Численное моделирование формирования структуры и кристаллизации вспененного алюминия, модифицированного наноразмерными частицами
- Авторы: Попов В.Н.1, Черепанов А.Н.1
-
Учреждения:
- Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН
- Выпуск: Том 125, № 12 (2024)
- Страницы: 1627-1635
- Раздел: СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
- URL: https://journals.rcsi.science/0015-3230/article/view/283833
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0015323024120157
- EDN: https://elibrary.ru/IHWKIK
- ID: 283833
Цитировать
Открытый доступ
Доступ предоставлен
Аннотация
Предложена математическая модель кристаллизации вспененного расплава алюминия (Al–Si), содержащего модифицирующие наноразмерные частицы, который охлаждается при заданных условиях теплосъема. Используя модель роста газовых пузырьков в расплаве алюминия, проведен численный анализ динамики формирования вспененных металлов и определены размеры сферических пор. Границы ячеек, окружающих пузырьки, определены согласно представленным в литературных источниках экспериментальным данным. На основе разработанной модели показано, что внесение в расплав наноразмерных тугоплавких частиц в качестве модифицирующих добавок приводит к измельчению кристаллической структуры и может способствовать повышению механических свойства затвердевшего металла.
Полный текст
Об авторах
В. Н. Попов
Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН
Автор, ответственный за переписку.
Email: popov@itam.nsc.ru
Россия, Новосибирск
А. Н. Черепанов
Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН
Email: popov@itam.nsc.ru
Россия, Новосибирск
Список литературы
- Banhart J. Manufacturing Routes for Metallic Foams // JOM. 2000. V. 52 (12). P. 22–27.
- Banhart J. Manufacture, characterization and application of cellular metals and metal foams // Progress in Mater. Sci. 2001. No. 46. P. 559–632.
- Sandim H., Morante Bruno Vieira, Suzuki P. Kinetics of Thermal Decomposition of Titanium Hydride Powder Using in situ High-temperature X-ray Diffraction (HTXRD) // Mater. Research. 2005. V. 8. No. 3. P. 293–297.
- Bhosle V., Baburaj E.G., Miranova M., Salama K. Dehydrogenation of TiH2 // Mater. Eng. 2003. A356. P. 190–199.
- Cherepanov A.N., Ovcharenko V.T. Effect of Nanostructured Composite Powders on the Structure and Strength Properties of the High Temperature Inconel 718 Alloy // Phys. Met. Metal. 2015. V. 116. No. 12. P. 1279–1284.
- Kuzmanov P.M., Popov S.I., Yovkov L.V., Dimitrova R.N., Cherepanov A.N., Manolov V.K. Investigation the effect of modification with nanopowders on crystallization process and microstructure of some alloys // AIP Conference Proceedings. 2017. V. 1893. P. 030104.
- Сherepanov A.N., Manolov V.K. Application of Nanopowders in Casting Production // J. Mater. Sci. Eng. 2022. V. 11 (02). P. 1–9.
- Turnbul D. Theory of catalysis of nucleation by surface patches // Acta Metal. 1953. V. 1. Iss. 1. P. 8–14.
- Fletcher N.H. Size Effect in Heterogeneous Nucleation // J. Chem. Phys. 1958. V. 29. Iss. 3. P. 572–576.
- Chalmers B. Principles of Solidification. New York: Wiley, 1964. 288 p.
- Flemings M.C. Solidification Processing. New York: McGraw-Hill, 1974. 424 p.
- Borodianskiy K., Kossenko A., Zinigrad M. Improvement of the Mechanical Properties of Al-Si Alloys by TiC Nanoparticles // Metal. Mater. Trans. A. 2013. V. 44. P. 4948–4953.
- El-Mahallawi I.S., Shash A.Y., Amer A.E. Nanoreinforced Cast Al-Si Alloys with Al2O3, TiO2 and ZrO2 // Nanoparticles Metals. 2015. V. 5. No 2. P. 802–821.
- Lazarova R., Bojanova N., Dimitrova R., Manolov V., Panov I. Influence of Nanoparticles Introducing in the Melt of Aluminum Alloys on Castings Microstructure and Properties // Intern. J. Metal. 2016. V. 10. Iss. 4. P. 466–476.
- Popov V.N., Cherepanov A.N. Modeling of the alloy solidification modified by refractory nano-size particles // Eur. Phys. J. Spec. Top. 2020. V. 229(2–3). P. 467–474.
