Нестационарная задача теплопроводности в технологии газотермического напыления защитных покрытий

Цели. Газотермическое напыление и порошковая лазерная наплавка – перспективные технологии, широко применяемые в различных отраслях промышленности, включая аэрокосмическую, энергетическую и машиностроительную отрасли. Одним из ключевых аспектов данных технологий является управление тепловыми процессами, возникающими при нанесении покрытий, т.к. они напрямую влияют на качество и долговечность получаемых материалов и изделий. В данной статье рассматривается нестационарная задача теплопереноса при однопроходном напылении на полупространство. Целью работы является моделирование распределения температуры в материальном полупространстве, на границе которого действует движущийся источник тепла.

Методы. Теоретическое исследование распределения температуры на поверхности и в толще обрабатываемого материала в процессе движения головки распылителя осуществлялось путем решения уравнения нестационарной теплопроводности в декартовых координатах. Особенностью уравнения является специальный вид функции плотности мощности источника тепла в виде тепловой полосы, моделирующей процесс теплопередачи от дорожки напыления в материальное полупространство основы детали.

Результаты. В результате исследования полученного решения, представляющего эволюцию во времени температуры в различных точках среды, установлено, что через некоторое время после прохождения импульса нагревания температура внутри среды довольно быстро достигает максимального значения, а затем она относительно медленно релаксирует к равновесной температуре окружающей среды. По мере углубления в толщу среды тепловой импульс расплывается, уменьшается его амплитуда и увеличивается ширина, а время достижения максимума монотонно увеличивается. Поперечное распределение температуры имеет вид симметричных пиков, менее выраженных в глубине.

Выводы. Полученное решение может быть полезным при описании общего температурного поля на некотором удалении от области действия головки распылителя, где конкретные детали нагрева не проявляются. В частности, в работе показано, что в окрестности действия первичной области напыления возникают значительные градиенты температур, которые вызывают заметные нестационарные температурные напряжения. 

1. Davis J.R. Handbook of Thermal Spray Technology. ASM International; 2004. 338 p.

2. Газотермическое напыление; под общ. ред. Л.Х. Балдаева. М.: Маркет ДС; 2007. 344 с. [Gazotermicheskoe napylenie (Gas Thermal Spraying). Baldaev L.H. (Ed.). Moscow: Market DS; 2007. 344 p. (in Russ.).]

3. Ghasempour-Mouziraji M., Lagarinhos J., Afonso D., de Sousa R.A. A review study on metal powder materials and processing parameters in Laser Metal Deposition. Opt. Laser Technol. 2024;170:110226. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2023.110226

4. Cheng J., Xing Y., Dong E., Zhao L., Liu H., Chang T., Chen M., Wang J., Lu J., Wan J. An Overview of Laser Metal Deposition for Cladding: Defect Formation Mechanisms, Defect Suppression Methods and Performance Improvements of Laser-Cladded Layers. Materials. 2022;15(16):5522. https://doi.org/10.3390/ma15165522

5. Chen H.F., Zhang C., Liu Y.C., Song P., Li W.-X., Yang G., Liu B. Recent progress in thermal/environmental barrier coatings and their corrosion resistance. Rare Met. 2020;39(5):498–512. https://doi.org/10.1007/s12598-019-01307-1

6. Hardwicke C.U., Lau Y.C. Advances in Thermal Spray Coatings for Gas Turbines and Energy Generation: A Review. J. Therm. Spray Technol. 2013;22(5):564–576. https://doi.org/10.1007/s11666-013-9904-0

7. Bernhard R., Neef P., Wiche H., Wesling V., Hoff C., Hermsdorf J., Kaierle S. Laser Cladding – Additive Manufacturing. In: Cavaliere P. (Ed.) Laser Cladding of Metals. Springer, Cham; 2021. P. 1–8. https://doi.org/10.1007/978-3-030-53195-9_1

8. Lim W.Y.S., Cao J., Suwardi A., Meng T.L., Tan C.K.I., Liu H. Recent advances in laser-cladding of metal alloys for protective coating and additive manufacturing. J. Adhes. Sci. Technol. 2022;36(23–24):2482–2504. https://doi.org/10.1080/01694243.2022.2085499

9. Журавский А.В. Математическое моделирование теплообмена при газофазном осаждении. Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2017;11(692):10–17. https://doi.org/10.18698/0536-1044-2017-11-10-17 [Zhuravskiy A.V. Mathematical Modeling of Heat Transfer During Chemical Vapor Deposition. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Mashinostroenie = BMSTU Journal of Mechanical Engineering. 2017;11(692):10–17 (in Russ.). https://doi.org/10.18698/0536-1044-2017-11-10-17 ]

