Мета на проблему передачі порошку за особливих умов роботи внутрішнього отвору лазерне облицювання, новий тип вентильованого внутрішнього отвору насадка для подачі порошку лазерного покриття був розроблений. Модель дискретної фази використовувалася для моделювання та вибору відповідного розміру вентиляційного отвору, щоб сопло могло виводити газопорошковий потік з кращою якістю. Випробування оболонки порівнювали за різних умов потоку газу-носія, і було виявлено, що якість шару оболонки з використанням вентильованої насадки для подачі порошку була кращою, ніж якість невентильованої насадки. Результати показують, що використання вентильованої насадки для подачі порошку може покращити швидкість використання порошку та якість формування покриття.

Технологія лазерного наплавлення є важливим методом технології модифікації поверхні матеріалу. Ця технологія використовує лазерну обробку для швидкого нагрівання та сплавлення порошку сплаву з тонким шаром на поверхні підкладки для утворення металургійного зв’язку, завдяки чому поверхня заготовки має характеристики зносостійкості, термостійкості та стійкості до корозії.

Зі швидким розвитком технології лазерного покриття, щоб задовольнити потреби внутрішнього покриття отворів для виготовлення деталей отворів, транспортування порошку характеризується газом як рушійною силою для горизонтального транспортування частинок порошку. Коли швидкість потоку газу-носія мала, потужності повітряного потоку недостатньо для подолання опору та рівномірного транспортування порошку до дна сопла; коли швидкість потоку газу-носія велика, з одного боку, сильний повітряний потік діє на розплавлену ванну, що не сприяє утворенню розплавленої ванни. З іншого боку, швидкість частинок порошку, що досягають дна сопла, занадто велика, а час зчеплення з лазером короткий. Деякі порошки не розплавляються повністю і відскакують від підкладки, що знижує коефіцієнт використання порошку. Водночас це може спричинити прилипання відскоченого порошку до насадки для подачі порошку, що вплине на термін служби насадки. У цьому документі пропонується газовиділювальна насадка для подачі порошку для внутрішньої обшивки отвору, метою якої є розділення повітряного потоку на дві частини: одна частина газу використовується для транспортування порошку, а інша частина газу відводиться з порту випуску газу. Форсунка розділена на газовідвідну секцію, перехідну секцію та секцію конвергенції. У цій статті в основному вивчається вплив діаметра газовидільного отвору секції газовиділення на оболонку лазера внутрішнього отвору.

1 Конструкція насадки для подачі порошку, що виділяє газ. Насадка для подачі порошку з лазерним покриттям із внутрішнім отвором має конструкцію з трьох секцій
(як показано на малюнку 1), включаючи: секцію виділення газу, перехідну секцію та секцію конвергенції. Компонент секції випуску повітря містить невелику порожнину з отвором випуску повітря вгорі та з’єднаний з компонентом перехідної секції внизу. Проточні канали перехідної секції та секції конвергенції циліндричні, а при зміні розміру проточного каналу використовується конічний плавний перехід. Кінцем компонента секції конвергенції є вихід газопорошкового потоку. Компонент секції випуску повітря виготовлений з алюмінієвого сплаву 6061, і його внутрішня шорсткість стінки повинна бути гарантована, щоб зменшити вплив на стан газопорошкового потоку. Компоненти перехідної секції та секції конвергенції виготовлені з міді, яка має хорошу теплопровідність і запобігає високому нагріванню, що утворюється з’єднанням світло-порошок, яке може пошкодити сопло та внутрішню закупорку порошку. Далі досліджується вплив насадки для подачі порошку, що випускає повітря, на ефект подачі порошку та якість покриття лазерного покриття внутрішнього отвору.

