Анотація до роботи:

Бушма О.І. Моделювання процесів взаємодії лазерного випромінювання з дисперсними матеріалами при лазерному та гібридному лазерно-плазмовому нанесенні покриттів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.07 – Процеси фізико-технічної обробки. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», Київ, 2008 р.

Дисертація присвячена дослідженню процесів лазерного та гібридного лазерно-плазмового нанесення покриттів, розробці фізико-математичних моделей лазерного і комбінованого нагрівання частинок дисперсних матеріалів та визначенню на цій основі нових способів управління тепловими характеристиками частинок, що напилюються. Розвинуто теорію взаємодії лазерного випромінювання з дрібнодисперсними частинками. На основі розв’язання задачі дифракції електромагнітної хвилі на неоднорідно нагрітій сферичній частинці отримані формули для розрахунку характеристик поглинання та розсіювання лазерного випромінювання частинками, що напилюються. Запропоновано математичну модель лазерного та лазерно-плазмового нагрівання частинок дисперсних матеріалів і показано, що лазерне нагрівання керамічних частинок характеризується істотною неоднорідністю температурного поля та оптичних властивостей матеріалу частинки. Доведено можливість управління температурним полем частинок, що напилюються, за рахунок відповідної комбінації лазерного та плазмового нагрівання. Розроблено математичну модель процесів руху та нагрівання окремих частинок в умовах лазерного, плазмового і гібридного напилювання керамічних покриттів. Цю модель було узагальнено на випадок урахування розсіювання та поглинання лазерного пучка всією сукупністю частинок, що напилюються. Запропоновано конструкцію та створено дослідний зразок інтегрованого лазерно-дугового плазмотрона непрямої дії, призначеного для нанесення покриттів. Доведена перспективність його використання для напилювання різноманітних керамічних та металевих матеріалів, а також для нанесення алмазних та алмазоподібних покриттів.

Дисертаційна робота присвячена виявленню закономірностей процесів взаємодії лазерного випромінювання з дисперсними матеріалами в умовах лазерного напилювання, розробці нового способу нанесення покриттів (гібридного лазерно-плазмового напилювання) і пристрою для його практичної реалізації. Основні результати і висновки роботи полягають у наступному:

1. За умов дії лазерного випромінювання на частинку дисперсного матеріалу, розмір якої сумірний з довжиною хвилі випромінювання, має місце істотна неоднорідність просторового розподілу електромагнітної енергії, що поглинається частинкою. У випадку металевих частинок ця енергія дисипується в межах приповерхневого шару товщиною менше за 0,1 мкм (джерело тепла поверхневе), тоді як у випадку керамічних частинок вона розподілена по всьому об’єму частинки (розподілене джерело тепла).

2. Ступінь поглинання лазерного випромінювання дрібнодисперсними керамічними частинками Al₂O₃ і SiО₂, а отже і ефективність їх лазерного нагрівання при використанні СО₂-лазерів, у десятки (Al₂O₃) і сотні (SiО₂) тисяч разів вища, ніж у випадку Nd:YAG-лазерів. Таким чином, як джерело випромінювання для практичної реалізації технологічних процесів лазерного напилювання покриттів із вказаних матеріалів найдоцільніше використовувати СО₂-лазери.

3. Просторовий розподіл потужності лазерного випромінювання, що поглинається дрібнодисперсними частинками, призводить до істотної неоднорідності температурних полів і оптичних властивостей таких частинок. Наслідком відзначених особливостей у випадку лазерного напилювання частинок SiО₂ з використанням випромінювання СО₂-лазера є рух фронту плавлення в частинках, що напилюються, від центра до поверхні, а також можливість їх теплового вибуху (при інтенсивності падаючого на частинку випромінювання понад 510⁹ Вт/м²), чого не відбувається при плазмовому та інших способах газотермічного напилювання, коли тепло вводиться через поверхню частинки.

4. Комбінуючи певним чином лазерний (об’ємний) і плазмовий (поверхневий) способи нагрівання дрібнодисперсних керамічних частинок, можна ефективно керувати розподілом температури в частинці, досягаючи при цьому рівномірного нагрівання і повного проплавлення частинок з матеріалів, що мають низьку теплопровідність, як, наприклад, SiО₂. Подібна комбінація може бути реалізована за допомогою нового технологічного процесу – гібридного лазерно-плазмового напилювання покриттів, що полягає в одночасній дії на напилюваний матеріал плазмовим струменем і лазерним пучком.

5. Ефекти поглинання і розсіювання лазерного випромінювання напилюваним матеріалом суттєво впливають на характеристики пучка в процесі лазерного напилювання покриттів, причому ступінь такого впливу визначається витратою порошку й умовами його введення в зону обробки. В результаті, адекватне моделювання кінетики лазерного нагрівання окремої частинки, що напилюється, неможливе без врахування взаємодії лазерного пучка з усією сукупністю напилюваних частинок.

