведения потока массы пара на единицу площади поверхности m и суммы удельной энтальпии h(T) и скрытой теплоты испарения h на единицу массы. Th,0 – начальная температура удельной энтальпии, а константа (2 ) M C M R содержит молярную массу M и молярную газовую постоянную R; cs – так называемая константа прилипания, которая принимает значение, близкое к единице для металлов [19, 20]. Сила давления плазменной дуги учитывается следующим образом [21]: 2 2 2 0 0 2 ( , ) , ( , ) 2 exp 2 ( ) ( ) . pl pl pl I a p x y p x y k I x x y y R f n (8) Излучение моделируется уравнением Стефана–Больцмана: 4 rad B 0 ( ) , s T T (9) где σB – постоянная Больцмана; ε – излучательная способность материала; T0 – температура окружающей среды. Для решения данной математической модели использовался метод гидродинамики сглаженных частиц (Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH) и была проведена серия численных экспериментов по определению основных закономерностей формирования наплавляемых валиков и переноса присадочного материала, зависимости геометрических характеристик получаемых валиков от влияния сил давления паров, направления действия источников тепла и азимутального угла действия источников тепла. При этом анализировались варианты процесса электронно-лучевой наплавки при расположении вектора скорости наплавки в плоскости действия электронных пучков (рис. 1, а) и перпендикулярно этой плоскости (рис. 1, б). При расчетах использовались следующие геометрические характеристики моделируемой системы и предварительные параметры процесса (табл. 1). В качестве наплавляемого материала и материала подложки при моделировании рассматривалась аустенитная хромоникелевая сталь 04Х18Н10 (теплофизические характеристики представлены в табл. 2). Численная реализация осуществлялась на многопроцессорном компьютере IBM 2×300 sas 15k (4xIntel Xeon E7520, 64 Гб) с использованием возможностей многопотоковых вычислений MPI в пакете LAMMPS. Исследование влияния взаимного расположения вектора скорости наплавки относительно плоскости действия электронных пучков. На рис. 2 и 3 представлены результаты численного анализа процесса наплавки вертикально подаваемого проволочного материала, оплавляемого двумя симметрично действующими электронными пучками, без учета (рис. 2, а) и с учетом (рис. 2, б) сил давления паров металла. На рис. 2 представлен вариант, при котором вектор скорости наплавки лежит в плоскости действия электронных пучков, а на рис. 3 – вариант, при котором вектор скорости наплавки перпендикулярен плоскости действия электронных пучков.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 3 2022 10 ТЕХНОЛОГИЯ Т а б л и ц а 1 Ta b l e 1 Характеристики системы System characteristics Характеристики Characteristics Обозначение Designation Размерность Dimension Значение Value Размер подложки Substrate size Д × Ш × В L × B × H мм mm 20×10×3,5 Диаметр проволоки Wire diameter dп dw мм mm 1,2 Скорость подачи проволоки Wire feed speed Vпп Vwf мм/с mm/sec 30 Скорость движения подложки (скорость наплавки) Substrate motion speed (deposition speed) Vн Vs мм/с mm/sec 15 Диаметр источников тепла (электронных пучков) Diameter of heat sources (electron beams) D мм mm 1,5 Тепловая мощность каждого источника Thermal power of each source Q Вт W 350 Азимутальный угол действия источников тепла Azimuthal angle of the heat sources action α ° 45/15 Рис. 1. Варианты относительного расположения вектора скорости наплавки и плоскости действия электронных пучков: а – вектор скорости наплавки лежит в плоскости действия электронных пучков; б – вектор скорости наплавки перпендикулярен плоскости действия электронных пучков Fig. 1. Variants of the relative position of the deposition velocity vector and the action plane of the electron beams: a – the deposition velocity vector lies in the action plane of the electron beams; b – the deposition velocity vector is perpendicular to the action plane of the electron beams а б Полученные результаты свидетельствуют о том, что геометрические характеристики наплавляемых валиков существенно зависят от взаимного расположения вектора скорости наплавки относительно плоскости действия электронных пучков. Без учета сил давления паров в обоих случаях наблюдается формирование достаточно рав-
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1