Імітаційна модель вибирає стандартну модель k-ε турбулентності. Дивіться формули (1) (2) (3) на малюнку.
Де: k – турбулентна кінетична енергія, ε – швидкість дисипації, ρ – густина рідини, μt – турбулентна в’язкість, μ – динамічна в’язкість рідини, Gk і Gb – турбулентна кінетична енергія, викликана середнім градієнтом швидкості та плавучістю відповідно, xi – координатний напрямок , μi – усереднена за часом швидкість, σk і σε – числа Прандтля, що відповідають k і ε, Cμ=0.09, C1ε=1.44, C2ε=1.92, σε=1.3, σk=1.0 – константи моделі, отримані шляхом експериментальної перевірки; ui – складова швидкості в i-му напрямку.

2 Структурне моделювання та оптимізація насадки для подачі порошку, що випускає повітря

2.1 Мешінг і налаштування умов
Область рідини форсунки створена в програмному забезпеченні ANSYS ICEM. Приймається тетраедральна структура сітки, розмір сітки сегмента конвергенції становить 0.1 мм, а розмір сітки інших доменів рідини становить 0.6 мм. Серед них вхідний тип - це швидкісний вхід, вихідний тип - тиск, а граничні умови решти поверхонь - це стіни. Вплив діаметра вентиляційного отвору на властивості порошку імітується загальною структурою. Як показано на сітці на малюнку 2, сторона вентиляційної секції є входом, а розрахункова область і вентиляційний отвір нижче є випускними. Газопорошковий потік моделюється за умови нормального тиску 1.013 МПа, а в якості транспортуючого газу використовується аргон з в’язкістю μ 2.125×10-5 кг/м·с і густиною ρ 1.622·8 кг/м3. . Порошок являє собою порошок на основі заліза Fe316, а розмір частинок порошку - розподіл Россіна-Раммлера з розміром частинок 50-100 мкм.
2.2 Оптимізація конструкції сопла
Діаметр вентиляційного отвору відіграє ключову роль у ефекті подачі порошку насадки для подачі порошку з внутрішнім отвором для лазерного покриття типу вентиляційного отвору. Відкриття вентиляційного отвору може змінити розмір потоку газу, що несе порох, і відвести потік повітря, який завершує горизонтальне транспортування порошку. Імітаційна модель у цьому розділі використовує структурні параметри секції конвергенції, як кут подачі порошку 55°, довжину секції конвергенції 45 мм і вихідний діаметр порошку 1.2 мм. Чотири значення параметра 0, 0.8, 1.2 і 1.6 мм вибираються для аналізу моделювання. На малюнку 3 показано розподіл концентрації порошку в площині XY з різними діаметрами вентиляційних отворів. З малюнка видно, що в міру того, як діаметр отвору поступово збільшується, конвергенція порошку поступово погіршується. Коли діаметр вентиляційного отвору становить 0 мм і 0.8 мм, збіжність і жорсткість порошку хороші, і може бути сформований пучок порошку хорошої якості; коли діаметр вентиляційного отвору становить 1.2 і 1.6 мм, розбіжність порошку є серйозною, і більш регулярний пучок порошку не утворюється. У поєднанні з лазерним променем рівень використання порошку низький.
За умови інших постійних параметрів зі збільшенням діаметра вентиляційного отвору швидкість потоку газу-носія на виході порошку зменшується, потік повітря, що досягає дна сопла, зменшується, а швидкість повітряного потоку порошку зменшується, що призведе до до зменшення швидкості частинок порошку та погіршення конвергенції та жорсткості порошку. Як показано на малюнку 4, коли діаметр вихідного отвору для порошку становить 1.2 мм, а інші умови залишаються незмінними, коли діаметр вентиляційного отвору менший за діаметр вихідного отвору для порошку, конвергенція та жорсткість порошку можуть бути гарантовані, більше можна сформувати звичайний пучок порошку, і ефект подачі порошку хороший; коли діаметр вентиляційного отвору більший за діаметр вихідного отвору для порошку, більша частина повітряного потоку, що містить порошок, виходить із вентиляційного отвору, а ефект подачі порошку від залишкового потоку повітря, що транспортує порошок, є поганим, порошок серйозно розходиться , і сформований пучок порошку не можна використовувати для експериментів з лазерним покриттям.