6. Для практичної реалізації процесів нанесення покриттів з використанням лазерного випромінювання запропонована конструкція і створений дослідний зразок інтегрованого лазерно-дугового плазмотрона непрямої дії. Експериментальні дослідження технологічних можливостей розробленого плазмотрона свідчать про високу ефективність його застосування для гібридного лазерно-плазмового напилювання: пористість покриттів з порошку ПГ-10Н-01 вдалося знизити більше як у три рази порівняно з напилюванням плазмою та приблизно вдвічі скоротити час одержання якісних покриттів з порошку ИЧХ28Н2 за рахунок поєднання процесів плазмового напилювання і лазерного оплавлення напилюваного шару.

7. Використання комбінованого лазерно-дугового розряду, створюваного за допомогою інтегрованого плазмотрона непрямої дії, дозволяє реалізувати технологічні процеси нанесення алмазних і алмазоподібних покриттів в атмосферних умовах, що забезпечують твердість таких покриттів до 19 ГПа при швидкості зростання 2...15 мкм/год.

Публікації автора:

1. Бушма А.И., Кривцун И.В. Особенности нагрева мелкодисперсных керамических частиц лазерным излучением // Физика и химия обработки материалов. – 1992. – № 2. – С. 40-48.

Здобувачем розроблені обчислювальні алгоритми та програмне забезпечення для розрахунку просторового розподілу потужності лазерного випромінювання, що поглинається частинкою, і температури в її об’ємі. Проведено чисельне дослідження вказаних характеристик і виконано аналіз отриманих результатів.

2. Бушма А.И., Зельниченко А.Т., Кривцун И.В. Сравнительный анализ лазерного, плазменного и комбинированного способов нагрева мелкодисперсных керамических частиц // Автоматическая сварка. – 2004. № 5. – С. 14-17.

Запропоновано єдиний підхід для математичного опису процесів плазмового, лазерного і комбінованого (лазерно-плазмового) нагрівання дрібнодисперсних керамічних частинок. Проведено порівняльний аналіз температурних полів у таких частинках.

3. Борисов Ю.С., Бушма А.И., Кривцун И.В. Моделирование движения и нагрева частиц порошка при лазерном, плазменном и гибридном напылении // Доповіді Національної академії наук України. – 2005. – № 1. – С. 86-94.

Розроблено математичні моделі та програмне забезпечення для комп’ютерного моделювання процесів руху і нагрівання дрібнодисперсних керамічних частинок при лазерному, плазмовому і гібридному (лазерно-плазмовому) напилюванні. Проведено чисельне дослідження теплових і динамічних характеристик частинок, що напилюються.

4. Бушма А.И., Васенин Ю.Л., Кривцун И.В. Моделирование процесса лазерного напыления керамических покрытий с учетом рассеяния лазерного пучка напыляемыми частицами // Автоматическая сварка. – 2005. – № 12. – С. 12-17.

Запропоновано підхід для розрахунку просторового розподілу інтенсивності випромінювання в лазерному пучку з урахуванням його розсіяння та поглинання сукупністю частинок, що напилюються. Розроблено математичні моделі та програмне забезпечення для комп’ютерного моделювання процесів руху і нагрівання окремої (пробної) частинки із вказаної сукупності.

5. Borisov Yu., Bushma A., Krivtsun I. Modelling of motion and heating of powder particles in laser, plasma and hybrid spraying // Journal of Thermal Spray Technology. – 2006. – 15(4). – P. 553-558.

Розроблено математичні моделі та програмне забезпечення для комп’ютерного моделювання процесів руху і нагрівання дрібнодисперсних керамічних частинок при лазерному, плазмовому і гібридному (лазерно-плазмовому) напилюванні. Проведено чисельне дослідження теплових та динамічних характеристик частинок, що напилюються, і виконано аналіз отриманих результатів.

6. Исследование нагрева и движения частиц в потоке Ar-He плазмы при различных давлениях / Ю.С. Борисов, А.И. Бушма, И.В. Кривцун и др. // Тезисы докладов XII научно-технической конференции «Теория и практика газотермического нанесения покрытий», Россия, Дмитров, 1992. – Т. 1. – С. 7-10.

Розроблені обчислювальні алгоритми та програмне забезпечення для розрахунку просторово-часового розподілу температури в дрібнодисперній частинці, що рухається у плазмовому потоку. Проведено чисельне моделювання плазмового нагрівання такої частинки.

7. Bushma A.I., Krivtsun I.V. Modelling of laser heating of the fine ceramic particles // Proceedings of the IV Europ. Conf. on Laser Treatment of Materials, Germany, Gttingen, 1992. – P. 719-723.

