Для восстановления изношенных или поврежденных металлических деталей используют метод лазерной порошковой наплавки. Мощный оптоволоконный лазер создает ванну расплава, куда в дальнейшем автоматически подается металлический порошок. Частой проблемой, которая встречается в этом процессе, является деформация ремонтируемой детали под действием внутренних напряжений. Это приводит к дефекту, называемому короблением. При разработке технологического процесса ремонта деталей методом лазерной порошковой наплавки одной из целей является прогнозирование дефектов коробления. Определение оптимального бездефектного режима наплавки для конкретных деталей экспериментальным путем является невыгодным из-за высоких финансовых и временных затрат, а зачастую и просто невозможным. Для решения этой проблемы научные сотрудники Пермского Политеха совместно с АО «ОДК-Авиадвигатель» разработали математическую модель расчета короблений при лазерной порошковой наплавке. С помощью численного моделирования ученые смогли с высокой точностью спрогнозировать поведение детали в процессе наплавки. В дальнейшем разработка поможет при выборе оптимального набора параметров при ремонте самых сложных по форме деталей.
Исследование опубликовано в журнале «Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника», 2022.
Основной идеей ученых Пермского Политеха стало создание инструмента, который позволит быстро и качественно моделировать процесс лазерной порошковой наплавки и минимизировать конечные коробления при ремонтных работах.
— Без проведения расчетов предсказать поведение изделий, особенно малогабаритных и тонкостенных, при высоких температурах очень сложно. Возникающие дефекты могут окончательно привести ремонтируемую деталь в негодность. Поэтому для предварительного прогнозирования параметров процесса мы предложили использовать численное моделирование. Такой метод позволит проводить расчеты перед проведением ремонтных технологических операций и оценить коробление. Наша разработка позволит прогнозировать поведение детали в процессе наплавки, что уменьшит брак при ремонте, — рассказал аспирант кафедры вычислительной математики, механики и биомеханики ПНИПУ Марат Бекмансуров.
Используя экспериментальные цилиндрические образцы, разработчики провели калибровку модели по результатам измерения температурного поля. Результаты помогли провести решение механической задачи с определением поля напряжений и деформаций, как в наплавляемом материале, так и в теле ремонтируемой детали. Моделирование короблений ученые провели путем разделения наплавляемой части на дорожки. Каждая дорожка делилась на более мелкие элементы с целью смоделировать процесс максимально приближенный к реальности.
Сравнение результатов моделирования с результатами реальной лазерной порошковой наплавки подтвердило правильность разработанной модели. Расчеты показали достаточную вычислительную точность при минимальных временных затратах, что позволит использовать модель в реальном производстве.