10. Ravichandran K.S., An K., Dutton R.E., Semiatin S.L. Thermal conductivity of plasma-sprayed monolithic and multilayer coatings of alumina and yttria-stabilized zirconia. J. Am. Ceram. Soc. 2004;82(3):673–682. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1999.tb01816.x

11. Ma K., Cheng Y., Jeyaprakash N., Zhou J., Wan Y., Yang W. Temperature gradient and solidification rate simulation model of the microstructure of laser-cladded 27SiMn. Metals. 2023;13(10):1682. https://doi.org/10.3390/met13101682

12. Moritz S., Schwanekamp T., Reuber M., Lentz J., Boes J., Weber S. Impact of insitu heat treatment effects during laserbased powder bed fusion of 1.3343 high-speed steel with preheating temperatures up to 700°C. Steel Research Int. 2023;94(6):2200775. https://doi.org/10.1002/srin.202200775

13. Yamashita Y., Ilman K.A., Kunimine T., Sato Y. Temperature evaluation of cladding beads and the surrounding area during the laser metal deposition process. J. Manuf. Mater. Process. 2023;7(6):192. https://doi.org/10.3390/jmmp7060192

14. Chen C., Sun G., Ren B., Wang H., Zhang Y., Zhao X. A novel heterogeneous particle addition method based on laser cladding hybrid wire arc additive manufacturing: improvement performance of stainless steel components. Virtual Phys. Prototyp. 2024;19(1):e2397815 https://doi.org/10.1080/17452759.2024.2397815

15. Li C., Han X., Zhang D., Gao X., Jia T. Quantitative analysis and experimental study of the influence of process parameters on the evolution of laser cladding. J. Adhes. Sci. Technol. 2021;36(17):1894–1920. https://doi.org/10.1080/01694243.2021.1991142

16. Li C., Jia T., Han X., Jiang X. Study on parameter optimization of laser cladding Fe60 based on GA-BP neural network. J. Adhes. Sci. Technol. 2022;37(18):2556–2586. https://doi.org/10.1080/01694243.2022.2159298

17. Huang H., Wu M., Luo S., Chen Z. Optimization of process parameters in laser cladding multi channel forming using MVBM-NSGA-II method. Mater. Manuf. Processes. 2024;39(15):2226–2235. https://doi.org/10.1080/10426914.2024.2395002

18. Hu Z., Li C., Tian D., Li X., Wang J., Xu Z., Sun X. Numerical simulation analysis of temperature distribution of NbC-reinforced Ti-based composite coating by laser cladding. Metals. 2023;13(8):1348. https://doi.org/10.3390/met13081348

19. Deng C., Zhu Y., Chen W. Numerical Investigation of the Effects of Process Parameters on Temperature Distribution and Cladding-Layer Height in Laser Cladding. Coatings. 2024;14(8):1020. https://doi.org/10.3390/coatings14081020

20. Jiang Y., Cheng Y., Zhang X., Yang J., Yang X., Cheng Z. Simulation and experimental investigations on the effect of Marangoni convection on thermal field during laser cladding process. Optik. 2020;203:164044. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2019.164044

21. Sun Z., Guo W., Li L. Numerical modelling of heat transfer, mass transport and microstructure formation in a high deposition rate laser directed energy deposition process. Addit. Manuf. 2020;33:101175. https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101175

22. Wang C., Zhou J., Zhang T., Meng X., Li P., Huang S. Numerical simulation and solidification characteristics for laser cladding of Inconel 718. Opt. Laser Technol. 2022;149:107843. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2021.107843

23. Chai Q., Zhang H., Fang C., Qiu X., Xing Y. Numerical and experimental investigation into temperature field and profile of Stellite6 formed by ultrasonic vibration-assisted laser cladding. J. Manuf. Process. 2023;85:80–89. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2022.11.035

24. de La Batut B., Fergani O., Brotan V., Bambach M., Mansouri M.E. Analytical and numerical temperature prediction in direct metal deposition of Ti6Al4V. J. Manuf. Mater. Process. 2017;1(1):3. https://doi.org/10.3390/jmmp1010003

25. Gao Y., Jiang S., Tong Y., Bai S., Lu P. Temperature field simulation and experimental confirmation of laser cladding high-entropy alloy coating on Cr12MoV. Processes. 2024;12(2):257. https://doi.org/10.3390/pr12020257