4-7 Jule 2011, Barnaul
XXII Conference on Numerical Methods for Solving Problems in the Theory of Elasticity and Plasticity

Цивинская Ю.С.   Цивинский М.Ю.   Попов В.Н.  

Численный анализ конвективного массопереноса при модификации поверхности металла импульсом лазера

Reporter: Попов В.Н.

С использованием численного моделирования исследуется распределение легирующего материала, проникающего в металлическую подложку с ее поверхности в течение лазерного импульса. Под воздействием лазерной энергии происходит разогрев металла и его плавление. Плотность интенсивности импульса описывается распределением Гаусса. В образовавшейся и увеличивающейся со временем жидкой лунке развивается термокапиллярная и термогравитационная конвекция. Для расплава используются условия прилипания на фронте кристаллизации, и предполагается, что при исследуемых режимах нагрева небольшие величины конвективных скоростей обуславливают плоскую форму свободной поверхности жидкости. В начальный момент поверхность подложки покрыта слоем легирующего материала, являющимся поверхностно-активным веществом (ПАВ), который, вступая в контакт с расплавом, за счет формирующихся течений проникает в глубину проплавленного металла. После завершения импульса жидкость остывает и затвердевает. В качестве объекта исследований используется сплав железа с углеродом (0.42 % по массе), в качестве легирующего материала – сера. Эта система выбрана ввиду наличия в литературе параметров, необходимых для численной реализации модели.
Математическая модель процесса описывается нестационарными уравнениями теплопереноса и Навье-Стокса в приближении Буссинеска, дополненными уравнением конвективной диффузии примеси в цилиндрической системе координат. Наличие в расплаве примеси ПАВ обуславливает, что температурный градиент поверхностного натяжения может быть не только меньше, но и больше нуля. Численная реализация модели проводилась с использованием конечно-разностного алгоритма. Разностные уравнения строились посредством аппроксимации балансных соотношений, получаемых интегрированием основных уравнений с использованием соответствующих граничных условий.
По результатам расчетов определено, что присутствие в расплаве ПАВ к моменту прекращения импульса способствует образованию в нем нескольких тороидальных вихрей. Такая структура течения способствует переносу тепла вглубь расплава к границе фазового перехода, существенно влияя на ее форму. Наличие вихрей приводит к тому, что легирующая добавка переносится вглубь расплава и распределяется во всем объеме лунки.
Из результатов исследований можно сделать вывод, что поверхностно-активные вещества, являясь компонентами расплава, существенно влияют на процессы легирования, формируя многовихревую структуру течений, способствующую более однородному распределению легирующей добавки в расплаве. Можно предположить, что в ряде случаев, сформировав на поверхности металла композицию ПАВ с нейтральными добавками, можно повысить эффект легирования.

Работа выполнена в рамках проектов РФФИ № 10-01-00575-a и интеграционного проекта СО с УрО, ДВО РАН № 26.
 

Abstracts file: TsivinskayaTsivinskiyPopov.doc


To reports list