Розроблено програмне забезпечення для розрахунку просторового розподілу потужності лазерного випромінювання, що поглинається дрібнодисперсною керамічною частинкою, і температури в її об’ємі. Проведено чисельний аналіз цих характеристик.

8. Bushma A.I., Krivtsun I.V. Peculiarities of absorption and scattering of different wavelength laser radiation by fine spherical particles // Proceedings of Int. Conf. on Laser Technologies in Welding and Materials Processing, Ukraine, Crimea, Katsiveli, 2003. – P. 103-107.

Розроблено обчислювальні алгоритми і програмне забезпечення для розрахунку розподілених і інтегральних характеристик поглинання та розсіювання дрібнодисперсними керамічними і металевими частинками лазерного випромінювання з різною довжиною хвилі. Проведено чисельний аналіз зазначених характеристик.

9. Бушма А.И., Кривцун И.В. Особенности нагрева мелкодисперсных сферических частиц излучением СО₂- и Nd:YAG-лазеров // Материалы IV международной научно-технической конференции «Лазерные технологии и средства их реализации», Россия, Санкт-Петербург, 2004. – С. 93-100.

Розроблено обчислювальні алгоритми та програмне забезпечення для розрахунку температурних полів у дрібнодисперсних частинках, що нагріваються випромінюванням СО₂- і Nd:YAG-лазерів. Проведено порівняльний чисельний аналіз температурних полів у керамічних і металевих частинках.

10. Bushma A.I., Krivtsun I.V. Modeling laser, plasma and combined heating fine-dispersed ceramic particles // Proceedings of the III Int. Conf. on Computational Modelling and Simulation of Materials, Part B, Italy, Sicily, Acireale, 2004. – P. 409-416.

Запропоновано єдиний підхід для чисельного дослідження процесів плазмового, лазерного і комбінованого нагрівання дрібнодисперсних керамічних частинок. Проведено аналіз температурних полів у таких частинках.

11. Бушма А.И., Васенин Ю.Л., Кривцун И.В. Моделирование движения и нагрева керамических частиц при лазерном напылении покрытий // Тезисы докладов II международной конференции «Математическое моделирование и информационные технологии в сварке и родственных процессах», Украина, Крым, Кацивели, 2004. – С. 22-23.

Розроблено математичні моделі та програмне забезпечення для комп’ютерного моделювання процесів руху і нагрівання частинок дрібнодисперсних керамічних матеріалів в умовах лазерного напилювання.

12. Integrated laser-arc plasmatron for laser-plasma spraying and CVD processes / Yu. Borisov, A. Bushma, A. Fomakin, et al. // Proceedings of the 2^nd International Conference on “Laser Technologies in Welding and Materials Processing”, Ukraine, Crimea, Katsiveli, 2005. – P. 57-59.

Запропоновано схему інтегрованого лазерно-дугового плазмотрона непрямої дії для гібридного (лазерно-плазмового) напилювання та нанесення алмазних і алмазоподібних покриттів.

13. Bushma A.I., Krivtsun I.V. Interaction of laser radiation with fine-dispersed materials at laser and hybrid (laser-plasma) spraying // Abstracts of the 2^nd International Conference on “Laser Technologies in Welding and Materials Processing”, Ukraine, Crimea, Katsiveli, 2005. – P. 50.

Систематизовано результати чисельних досліджень взаємодії лазерного випромінювання, що має різну довжину хвилі, із дрібнодисперсними металевими та керамічними частинками.

14. Borisov Yu., Bushma A., Krivtsun I. Modelling of motion and heating of powder particles in laser, plasma and hybrid spraying // Proceedings of the International Thermal Spray Conference & Exposition (ITSC), USA, Seattle, 2006. – s3_12-11955.pdf.

Розроблено математичні моделі та програмне забезпечення для комп’ютерного моделювання процесів руху і нагрівання дрібнодисперсних керамічних частинок при лазерному, плазмовому і гібридному (лазерно-плазмовому) напилюванні. Проведено чисельне дослідження теплових та динамічних характеристик частинок, що напилюються, і виконано аналіз отриманих результатів.

15. Structure and microhardness of coatings of high-chromium cast iron powder in hybrid spraying and plasma spraying with subsequent laser glazing / O.G. Devoino, M.A. Kardapolova, I.V. Krivtsun, et al. // Proceedings of the 3^rd International Conference on “Laser Technologies in Welding and Materials Processing”, Ukraine, Crimea, Katsiveli, 2007. – P. 19-23.

Проведено аналіз результатів експериментів з визначення структури і мікротвердості покриттів із високохромистого чавуну, отриманих при гібридному напилюванні та при плазмовому напилюванні з подальшим лазерним оплавленням.