Моделирование температурного поля поверхности при электроискровом легировании металлов

Виктор Дмитриевич Власенко; Валерий Игоревич Иванов; Вячеслав Федорович Аулов; Леонид Алексеевич Коневцов; Елена Геннадьевна Мартынова; Исмаил Халил Хасан

Виктор Дмитриевич Власенко ФГБУН «Вычислительный центр Дальневосточного отделения Российской академии наук» https://orcid.org/0000-0001-7782-4532
Валерий Игоревич Иванов ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» https://orcid.org/0000-0002-4568-8553
Вячеслав Федорович Аулов ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» https://orcid.org/0000-0001-6925-1260
Леонид Алексеевич Коневцов ФГБУН «Институт материаловедения Хабаровского научного центра Дальневосточного отделения Российской академии наук» https://orcid.org/0000-0002-7212-3953
Елена Геннадьевна Мартынова ФГБОУ ВО «МГУ им. Н. П. Огарёва» https://orcid.org/0000-0002-6870-0498
Исмаил Халил Хасан ФГБОУ ВО «МГУ им. Н. П. Огарёва» https://orcid.org/0000-0002-4560-1016

Ключевые слова: электроискровое легирование, анод, катод, температурное поле, легирование металлов, моделирование температурного поля

Аннотация

Введение. Одним из современных методов получения покрытий на поверхностях деталей является метод электроискрового легирования, при котором важную роль играет выбор теплофизических свойств материалов для получения покрытий с заданными физико-механическими и триботехническими свойствами. С целью выбора материала электрода в статье изложены результаты разработки метода расчета нестационарного температурного поля обрабатываемого материала (катода) в виде прямоугольного параллелепипеда, на одной грани которого в процессе электроискрового легирования формируется легированный слой.
Материалы и методы. Для формирования легированного слоя при каплевидном электромассопереносе в качестве обрабатываемого материала (катода) использовалось железо в форме параллелепипеда, а в качестве обрабатывающего материала (анода) – вольфрам. Предложена нелинейная начально-краевая задача и вычислительная схема для определения значений температуры во всех точках температурного поля катода в форме параллелепипеда с расположением нескольких теплоизлучающих капель на его грани.
Результаты исследования. Построен алгоритм, проведены расчеты для определения значений температуры во всех точках и температурного потока в катоде в случае одной среднестатистической капли на его грани. По данному алгоритму создан пакет программ, проведены экспериментальные расчеты. Показана динамика значений температуры (во всех точках) и теплового потока исследуемых точек катода.
Обсуждение и заключение. Представленная математическая модель получена для нанесения одной капли, помещенной на границу теплопроводящего полупространства. При выборе анодного материала в зависимости от эрозионной стойкости для получения необходимой толщины поверхностных слоев с заданными функциональными свойствами используется разработанный метод расчета, который позволяет описать процесс остывания одной нанесенной капли и использовать затем полученную информацию для усредненного описания эффекта нагрева тела параллелепипеда рядом таких капель.

Биографии авторов

Виктор Дмитриевич Власенко, ФГБУН «Вычислительный центр Дальневосточного отделения Российской академии наук»

ученый секретарь, ФГБУН «Вычислительный центр Дальневосточного отделения Российской академии наук» (680000, Россия, г. Хабаровск, ул. Ким Ю Чена, д. 65), кандидат физико-математических наук, ResearcherID: E-2432-2019

Валерий Игоревич Иванов, ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ»

заведующий, лаборатория электроискровых и термодиффузионных процессов, ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» (109428, Россия, г. Москва, 1-й Институтский проезд, д. 5), кандидат технических наук, ResearcherID: H-4076-2018

Вячеслав Федорович Аулов, ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ»

ведущий научный сотрудник, лаборатория электроискровых и термодиффузионных процессов, ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» (109428, Россия, г. Москва, 1-й Институтский проезд, д. 5), кандидат технических наук, ResearcherID: E-4179-2019

Леонид Алексеевич Коневцов, ФГБУН «Институт материаловедения Хабаровского научного центра Дальневосточного отделения Российской академии наук»

научный сотрудник, ФГБУН «Институт материаловедения Хабаровского научного центра Дальневосточного отделения Российской академии наук» (680042, Россия, г. Хабаровск, ул. Тихоокеанская, д. 153), кандидат технических наук, ResearcherID: H-4087-2018

Елена Геннадьевна Мартынова, ФГБОУ ВО «МГУ им. Н. П. Огарёва»

аспирант, кафедра технического сервиса машин, ФГБОУ ВО «МГУ им. Н. П. Огарёва» (430005, Россия, г. Саранск, ул. Большевистская, д. 68/1), ResearcherID: С-5023-2019

Исмаил Халил Хасан, ФГБОУ ВО «МГУ им. Н. П. Огарёва»

аспирант, кафедра физики твердого тела, ФГБОУ ВО «МГУ им. Н. П. Огарёва» (430005, Россия, г. Саранск, ул. Большевистская, д. 68/1), ResearcherID: С-5025-2019

Литература

1. Electrospark alloying of titanium and its alloys: the physical, technological, and practical aspects. Part I. The peculiarities of the mass transfer and the structural and phase transformations in the surface layers and their wear and heat resistance / V. V. Mikhailov [et al.] // Surface Engineering and Applied Electrochemistry. 2013. Vol. 49, issue 5. P. 373–395.

