Послойный синтез объемных изделий из нитрида титана методом селективного лазерного спекания

Тепловыделение вследствие химических превращений (синтез фазы TiN) описывается в соответствии с известным подходом [7] посредством введения безразмерной глубины превращения п, принимающей значения от 0 до 1 и удовлетворяющей уравнению (5):

Обычно для реакций СВС подбираются такие пространственные параметры системы, при которых теплоотдача в окружающую среду является несущественной. В этих условиях температура TR в (5), при которой происходит химическое превращение на фронте тепловой волны (то есть основная часть превращения системы), является одним из основных экспериментально определяемых параметров, позволяющих определить значения k0 и E в (5) для конкретной системы. Теплота реакции QR определяется именно при температуре TR. Особенностью рассматриваемого процесса SALDVI является то, что в зависимости от ширины спекаемого реагирующего слоя и других факторов СЛС характеристическая температура превращения TR может заметно отличаться от соответствующей величины для реакции СВС. Представляется, что более удобным в данной ситуации будет использование не предэкспоненты k0, а величины 1/Δt, где Δt — характерное время полного реагирования элементарного объема системы при температуре TR. В связи с этим вводятся новые параметры процесса синтеза:

Что позволяет преобразить (5) к виду:

Введение новой переменной z=x-vt позволяет связать систему координат с центром лазерного пятна. При этом система (4), (10) приобретает вид

Переходя к безразмерным переменным

Преобразуем ( ) к виду

С начальными и граничными условиями

Система уравнений ( )решалась с использованием разностных схем методом переменных направлений с применением метода прогонки.

Рис.13. Расчетные графики распределения температуры T (а, б) и степени превращения ц (в, г) в пространстве безразмерных координат при мощности лазерного излучения Р=15,7 Вт и оптимальных скоростях сканирования лазерного луча v=1,9 см/с (а, в) и v=2,8 см/с (б, г).

Один из главных моментов анализа предложенной модели состоял в исследовании зависимости толщины слоя полностью прореагировавшей химически активной шихты п в области за прошедшим лазерным пятном от скорости перемещения лазерного луча v. С практической точки зрения это позволяет определить толщину насыпаемого слоя для проведения СЛС.

Результаты расчетов для экспериментальных режимов Р=15,7 Вт, v=1, 9 и 2,8 см/с представлены на рис.13. Как видно, предложенная модель адекватно описывает экспериментальные данные. С уменьшение времени воздействия за счет увеличения скорости сканирования лазерного луча энерговклад лазерного излучения снижается, вследствие чего температура в зоне лазерного спекания уменьшается, и процесс превращения титана в нитрид титана не завершается полностью.

Представленная модель может применяться при анализе тепловых процессов в реакционно-способных порошковых композициях при послойном СЛС.

Вывод  
Список литературы

1. Аскольская И.А., Шишковский И.В. Физико-механические свойства объемных изделий, синтезированных методом селективного лазерного спекания. Механика композиционных материалов и конструкций, 1999, т.5, №3, с.39-49
2. Шишковский И.В., Щербаков В.И., Петров А.Л.Лазерный синтез огнеупорной керамики из порошков Al и ZrO2 ,2001
3. Шишковский И.В., Гуреев Д.М., Ружечко Р.В. Исследование условий селективного лазерного спекания керамических порошковых материалов системы ЦТС. Письма в ЖТФ, 2000, т.26, вып.6, с.84-89Савченко Н.Л., Саблина Т.Ю., Полетика Т.М., Артиш А.С., Кульков С.Н. Фазовый состав и механические свойства керамики на основе диоксида циркония, полученной высокотемпературным спеканием в вакууме. Порошковая металлургия, 1993, №10, с.96-100.
4. Глозман И.А. Пьезокерамика. М.: Энергия, 1972. 288 с
5. Д.М. Гуреев, Р.В. Ружечко, И.В. Шишковский Исследование условий селективного лазерного спекания керамических порошковых материалов системы цирконата-титаната свинца
6. Шишковский И.В., Закиев С.Е., Холпанов Л.П. Послойный синтез объемных изделий из нитрида титана методом СЛС
7. Багров В.В., Климов Н.А., Нефедов С.В., Петров А.Л., Щербаков В.И., Шишковский И.В. Программноаппаратный комплекс по селективному лазерному спеканию. Изв. Самарского научного центра РАН, 2003, т.5, №1(9), с.55-64.
8. Шишковский И.В. Синтез функциональных изделий из градиентных материалов методом селективного лазерного спекания. Перспективные материалы, 2001, №5, с.60-64.