An integrated approach to studying the structure of ternary CoCrMo alloy: scanning electron microscopy and atomistic simulation

Capa

Citar

Texto integral

Resumo

A comparative study combining the experimental technique of scanning electron microscopy and atomistic simulation by (molecular dynamics) was carried out using of the ternary CoCrMo nanoalloy as an example. Employing the technology of selective laser melting based on the PR-KH28M6 powder, a sample was made for which a non-uniform surface composition with respect to the presence of cobalt and chromium was identified, i.e. areas were simultaneously enriched and depleted in these elements, which indicates the possibility of forming various intermetallic compounds based on them. In the process of atomistic simulation, three nanoparticles of the ternary CoCrMo nanoalloy with the number of 10000, 15000 and 30000 atoms were subjected to a sequential cycle of heating and cooling, including the identification of phase transitions corresponding to melting and crystallization, respectively. The corresponding temperatures of the beginning and end of the phase transition were determined. The regularities of structural and surface segregation in the ternary CoCrMo nanoalloy are described. It is noted that for nanoparticles containing 10000 atoms, only a shell of cobalt atoms is formed without forming a core, while for nanoparticles containing 15000 and 30,000 atoms, an onion-like structure is formed. Chromium atoms form either the core of the nanoparticle as at N =10000 or the peripheral region as at N =15000 and 30000. Molybdenum atoms behave indifferently, i.e. are distributed uniformly throughout the entire volume of the nanoparticles under study.

