Двухуровневое моделирование кинетики фазообразования при синтезе композита из порошков Ti-Al-Fe2O3 в 3D-технологии

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Предложена двухуровневая модель синтеза композита из порошков, способных к химическим превращениям. Процесс управляется лазерным воздействием. Химические превращения моделируются на масштабном уровне частиц (в реакционной ячейке), где учитывается контролирующая роль диффузии в механизме реакций. Задача для реакционной ячейки решается аналитически, что удобно при численной реализации всей модели. Продемонстрирована роль важных параметров – плотности мощности луча лазера, ширины сканирования и даны параметры, характеризующие потери тепла. Показана возможность управления фазовой структурой.

Full Text

Restricted Access

About the authors

А. Г. Князева

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН

Author for correspondence.
Email: anna-knyazeva@mail.ru
Russian Federation, Томск

О. Н. Крюкова

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН

Email: anna-knyazeva@mail.ru
Russian Federation, Томск

References

  1. Dadbakhsh S., Mertens R., Hao L., Van Humbeeck J., and Kruth J.-P. Selective laser melting to manufacture “in situ” metal matrix composites: a review // Adv. Eng. Mater. 2019. V. 21. P. 1801244.
  2. Clemens H., Mayer S. Design, processing, microstructure, properties, and applications of advanced intermetallic TiAl alloys // Adv. Eng. Mater. 2013. V. 15. P. 191.
  3. Arcobello Varlese F., Tului M., Sabbadini S., Pellissero F., Sebastiani M., Bemporad E. Optimized coating procedure for the protection of TiAl intermetallic alloy against high temperature oxidation. // Intermetallics. 2013. V. 37. P. 76.
  4. By Lai-Chang Zhang and Hooyar Attar Selective Laser Melting of Titanium Alloys and Titanium Matrix Composites for Biomedical Applications: A Review // Adv. Eng. Mater. 2016. V. 18 № 4. P. 463.
  5. Yeh C.L., Li R.F. Formation of TiAleTi5Si3 and TiAleAl2O3 in situ composites by combustion synthesis // Intermetallics. 2008. V. 16. P. 64.
  6. Levashov E.A., Mukasyan A.S., Rogacheva A.S., and Shtansky D.V. Self-propagating high-temperature synthesis of advanced materials and coatings // Int. Mater. Rev. 2017. V. 62. № 4. P. 203.
  7. Horvitz D., Gotmana I., Gutmanas E.Y., Claussen N. In situ processing of dense Al2O3–Ti aluminide interpenetrating phase composites // J. Eur. Ceram. Soc. 2002. V. 22. P. 947.
  8. Fereiduni E., Ghasemi A. and Elbestawi M. Selective Laser Melting of Aluminum and Titanium Matrix Composites: Recent Progress and Potential Applications in the Aerospace Industry // Aerospace. 2020. V. 7. P. 77.
  9. Teichmanova A., Michalcova A., Necas D. Microstructure and Phase Composition of thin Protective Layers of Titanium Aluminides Prepared by Self-Propagating High-Temperature Synthesis (SHS) for Ti-6Al-4V Alloy // Manuf. Technol. 2022. V. 22. № 5. P. 605.
  10. Matouš K., Geers M.G.D., Kouznetsova V.G., Gillman A. A review of predictive nonlinear theories for multiscale modeling of heterogeneous materials // J. Comput. Phys. 2017. V. 330. P. 192.
  11. Yang M., Wang Lu, Yan W. Phase-field modeling of grain evolution in additive manufacturing with addition of reinforcing particles // Addit. Manuf. 2021. V. 47. P. 102286.
  12. Самарский А.А., Вабищевич П.Н. Вычислительная теплопередача. М.: Эдиториал УРСС, 2003. 784 с.
  13. Ковалев О.Б., Беляев В.В. Математическое моделирование металлохимических реакций в двухкомпонентной реагирующей дисперсной смеси // Физика горения и взрыва. 2013. Т. 49. № 5. С. 64. [Kovalev O.B., Belyaev V.V. Mathematical modeling of metallochemical reactions in a two-species reacting disperse mixture // Combust. Explos. Shock Waves. 2013. V. 49. P. 563.]
  14. Ковалев О.Б., Фомин В.М. К теории межфазного взаимодействия в смеси реагирующих металлических порошков // Физика горения и взрыва. 2002. Т. 38. № 6. С. 44. [Kovalev O.B., Fomin V.M. On the Theory of Interphase Interaction in a Mixture of Reacting Metal Particles // Combust. Explos. Shock Waves. 2002. V. 38. P. 655.]
  15. Knyazeva A.G., Bukrina N.V. Simulation of reaction initiation in powder compacting from the surface with composite formation in equivalent reaction cell // Combust. Theory Model. 2023. V.27. № 7. P. 883.
  16. Kryukova O.N., Knyazeva A.G. Two-Level Model Controlled Synthesis of a Composite on a Substrate // Multiscale Sci. Eng. 2023. № 5. P. 10.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. The structure of the reaction cell: a) before the start of chemical reactions, b) after the start of the reaction and diffusion. Designations: 1 – iron oxide region; 2 – aluminum oxide region; 3 – matrix region. The dotted lines indicate the moving interfaces: R1 = R1(t) – the interface between two oxides; R2 = R2(t) – the interface between the iron-containing solution and the initial Ti–Al solution. In the diffusion-kinetic problem, this interface may not be taken into account explicitly, as in [16].

Download (315KB)
3. Fig. 2. Change in the temperature field (a) and phase composition of the product (b, c) over time; (b) volume fraction of aluminum oxide; (c) volume fraction of iron oxide. Se = 18; V– = 0.5, Nu = 2, hη = 40.

Download (629KB)
4. Fig. 3. Dependences of the volume fractions of oxide phases in the macropoint (ξ = 7, η = 2.5) ηFe2O3 – solid lines, ηAl2O3 – dashed lines (a, c, d, left) and the radius of the iron oxide particle (b, d, e) on time. The time dependences of the particle radius (b, d, e) are presented for different macropoints: solid curves – (ξ = 7, η = 1.5), dashed – (ξ = 3, η = 2.5), dotted – (ξ = 5, η = 2.5). (a, b) – the scanning width varies: 1 – hη = 20, 2 – hη = 40, 3 – hη = 80; Se = 18, V = 0.5, Nu = 3. (c, d) – the laser beam power density is varied: 1 – Se = 25, 2 – Se = 20, 3 – Se = 18; V = 0.5, Nu = 4, hη = 20. (d, f) – the dimensionless parameter Nu is varied: 1 – Nu = 2, 2 – Nu = 3, 3 – Nu = 4; Se = 18, V = 0.5, hη = 20.

Download (276KB)
5. Fig. 4. The temperature and phase composition field of the product at time τ = 80, the volume fraction of aluminum oxide and the volume fraction of iron oxide for different scan widths: (a) hη = 20, (b) hη = 40, (c) hη = 80; Se = 18, V = 0.5, Nu = 3.

Download (396KB)
6. Fig. 5. Dependence of temperature at different points on the sample surface on time with varying scan width: (a) – hη = 20, (b) – hη = 40, (c) – hη = 80; Se = 18, V = 0.5, Nu = 3. Temperature curves correspond to coordinates: 1 – (ξ = 3, η = 1.5), 2 – (ξ = 5, η = 1.5), 3 – (ξ = 7, η = 1.5), 4 – (ξ = 3, η = 2.5), 5 – (ξ = 5, η = 2.5), 6 – (ξ = 7, η = 2.5).

Download (170KB)

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».