2. Власенко В. Д., Мулин Ю. И. Формирование износо- и жаростойких покрытий на поверхностях титановых сплавов методом электроискрового легирования // Физика и химия обработки материалов. 2015. № 1. С. 79–84.

3. The formation of protective coatings on tungsten-containing hard alloys by electrospark alloying with metals and borides / A. D. Verkhoturov [et al.] // Inorganic Materials: Applied Research. 2011. Vol. 2, issue 2. P. 180–185.

4. Contribution of electrospark alloying to the oxidation resistance of hard tungsten alloys / A. D. Verkhoturov [et al.] // Powder Metallurgy and Metal Ceramics. 2008. Vol. 47, no. 1-2. P. 112–115.

5. Microstructure and cavitation erosion characteristics of Al–Si alloy coating prepared by electrospark deposition / W. Wang [et al.] // Surface and Coatings Technology. 2008. Vol. 202, issue 21. P. 5116–5121.

6. Исследование жаростойких свойств покрытий после электроискрового легирования стали 45 хромоникелевыми сплавами / A. В. Козырь [и др.] // Письма о материалах. 2018. Т. 8, № 2. С. 140–145.

7. Sun P.-F., Zhang L.-Q., Lin J.-P. Corrosion behaviour of Ti-45Al-8Nb coating on 304 stainless steel by electrospark deposition in molten zinc // Transactions of materials and heat treatment. 2014. Vol. 35, issue 2. Р. 151–156.

8. Fabrication of stainless steel microstructure surface by electro-spark deposition / W. Wang [et al.] // Surface technology. 2017. Vol. 46, issue 5. P. 159–164.

9. Ivanov V. I., Verkhoturov A. D., Konevtsov L. A. The development of criteria for evaluating the effectiveness of the surface layer formation and its properties in the process of electrospark alloying. Part I. The state of the issue. Kinetic and functional criteria of the efficiency of a doped layer’s formation // Surface Engineering and Applied Electrochemistry. 2017. Vol. 53, issue 3. P. 218–223.

10. Ivanov V. I., Verkhoturov A. D., Konevtsov L. A. The development of criteria for evaluating the effectiveness of the surface layer formation and its properties in the process of electrospark alloying (ESA). Part 2. The criteria of the effectiveness of the ESA process and electrospark coatings // Surface Engineering and Applied Electrochemistry. 2017. Vol. 53, issue 3. P. 224–228.

11. Electrophysical model of the erosion of electrodes under the energy pulse effect / P. S. Gordienko [et al.] // Surface Engineering and Applied Electrochemistry. 2011. Vol. 47, issue 3. P. 206–216.

12. On the problem of creating a new scientific school in the field of electric erosion machining: Electrode material science / A. D. Verkhoturov [et al.] // Surface Engineering and Applied Electrochemistry. 2010. Vol. 46, issue 5. P. 523–533.

13. Влияние природы электродных материалов на эрозию и свойства легированного слоя. Критерии оценки эффективности электроискрового легирования / А. Д. Верхотуров [и др.] // Вестник Мордовского университета. 2018. Т. 28, № 3. С. 302–320.

14. Смагин С. И., Власенко В. Д., Мулин Ю. И. Моделирование параметров процесса электроискрового легирования для образования функциональных поверхностей // Вычислительные технологии. 2009. Т. 14, № 3. С. 79–85.

15. Верхотуров А. Д., Иванов В. И., Коневцов Л. А. Критерии оценки эффективности процесса электроискрового легирования // Труды ГОСНИТИ. 2011. Т. 107, № 2. С. 131–137.

16. Xie Y.-J., Wang M.-C. Epitaxial MCrAlY coating on a Ni-base superalloy produced by electrospark deposition // Surface and Coatings Technology. 2006. Vol. 201, no. 6. P. 3564−3570.

17. Electro-spark alloying using graphite electrode on titanium alloy surface for biomedical applications / T. Chang-bin [et al.] // Applied Surface Science. 2011. Vol. 257, no. 15. P. 6364–6371.

18. Single-spark analysis of electro-discharge deposition process / B. Muralidharan [et al.] // Materials and Manufacturing Processes. 2016. Vol. 31, issue 14. P. 1853–1864.

19. Beck J. V. Transient temperatures in a semi-infinite cylinder heated by a disk heat source // International Journal of Heat and Mass Transfer. 1981. Vol. 24, issue 10. P. 1631–1640.

20. Верхотуров А. Д., Козырь А. В., Коневцов Л. А. Научные основы разработки и получение слоистых материалов на поверхности твердых сплавов : монография. Владивосток : Дальнаука. 2016. 475 с.

21. Vlasenko V. D., Kolisova M. V. Modeling of the temperature field on the cathode's surface during electrophysical impact // Contemporary Engineering Sciences. 2016. Vol. 9, no 6. P. 249–256.