Численное моделирование распределения модифицирующих частиц в поверхностном слое металла при импульсном индукционном нагреве

Рассматривается способ улучшения эксплуатационных свойств поверхности деталей. Исследуется воз- можность применения высокочастотного электромагнитного поля для разогрева и плавления металла с целью его последующего модифицирования. Проведено численное моделирование процессов при модифицировании по- верхностного слоя металла в подложке. Поверхность подложки покрыта слоем специально подготовленных наноразмерных частиц тугоплавкого соединения, которые после проникновения в расплав служат активными центрами кристаллизации. Распределение электромагнитной энергии в металле описывается эмпирическими формулами. С помощью предлагаемой математической модели, описывающей термо- и гидродинамические явления, рассматриваются процессы, включающие разогрев металла, его плавление, конвективный теплоперенос в расплаве и затвердевание после окончания импульса. Плавление металла рассматривается в приближении Стефана, а при затвердевании предполагается, что все наночастицы являются центрами объемно- последовательной кристаллизации. Течение в жидкости описывается уравнениями Навье-Стокса в прибли- жении Буссинеска. Перемещение маркеров моделирует распределение наночастиц в расплаве. По результатам численных экспериментов оценивалась структура течения в расплаве в зависимости от характеристик индукционного нагрева и количества поверхностно-активной примеси в металле. Определены режимы импульсного индукционного воздействия, способствующие формированию течений для гомогенного распреде- ления частиц модифицирующего вещества. Установлено, что применение импульсов высокочастотного элек- тромагнитного поля для разогрева и плавления металла позволяет модифицировать металл глубже по срав- нению с использованием лазера.