Численное моделирование формирования структуры и кристаллизации вспененного алюминия, модифицированного наноразмерными частицами

Обложка

Цитировать

Полный текст

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

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

Доступ закрыт

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

  1. Banhart J. Manufacturing Routes for Metallic Foams // JOM. 2000. V. 52 (12). P. 22–27.
  2. Banhart J. Manufacture, characterization and application of cellular metals and metal foams // Progress in Mater. Sci. 2001. No. 46. P. 559–632.
  3. 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.
  4. Bhosle V., Baburaj E.G., Miranova M., Salama K. Dehydrogenation of TiH2 // Mater. Eng. 2003. A356. P. 190–199.
  5. 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.
  6. 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.
  7. Сherepanov A.N., Manolov V.K. Application of Nanopowders in Casting Production // J. Mater. Sci. Eng. 2022. V. 11 (02). P. 1–9.
  8. Turnbul D. Theory of catalysis of nucleation by surface patches // Acta Metal. 1953. V. 1. Iss. 1. P. 8–14.
  9. Fletcher N.H. Size Effect in Heterogeneous Nucleation // J. Chem. Phys. 1958. V. 29. Iss. 3. P. 572–576.
  10. Chalmers B. Principles of Solidification. New York: Wiley, 1964. 288 p.
  11. Flemings M.C. Solidification Processing. New York: McGraw-Hill, 1974. 424 p.
  12. 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.
  13. 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.
  14. 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.
  15. 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.
  16. Попов В.Н. Численное исследование процессов зародышеобразования и кристаллизации в модифицированном расплаве // ФММ. 2022. Т. 123. № 5. С. 469–477.
  17. 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.
  18. 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.
  19. Shafi M.A., Flumerfelt R.W. Initial bubble growth in polymer foam processes // Chem. Eng. Sci. 1997. V. 52. Iss. 4. P. 627–633.
  20. 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.
  21. Turnbull D. Formation of Crystal Nuclei in Liquid Metals // J. App. Phys. 1950. V. 21. P. 1022–1028.
  22. 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).
  23. Колмогоров A.H. К статистической теории кристаллизации металлов // Изв. АН СССР. Сер. матем. 1937. T. 1. № 3. C. 355–359.
  24. Christian J.W. The Theory of Transformations in Metals and Alloys. Publisher: Pergamon, 2002. 1200 p.
  25. Sloane N.J.A. The Packing of Spheres // Scientific American. 1984. V. 250. No. 1. P. 116–125.
  26. Белецкий В.М., Кривов Г.А. Алюминиевые сплавы. (Состав, свойства, технология, применение). Киев: КОМИНТЕХ, 2005. 365 с.
  27. Зиновьев В.Е. Теплофизические свойства металлов при высоких температурах. М.: Металлургия, 1989. 384 с
  28. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972. 720 c.
  29. Hall E.O. The Deformation and Ageing of Mild Steel: III Discussion of Results // Proc. Phys. Soc. B. 1951. V. 64. P. 747–753.
  30. Petch N.J. The Cleavage Strength of Polycrystals // J. Iron and Steel Institute. 1953. V. 174. P. 25–28.
  31. 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
Скачать
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)
Метаданные
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)
Метаданные
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)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимость пористости Π от количества введенного в расплав порошка TiH2; l — эксперимент [17]; ™ — результаты расчетов.

Скачать (10KB)
Метаданные
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)
Метаданные
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)
Метаданные
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)
Метаданные