- Попов В.Н. Численное исследование процессов зародышеобразования и кристаллизации в модифицированном расплаве // ФММ. 2022. Т. 123. № 5. С. 469–477.
- Sahu S.N., Gokhale A.A., Mehra A. Modeling nucleation and growth of bubbles during foaming of molten aluminum with high initial gas supersaturation // J. Mater. Processing Techn. 2014. V. 214. Iss. 1. P. 1–12.
- Shafi M.A., Lee J.G., Flumerfelt R.W. Prediction of Cellular Structure in Free Expansion Polymer Foam Processing // Polymer Eng. Sci. 1996. V. 36. No. 14. P. 1950–1959.
- Shafi M.A., Flumerfelt R.W. Initial bubble growth in polymer foam processes // Chem. Eng. Sci. 1997. V. 52. Iss. 4. P. 627–633.
- Mao D., Edwards J.R., Harvey A. Prediction of foam growth and its nucleation in free and limited expansion. // Chemical Engineering Science. 2006. V. 61. Iss. 6. P. 1836–1845.
- Turnbull D. Formation of Crystal Nuclei in Liquid Metals // J. App. Phys. 1950. V. 21. P. 1022–1028.
- Hienola A.I., Winkler P.M., Wagne P.E., Vehkamäki H., Lauri A., Napari I., Kulmala M. Estimation of line tension and contact angle from heterogeneous nucleation experimental data // J. Chem. Phys. 2007. V. 126. P. 094705(1–11).
- Колмогоров A.H. К статистической теории кристаллизации металлов // Изв. АН СССР. Сер. матем. 1937. T. 1. № 3. C. 355–359.
- Christian J.W. The Theory of Transformations in Metals and Alloys. Publisher: Pergamon, 2002. 1200 p.
- Sloane N.J.A. The Packing of Spheres // Scientific American. 1984. V. 250. No. 1. P. 116–125.
- Белецкий В.М., Кривов Г.А. Алюминиевые сплавы. (Состав, свойства, технология, применение). Киев: КОМИНТЕХ, 2005. 365 с.
- Зиновьев В.Е. Теплофизические свойства металлов при высоких температурах. М.: Металлургия, 1989. 384 с
- Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972. 720 c.
- Hall E.O. The Deformation and Ageing of Mild Steel: III Discussion of Results // Proc. Phys. Soc. B. 1951. V. 64. P. 747–753.
- Petch N.J. The Cleavage Strength of Polycrystals // J. Iron and Steel Institute. 1953. V. 174. P. 25–28.
- Васильева А.Б. О развитии теории обыкновенных дифференциальных уравнений с малым параметром при старших производных за период 1966–1967 гг // УМН. 1976. T. 31. Вып. 6. С. 102–122.
Дополнительные файлы
Доп. файлы
Действие
1.
JATS XML
2.
Рис. 1. Схема роста пузырька (1) в ячейке (2). R — радиус пузырька, Rс — радиус ячейки, 3 — изменение концентрации растворенного газа C в диффузионной зоне.
Скачать (11KB)
3.
Рис. 2. Изменение радиуса газового пузырька до момента окончания роста (l) при CTiH2 = 1.5 мас.% (1) и CTiH2 = 0.5 мас.% (2).
Скачать (14KB)
4.
Рис. 3. Изменение концентрации водорода CB (а) и диффузионного потока D(dC/dr) (б) на поверхности пузырька при CTiH2 = 1.5 масс.% (1) и CTiH2 = 0.5 мас.% (2).
Скачать (27KB)
5.
Рис. 4. Зависимость пористости Π от количества введенного в расплав порошка TiH2; l — эксперимент [17]; — результаты расчетов.
Скачать (10KB)
6.
Рис. 5. Изменение температуры расплава при CTiH2 = 1.5 мас. % (а) и CTiH2 = 0.5 мас. % (б): (1) a= 400 Вт/(м·К), (2) a=200 Вт/(м·К).
Скачать (27KB)
7.
Рис. 6. Изменение температуры (1) и величины переохлаждения (2) расплава при CTiH2 = 1.5 мас.%, (а) a = 400 Вт/(м·К), (б) a = 200 Вт/(м·К). Штриховая линия — температура ликвидуса Tl.
Скачать (35KB)
8.
Рис. 7. Влияние интенсивности теплосъема a на размер первичного зерна в затвердевшем металле после модифицирования при CTiH2 = 1.5 мас.% (1) и CTiH2 = 0.5 мас.% (2). o — результаты расчетов.
Скачать (11KB)
