Численное и экспериментальное исследование дисперсных потоков, формируемых коаксиальными соплами при лазерной наплавке

Лазерные аддитивные технологии (АТ) изготовления металлических изделий – одно из наиболее интенсивно развивающихся направлений современной промышленности, способных совершить революцию в машиностроении. В настоящем проекте рассматривается одна из двух основных концепций лазерных AT – прямое лазерное выращивание (Direct Laser Deposition, DLD, Direct Metal Deposition - DMD) изделий, в которой металлический порошковый материал с использованием лазерно-сопловой головки (обычно – коаксиальной) локально подается в область действия лазерного излучения, формируя наплавленный валик размером от сотен микрометров до единиц миллиметров. Программно управляемое перемещение лазерно-сопловой головки позволяет производить послойное выращивание (наращивание) металлических деталей со сложной трехмерной структурой. На сегодняшний день отечественного оборудования такого класса не существует.Проект направлен на развитие и совместное применение методов численного и экспериментального исследования динамики газопорошковых потоков в условиях лазерной наплавки. Предлагается разработка физико-математических моделей формирования двухфазных потоков с учетом столкновения частиц между собой, взаимодействия со стенками сопла, взаимного влияния потока газа и частиц, влияния лазерного излучения на температуру и траекторию движения частиц. Моделирование основано на решении уравнений движения вязкого несжимаемого газа совместно с решением уравнений переноса отдельных частиц в рамках подхода Лагранжа. Экспериментальное изучение газопорошковых потоков осуществляется с использованием оптической системы диагностики дисперсной фазы, позволяющей определять пространственные распределения скорости, концентрации частиц (а также температуры, в условиях нагрева лазерным излучением). Результаты проведенных исследований позволят разработать инструменты численного и экспериментального исследования динамики газопорошковых потоков, сформулировать набор требований для создания эффективной лазерно-сопловой головки, определить её оптимальные геометрические характеристики, фракционный состав и расход порошка, расход транспортирующего и защитного газов, обеспечивающие высокий коэффициент использования материала, фокусировку порошка, безопасность оптических элементов лазерной системы.