МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ ХРОМОНИКЕЛЕВОЙ СТАЛИ ПРИ ЛАЗЕРНОМ ИМПУЛЬСНОМ: 10.25712/ASTU.1811-1416.2022.02.013

Виталий Игоревич  Проскуряков; Игорь Владимирович  Родионов; Владимир Александрович  Кошуро; Ирина Владимировна  Перинская; Любовь Евгеньевна Куц

Авторы

Виталий Игоревич Проскуряков Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., ул. Политехническая, 77, 410054, Саратов, Россия https://orcid.org/0000-0001-6566-8536
Игорь Владимирович Родионов Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., ул. Политехническая, 77, 410054, Саратов, Россия https://orcid.org/0000-0003-0230-2128
Владимир Александрович Кошуро Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., ул. Политехническая, 77, 410054, Саратов, Россия https://orcid.org/0000-0003-0089-3331
Ирина Владимировна Перинская Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., ул. Политехническая, 77, 410054, Саратов, Россия https://orcid.org/0000-0003-3825-2062
Любовь Евгеньевна Куц Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., ул. Политехническая, 77, 410054, Саратов, Россия

Ключевые слова:

нержавеющая сталь, графитовая обмазка, лазерный импульс, нагрев поверхности, моделирование теплопроводности

Аннотация

В работе описаны результаты моделирования температурного воздействия единичного лазерного импульса на легирующую обмазку, нанесенную на нержавеющую хромоникелевую сталь 12Х18Н10Т. Целью моделирования являлось определение возможности нагрева поверхности нержавеющей стали в расширенном диапазоне энергии импульса (0,08-1,34 Дж) до температур интенсивных диффузионных процессов элементов легирующей обмазки. Поставленная цель решалась путем разработки геометрической и численной моделей. Моделирование проводилось в программном комплексе «Elcut 5.1», где решалась задача нестационарной теплопередачи для расчета переходного и установившегося температурного поля с учетом теплообмена элементов системы «окружающая среда-обмазка-образец». Проведенное моделирование позволило определить зависимости глубины, температуры и времени нагрева поверхностного слоя образцов от режимов импульсного излучения. Так, например, установлено, что при воздействии импульса лазерного излучения, сфокусированного в пятно диаметром 0,5 мм, при энергии импульса 0,92 Дж и длительности 0,5 мс, стальная основа нагреется на глубину 10 мкм до температуры 1600±50 °С. На глубине 100 мкм сталь нагревается до температуры 800-950 °С, что свойственно активному протеканию диффузионных процессов. Отметка глубиной 150 мкм характеризуется нагревом до 600-650 °С, что соответствует температуре высокого отпуска, при котором наблюдаются изменения кристаллической структуры. На основании полученных данных построены кривые, описывающие зависимость температуры стали на разной глубине, в разные моменты воздействия единичного лазерного импульса. Результаты моделирования подтверждены экспериментальными данными, а именно: установлена толщина модифицированных поверхностных слоев образцов, значение которой варьирует в зависимости от режимов лазерной обработки и составляет в среднем 100-200 мкм; определена микротвердость диффузионного слоя; проведены элементный и рентгенофазовый анализы. Установлено соответствие между результатами численного моделирования и полученными экспериментальными данными.