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

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

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.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. Г. Князева

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: anna-knyazeva@mail.ru
Россия, Томск

О. Н. Крюкова

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН

Email: anna-knyazeva@mail.ru
Россия, Томск

Список литературы

  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.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Структура реакционной ячейки: а) до начала химических реакций, б) после начала реакции и диффузии. Обозначения: 1 – область оксида железа; 2 – область оксида алюминия; 3 – область матрицы. Пунктирными линиями отмечены подвижные границы раздела: R1 = R1(t) – граница между двумя оксидами; R2 = R2(t) – граница между раствором, содержащим железо, и исходным раствором Ti–Al. В диффузионно-кинетической задаче эта граница может не учитываться явно, как в [16].

Скачать (315KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Изменение температурного поля (а) и фазового состава продукта (б, в) со временем; (б) объемная доля оксида алюминия; (в) объемная доля оксида железа. Se = 18;V– = 0.5, Nu = 2, hη = 40.

Скачать (629KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимости объемных долей оксидных фаз в макроточке (ξ = 7, η = 2.5) ηFe2O3 – сплошные линии, ηAl2O3 – пунктирные линии (а, в, д, слева) и радиуса частицы оксида железа (б, г, е) от времени. Зависимости от времени радиуса частицы (б, г, е) представлены для разных макроточек: сплошные кривые – (ξ = 7, η = 1.5), штриховые – (ξ = 3, η = 2.5), пунктирные – (ξ = 5, η = 2.5). (a, б) – варьируется ширина сканирования: 1 – hη = 20, 2 – hη = 40, 3 – hη = 80; Se = 18, V = 0.5, Nu = 3. (в, г) – варьируется плотность мощности лазерного луча: 1 – Se = 25, 2 – Se = 20, 3 – Se = 18; V = 0.5, Nu = 4, hη = 20. (д, е) – варьируется безразмерный параметр Nu: 1 – Nu = 2, 2 – Nu = 3, 3 – Nu = 4; Se = 18, V = 0.5, hη = 20.

Скачать (276KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Поле температуры и фазового состава продукта к моменту времени τ = 80, объемная доля оксида алюминия и объемная доля оксида железа для разной ширины сканирования: (а) hη = 20, (б) hη = 40, (в) hη = 80; Se = 18, V = 0.5, Nu = 3.

Скачать (396KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимость температуры в различных точках на поверхности образца от времени при варьировании ширины сканирования: (а) – hη = 20, (б) – hη = 40, (в) – hη = 80; Se = 18, V = 0.5, Nu = 3. Температурные кривые соответствуют координатам: 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).

Скачать (170KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024

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».