Таким чином, при виборі діаметра вентиляційного отвору слід вибрати конструкцію з меншим діаметром, щоб гарантувати досягнення мети вентиляції за передумовою забезпечення незначного впливу на ефект подачі порошку. Для вищезазначених чотирьох структурних параметрів доцільніше використовувати a насадка для подачі порошку з діаметром повітряного отвору 0.8 мм.

3 Експеримент з лазерним покриттям
Щоб вирішити проблему подачі порошку за особливих умов роботи лазерного плакування внутрішнього отвору, насадка для подачі порошку внутрішнього отвору повітряного вентиляційного отвору використовує потік газу-носія для відведення та покращення ефекту формування оболонки. Приймаються такі параметри, як швидкість подачі порошку 1.5 об/хв, потужність лазера 1800 Вт і швидкість сканування 10 мм/с. Матеріал - порошок на основі заліза. Порівняно вплив оболонки насадки для подачі порошку без повітряного отвору та повітряного отвору 0.8 мм, а діапазон параметрів вибрано з 9 груп експериментів із потоком газу-носія 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16 і 18 л/хв.
Згідно з результатами, наведеними в таблиці 1, шар облицювання був підготовлений при різних швидкостях потоку газу-носія з використанням сопла для подачі порошку без здуття. Коли швидкість потоку газу-носія становила 4 л/хв, морфологія шару оболонки була трохи покращена порівняно з іншими параметрами, але поверхня все ще була нерівною. Коли швидкість потоку газу-носія становила 2 л/хв, нерівномірна подача порошку викликала брижі на поверхні. Оскільки швидкість потоку газу-носія поступово зростала з 6 л/хв, поверхня шару оболонки ставала все більш і більш нерівною, що було спричинено сильним відскоком порошку. Після використання дефляції, коли швидкість потоку газу-носія становила 8, 10 і 12 л/хв, поверхневий блиск шару покриття був кращим, ніж інші параметри. Порівнюючи ефект покриття від насадки для подачі порошку без здування та після здування, можна визначити, що насадка для здування може покращити якість облицювання та зменшити шорсткість поверхні облицювання.
При швидкості потоку газу-носія 8 л/хв порівнюється стан оболонки невентильованих і вентильованих сопел подачі порошку під час лазерного покриття (як показано на малюнку 5). Завдяки значному відскоку порошку невентильованого сопла більше порошку відскакує назовні розплавленої ванни та окислюється, тоді як вентильоване сопло для подачі порошку майже не має відскоку порошку, що є корисним для покращення коефіцієнта використання порошку.
Наведені вище результати випробувань показують, що якість покриття значно покращується після відкриття вентиляційного отвору, а також відносно покращується швидкість використання порошку. Коли швидкість потоку газу-носія становить 8~12 л/хв, якість поверхні шару покриття є кращою.

Висновки 4
У цьому документі пропонується новий тип сопла для подачі порошку для лазерного покриття внутрішнього отвору з вентильованим внутрішнім отвором, який може вирішити проблеми поганої рівномірності подачі порошку для покриття внутрішнього отвору, низького коефіцієнта використання порошку та низької якості покриття, і зроблено наступні висновки.
1) Вентильоване сопло відводить потік газу-носія, який завершує поперечне транспортування порошку, зменшує швидкість частинок порошку та швидкість потоку газу-носія, що досягає дна сопла, повністю розплавляє частинки порошку, зменшує кількість відскок частинок і підвищення коефіцієнта використання порошку.
2) Діаметр вентиляційного отвору має бути меншим, ніж вихід порошку. За умови забезпечення того, щоб ефект подачі порошку не впливав у незначній мірі, швидкість порошку зменшується для досягнення мети вентиляції.
3) Експеримент показує, що насадка для подачі порошку після випуску повітря ефективно покращує якість поверхні шару облицювання та збільшує швидкість використання порошку. Коли вибрано швидкість потоку газу-носія
8~12 л/хв, якість поверхні шару облицювання краща.