ОЦЕНКА НАПРЯЖЕНИЙ, СОПУТСТВУЮЩИХ ОБРАБОТКЕ ПОДВИЖНЫМ ИСТОЧНИКОМ ЭНЕРГИИ ТОНКОГО СЛОЯ, РАСПОЛОЖЕННОГО НА ПЛОСКОЙ ПОДЛОЖКЕ

Сведения об авторах
  • Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, Томск, Российская Федерация
  • Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, Томск, Российская Федерация

Аннотация

Взаимодействие полей разной природы (тепловых, химических и механических) в современных технологиях синтеза и обработки материалов привлекает все большее внимание. Это обусловлено необходимостью прогнозирования поведения и свойств новых материалов и изделий в зависимости от условий их создания. Настоящая работа посвящена постановке и решению плоских задач термохемоупругости, которые описывают, например, сплавление слоя порошка на тонкой подложке при лазерном или электронно-лучевом воздействии. В этом случае внешний источник тепла перемещается по поверхности с определенной скоростью и по заданной траектории, вызывая существенное повышение температуры и в общем случае химические реакции. Это приводит к необходимости учета температурной зависимости свойств материала, которые становятся в рассматриваемом случае функциями и координат. Двумерные уравнения модели получены осреднением трехмерных уравнений термохемоупругости по слоям реагирующего слоя порошка и подложки. При этом в результате осреднения получены и выражения для эффективных характеристик двумерной среды. Выведена новая формулировка механической части задачи в напряжениях для случая плоского напряженного состояния, обусловленная неоднородными характеристиками среды при объединении уравнений равновесия, условий совместности деформаций и соотношений Дюамеля – Неймана. Эволюция температурного поля описывается нелинейным уравнением теплопроводности. При численном решении задач использован неявный конечно-разностный метод с расщеплением по координатам для уравнения теплопроводности и конечно-разностный метод последовательной верхней релаксации с чебышевским ускорением для уравнений в напряжениях. Приведены результаты численного моделирования обработки лазерным лучом смеси порошков титана и алюминия на железной подложке. Показано, что свойства подложки в значительной степени определяют величину максимальной температуры и сопутствующих напряжений, что следует учитывать при моделировании явным образом.

Ключевые слова

поле температурытемпературные напряжениятемпературно-зависимые свойстваподвижный источник теплачисленное моделированиелазерная обработкааддитивные технологиислой порошкаматематическая модельплоское напряженное состояние.

Литература

  1. 1.Frazier, W.E. Metal additive manufacturing: a review / W.E. Frazier // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2014. – Vol. 23. – P. 1917–1928. DOI: 10.1007/s11665-014-0958-z Scholar
  2. 2.Научные подходы к микро-, мезо- и макроструктурному дизайну объемных металлических и полиметаллических материалов с использованием метода электронно-лучевого аддитивного производства / Е.А. Колубаев [и др.] // Физическая мезомеханика. – 2022. – Т. 25, № 4. – С. 5–18. DOI: 10.55652/1683-805X_2022_25_4_5 Scholar
  3. 3.A current state of metal additive manufacturing methods: A review / P. Durai Murugan [et al.] // Materials Today: Proceedings. – 2022. – Vol. 59. – P. 1277–1283. DOI: 10.1016/j.matpr.2021.11.503 Scholar
  4. 4.A Review on metal additive manufacturing – types, applications and future trends / M.Q. Zafar [et al.] // Recent Progress in Materials. – 2025. – Vol. 7, no. 1. – P. 006. DOI: 10.21926/rpm.2501006 Scholar
  5. 5.Hybrid metal additive manufacturing: A state-of-the-art review / J.P.M. Pragana [et al.] // Advances in Industrial and Manufacturing Engineering. – 2021. – Vol. 2. – P. 100032. DOI: 10.1016/j.ajme.2021.100032 Scholar
  6. 6.Khaing, M.W. Direct metal laser sintering for rapid tooling: processing and characterization of EOS parts / M.W. Khaing, J.Y.H. Fuh, L. Lu // Journal of Materials Processing Technology. – 2001. – Vol. 113. – P. 269–272. DOI: 10.1016/S0924-0136(01)00584-2 Scholar
  7. 7.Dobrzańska-Danikiewicz, A.D. A review of additive manufacturing technologies / A.D. Dobrzańska-Danikiewicz, A. Bączyk // Archives of Materials Science and Engineering. – 2024. – Vol. 128, iss. 2. – P. 68–85. DOI: 10.5604/01.3001.0054.8755 Scholar
  8. 8.Kumar, P. Additive manufacturing – A literature review / P. Kumar, A. Mahamani, B. Durga Prasad // Materials Science Forum. – 2020. – Vol. 979. – P. 74–83. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.979.74 Scholar
  9. 9.Additive manufacturing of titanium-based alloys – A review of methods, properties, challenges, and prospects / T.S. Tshephe [et al.] // Heliyon. – 2022. – Vol. 8. – P. e09041. DOI: 10.1016/j.heliyon.2022.e09041 Scholar
  10. 10.Bhuvanesh Kumar, M. Methods and materials for additive manufacturing: A critical review on advancements and challenges / M. Bhuvanesh Kumar, P. Sathiya // Thin–Walled Structures. – 2021. – Vol. 159. – P. 107228. DOI: 10.1016/j.tws.2020.107228 Scholar

Другие статьи выпуска

Весь выпуск (№ 5, 2025)
Скачать PDF

Информация о статье

Опубликована
17.12.2025
В выпуске
17.12.2025
Выпуск
№ 5 (2025)
Поделиться