Sobre autores

Daria Kravchenko

Tver State University

1st year postgraduate student, General Physics Department

Andrei Kolosov

Tver State University

Ph. D., Researcher, General Physics Department

Denis Sokolov

Tver State University

Ph. D., Researcher, General Physics Department

Nikita Nepsha

Tver State University

4th year postgraduate student, General Physics Department

Sergei Bogdanov

Tver State University

Ph. D., Researcher, General Physics Department

Nickolay Sdobnyakov

Tver State University

Email: nsdobnyakov@mail.ru
Dr. Sc., Docent, General Physics Department

Bibliografia

  1. Yang, L. Additive manufacturing of metals: the technology, materials, design and production / L. Yang, K. Hsu, B. Baughman et al. // Springer Series in Advanced Manufacturing. - Cham: Springer, 2017. - VII+168 p. doi: 10.1007/978-3-319-55128-9.
  2. Zglobicka, I. 3D diatom-designed and selective laser melting (SLM) manufactured metallic structures / I. Zglobicka, A. Chmielewska, E. Topal et al. // Scientific Reports. - 2019. - V. 9. - Art. № 19777. - 9 p. doi: 10.1038/s41598-019-56434-7.
  3. Li, K Additive manufacturing of a Co-Cr-W alloy by selective laser melting: In-situ oxidation, precipitation and the corresponding strengthening effects / K. Li, Z. Wang, K. Song et al. // Journal of Materials Science & Technology. - 2022. - V. 125. - P. 171-181. doi: 10.1016/j.jmst.2022.01.036.
  4. Wang, Z. Selective laser melting of nanostructured Al-Y-Ni-Co alloy / Z. Wang, S. Scudino, J. Eckert, K.G. Prashanth // Manufacturing Letters. - 2020. - V. 25. - P. 21-25. doi: 10.1016/j.mfglet.2020.06.005.
  5. Богданов, С.С. Закономерности структурообразования в бинарных наночастицах ГЦК металлов при термическом воздействии: атомистическое моделирование. Монография / С.С. Богданов, Н.Ю. Сдобняков. - Тверь: Издательство верского государственного университета, 2023. - 143 с.
  6. Sdobnyakov, N. Solution combustion synthesis and Monte Carlo simulation of the formation of CuNi integrated nanoparticles / N. Sdobnyakov, A. Khort, V. Myasnichenko et al. // Computational Materials Science. - 2020. - V. 184. - Art. № 109936. - 12 p. doi: 10.1016/j.commatsci.2020.109936.
  7. Талызин, И.В. Идентификация сложных наноструктур ядро-оболочка по радиальным распределениям локальной плотности компонентов / И.В. Талызин, С.С. Богданов, В.М. Самсонов и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2022. - Вып. 14. - С. 307-320. doi: 10.26456/pcascnn/2022.14.307.
  8. Кравченко, Д.А. Исследование структуры и свойств стоматологических коронок, изготовленных методом селективного лазерного плавления и по технологии литья в форме / Д.А. Кравченко, О.Н. Медведева // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2022. - Вып. 14. - С. 652-661. doi: 10.26456/pcascnn/2022.14.652.
  9. Сапрыкина, Н.А. Формирование сплава системы кобальт-хром-молибден методом селективного лазерного плавления / Н.А. Сапрыкина, А.А. Сапрыкин, Ю.П. Шаркеев и др. // Системы. Методы. Технологии. - 2021. - № 2 (50). - С. 31-37. doi: 10.18324/2077-5415-2021-2-31-37.
  10. LAMMPS Molecular Dynamics Simulator. - Режим доступа: www.url: http://lammps.sandia.gov. - 15.08.2024.
  11. Cleri, F. Tight binding potentials for transition metals and alloys / F. Cleri, V. Rosato // Physical Review B. - 1993. - V. 48. - I. 1. - Р. 22-33. doi: 10.1103/PhysRevB.48.22.
  12. Karolewski, M.A. Tight-binding potentials for sputtering simulations with fcc and bcc metals / M.A. Karolewski // Radiation Effects and Defects in Solids. - 2001. - V. 153. - I. 3. - P. 239-255. DOI: /10.1080/10420150108211842.
  13. Соколов, Д.Н. Новые возможности высокопроизводительных расчетов наносистем с использованием программного обеспечения Metropolis / Д.Н. Соколов, Н.Ю. Сдобняков, К.Г. Савина и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2021. - Вып. 13. - С. 624-638. doi: 10.26456/pcascnn/2021.13.624.
  14. Свидетельство № 2019661915 Российская Федерация. Metropolis / Д.Н. Соколов, Н.Ю. Сдобняков, А.Ю. Колосов, П.М. Ершов, С.С. Богданов; заявитель и правообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тверской государственный университет". - № 2019660847; заявл. 30.08.2019; зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 11.09.2019. - 1 с.
  15. Ташлыкова-Бушкевич, Ия.И. Нанорельеф поверхности тонких пленок сплавов Al-Mn и Al-Ni при ионно-ассистированном осаждении на стекло / Ия.И. Ташлыкова-Бушкевич, И.А. Столяр // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. - 2023. - № 3. - С. 23-39. doi: 10.31857/S1028096023030172.
  16. Wang, A. Characterisation of the multiple effects of Sc/Zr elements in selective laser melted Al alloy / A. Wang, Y. Yan, Z. Chen et al. // Materials Characterization. - 2022. - V. 183. - Art. № 111653. - 9 p. doi: 10.1016/j.matchar.2021.111653.
  17. Paz Borbón, L.O.Computational studies of transition metal nanoalloys / L.O. Paz Borbón // Doctoral Thesis accepted by University of Birmingham, United Kingdom. - Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2011. - 155 p. doi: 10.1007/978-3-642-18012-5.
  18. Sdobnyakov, N.Yu. Simulation of phase transformations in titanium nanoalloy at different cooling rates / N.Yu. Sdobnyakov, V.S. Myasnichenko, C.-H. San et al. // Materials Chemistry and Physics. - 2019. - V. 238. - Art. № 121895. - 9 p. doi: 10.1016/j.matchemphys.2019.121895.
  19. Вересов, С.А. К вопросу изучения процессов структурообразования в четырехкомпонентных наночастицах / С.А. Вересов, К.Г. Савина, А.Д. Веселов и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2022. - Вып. 14. - С. 371-382. doi: 10.26456/pcascnn/2022.14.371.
  20. Сдобняков, Н.Ю. Комплексный подход к моделированию плавления и кристаллизации в пятикомпонентных металлических наночастицах: молекулярная динамика и метод Монте-Карло / Н.Ю. Сдобняков, А.Ю. Колосов, Д.Н. Соколов и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2023. - Вып. 15. - С. 589-601. doi: 10.26456/pcascnn/2023.15.589.
  21. Verlet, L.Computer "experiments" on classical fluids. I. Thermodynamical properties of Lennard-Jones molecules / L. Verlet // Physical Review. - 1967. - V. 159. - I. 1. - P. 98-103. doi: 10.1103/PhysRev.159.98.
  22. Nosé, S.A. Molecular dynamics method for simulations in the canonical ensemble / S.A. Nosé // Molecular Physics. - 1984. - V. 52. - I. 2. - Р. 255-268. doi: 10.1080/00268978400101201.
  23. Stukowski, A. Visualization and analysis of atomistic simulation data with OVITO - the open visualization tool / A. Stukowski // Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. - 2010. - V. 18. - I. 1. - P. 015012-1-015012-7. doi: 10.1088/0965-0393/18/1/015012.
  24. Suliz, K.V. Control of cluster coalescence during formation of bimetallic nanoparticles and nanoalloys obtained via electric explosion of two wires / K.V. Suliz, A.Yu. Kolosov, V.S. Myasnichenko et al. // Advanced Powder Technology. - 2022. - V. 33. - I. 3. - Art. № 103518. - 15 p. doi: 10.1016/j.apt.2022.103518.
  25. Ferrando, R. Quantum effects on the structure of pure and binary metallic nanoclusters / R. Ferrando, A.Fortunelli, G. Rossi // Physical Review B. - 2005. - V. 72. - I. 8. - P. 085449-1-085449-9. doi: 10.1103/PhysRevB.72.085449.

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).