Чисельне дослідження процесу затвердіння тонкого покриття на поверхні тіла

UKR: Мета. Плазмове напилення широко застосовується для зміцнення та відновлення робочих поверхонь деталей виробів, що зумовлено сукупністю його техніко-економічних переваг та високою ефективністю процесу. Активне використання цієї технології, зокрема під час обробки деталей широкої номенклатури, обумовлює підвищені вимоги до рівня застосовуваного обладнання та якості вихідних матеріалів. Водночас метод плазмового напилення покриттів має низку обмежень, які водночас слугують потенційним резервом для подальшого вдосконалення технологічних рішень. Ефективним методом розв’язку таких задач є використання математичних моделей. Основна мета роботи полягає у побудові нелінійної математичної моделі затвердіння покриття на поверхні тіла з урахуванням температурної залежності теплофізичних характеристик. Методика. Математична модель для дослідження процесу затвердіння покриття на поверхні тіла включає в себе рівняння теплопровідності для твердої кірки і основи. Чисельне інтегрування моделюючих рівнянь здійснюється за допомогою неявного різницевого методу з ловлею фронту у вузол сітки. Результати. Розроблено комп’ютерну програму, за допомогою якої можливо проведення чисельних досліджень процесів затвердіння титанового та алюмінієвого покриттів на сталевій основі. Наведено результати чисельного моделювання. Наукова новизна. Розроблено нелінійну математичну модель для дослідження процесу затвердіння тонкого покриття на поверхні тіла. Модель базується на чисельному інтегруванні рівнянь теплопровідності для твердої кірки і основи та дозволяє визначити зміну в часі температури в різних точках системи «основа – покриття». Практична значимість. Розроблена математична модель може бути корисною при дослідженні затвердіння покриття напиленого на поверхню тіла, а також при виборі режимних параметрів процесу плазмового напилення. Вона забезпечує наукове обґрунтування параметрів процесу та режимів роботи застосовуваного обладнання. Модель дозволяє оцінювати динаміку формування теплових полів у процесі затвердіння покриттів.

ENG: Purpose. Plasma spraying is widely used to strengthen and restore the working surfaces of product parts, which is due to the combination of its technical and economic advantages and high process efficiency. The active use of this technology, in particular when processing a wide range of parts, imposes increased requirements on the level of equipment used and the quality of raw materials. At the same time, the plasma spraying method of coatings has a number of limitations, which at the same time serve as a potential reserve for further improvement of technological solutions. An effective method for solving such problems is the use of mathematical models. The main goal of the work consists in building a nonlinear mathematical model of coating hardening on the surface of the body, taking into account the temperature dependence of thermophysical characteristics. Methodology. The mathematical model for studying the process of coating solidification on the body surface includes heat conduction equations for the solid crust and the base. Numerical integration of the modeling equations is carried out using the implicit difference method with front trapping at the grid node. Findings. A computer program has been developed that allows for numerical studies of the solidification processes of titanium and aluminum coatings on a steel base. The results of numerical modeling are presented. Originality. A nonlinear mathematical model has been developed to study the process of solidification of a thin coating on the surface of a body. The model is based on the numerical integration of heat conduction equations for the solid crust and the base and allows determining the change in temperature over time at different points of the «base – coating» system. Practical value. The developed mathematical model can be useful in studying the hardening of a coating sprayed onto a body surface, as well as in selecting the operating parameters of the plasma spraying process. It provides a scientific justification for the process parameters and operating modes of the equipment used. The model allows us to evaluate the dynamics of the formation of thermal fields in the hardening process of coatings.