Модель диффузионной аннигиляции газонаполненных сферических пор в процессе горячего изостатического прессования

Обложка

Цитировать

Полный текст

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

Аннотация

Предложена диффузионная модель растворения газонаполненных сферических пор в твердом теле в процессе горячего изостатического прессования (ГИПа). Полагается, что при нагружении твердого тела внешним давлением поверхность пор испускает вакансии, в результате чего поры сокращаются в размере. Рассматриваются два специальных случая: поры с постоянным количеством нерастворимого газа и поры с газом, диффузионно растворяющемся в окружающем пору материале. В первом случае повышающееся внутреннее давление газа в поре сначала замедляет процесс сокращения поры и в итоге его полностью останавливает, когда внутреннее давление газа в поре становится равным сумме внешнеприложенного давления ГИПа и лапласова давления, обусловленного поверхностным натяжением поры. Во втором случае внутреннее давление газа в поре быстро понижается вследствие растворения газа в окружающем пору материале и поэтому сжатие поры не останавливается. При достижении субмикронного размера сжатие поры резко ускоряется под действием возрастающего лапласова давления и в итоге пора аннигилирует.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. И. Епишин

Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: a.epishin2021@gmail.com
Россия, Черноголовка

Д. С. Лисовенко

Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН

Email: lisovenk@ipmnet.ru
Россия, Москва

М. И. Алымов

Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова РАН

Email: a.epishin2021@gmail.com
Россия, Черноголовка

Список литературы

  1. Алымов М.И., Шустов В.С., Касимцев А.В., Жигунов В.В., Анкудинов А.Б., Зеленский В.А. Синтез нанопорошков карбида титана и изготовление пористых материалов на их основе // Российские нанотехнологи. 2011. Т. 6. № 1–2. С. 122–127.
  2. Гнедовец А.Г., Зеленский В.А., Анкудинов А.Б., Алымов М.И. Высокопористый никель с иерархической структурой, синтезированный в процессе спекания-испарения металлического нанопорошка и порообразователя // ДАН. 2019. Т. 484. № 4. С. 64–67. https://doi.org/10.31857/S0869-56524844436-440
  3. Jeon T.J., Hwang T.W., Yun, H.J. et. al. Control of porosity in parts produced by a direct laser melting process // Appl. Sci. 2018. V. 8. P. 2573. https://doi.org/10.3390/app8122573
  4. Galarraga H., Lados D.A., Dehoff R.R. et. al. Effects of the microstructure and porosity on properties of Ti-6Al-4V ELI alloy fabricated by electron beam melting (EBM) // Additive Manufacturing. 2016. V. 10. P. 47–57. https://doi.org/10.1016/j.addma.2016.02.003
  5. Епишин А.И., Алымов М.И. Определение объемной доли микропористости в монокристаллах никелевых жаропрочных сплавов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2022. Т. 88. № 11. С. 32–40. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2022-88-ll-32-40
  6. Fullagar K.P.L., Broomfield R.W., Hulands M. et. al. Aero engine test experience with CMSX-4® alloy single-crystal turbine blades // J. Eng. Gas Turbines Power. 1996. V. 118. P. 380–388. https://doi.org/10.1115/1.2816600
  7. Epishin A., Fedelich B., Link T. et. al. Pore annihilation in a single-crystal nickel-base superalloy during hot isostatic pressing: Experiment and modelling // Mater. Sci. Eng. A. 2013. V. 586. P. 342–349. https://doi.org/10.1016/j.msea.2013.08.034
  8. Epishin A.I., Link T., Fedelich B. et. al. Hot isostatic pressing of single-crystal nickel-base superalloys: Mechanism of pore closure and effect on mechanical properties // MATEC Web of Conf. 2014. V. 14. P. 08003. https://doi.org/10.1051/matecconf/20141408003
  9. Kosonen T., Kakko K., Raitanen N. Evaluation of pore re-opening after HIP in LPBF Ti–6Al–4V // Powder Metallurgy. 2021. V. 64. № 5. P. 425–433. https://doi.org/10.1080/00325899.2021.1928997
  10. Reed R.C., Cox D.C., Rae C.M.F. Damage accumulation during creep deformation of a single crystal superalloy at 1150°C // Mater. Sci. Eng. A. 2007. V. 448. № 1–2. P. 88–96. https://doi.org/10.1016/j.msea.2006.11.101
  11. Морозов Е.М., Алымов М.И. Разрушающее давление в микродефектах консолидированных материалов // Докл. РАН. Химия, науки о материалах. 2021. T. 501. № 1. С. 56–58. https://doi.org/10.31857/S2686953521060091
  12. Sofronis P., McMeeking R.M. Creep of power-law material containing spherical voids // J. Appl. Mech. V. 59. № 2S. P. S88–S95. https://doi.org/10.1115/1.2899512
  13. Левинский Ю.В. Поведение замкнутых пор на заключительной стадии спекания // Изв. вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2008. № 4. С. 36–55.
  14. Prasad M.R.G., Gao S., Vajragupta N., Hartmaier A. Influence of trapped gas on pore healing under hot isostatic pressing in nickel-base superalloys // Crystals. 2020. V. 10. P. 1147. https://doi.org/10.3390/cryst10121147
  15. Ruffini A., Bouar Y. Le, Finel A., Epishin A.I. et.al. Dislocations interacting with a pore in an elastically anisotropic single crystal nickel-base superalloy during hot isostatic pressing // Comp. Mater.s Sci. 2022. V. 204. P. 111118. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2021.111118
  16. Feldmann T., Fedelich B., Epishin A. Simulation of hot isostatic pressing in a single‐crystal ni base superalloy with the theory of continuously distributed dislocations combined with vacancy diffusion // Adv. Eng. Mater. 2022. V. 24. № 6. P. 2101341. https://doi.org/10.1002/adem.202101341
  17. Sakai T., Iwata M. On the final stage in pressure sintering process // Jpn. J. Appl. Phys. 1976. V. 15. № 3. P. 537–542. https://doi.org/10.1143/JJAP.15.537
  18. Wang H., Li Z. Diffusive shrinkage of a void within a grain of a stressed polycrystal // J. Mech. Phys. Solids. 2003. V. 51. № 5. P. 961–976. https://doi.org/10.1016/S0022-5096(02)00039-X
  19. Епишин А.И., Бокштейн Б.С., Светлов И.Л. и др. Вакансионная модель аннигиляции пор в процессе горячего изостатического прессования монокристаллов никелевых жаропрочных сплавов // Материаловедение. 2017. № 5. С. 3–12.
  20. Epishin A., Camin B., Hansen L. et. al. Refinement and experimental validation of a vacancy model of pore annihilation in single-crystal nickel-base superalloys during hot isostatic pressing // Adv. Engineering Mater. 2020. V. 23. № 7. P. 2100211. https://doi.org/10.2139/ssrn.3751560
  21. Compaan K., Haven Y. Correlation factors for diffusion in solids // Trans. Faraday Soc. 1956. V. 52. P. 786–801. http://doi.org/10.1039/TF9565200786
  22. Brillo J., Egry I. Surface tension of nickel, copper, iron and their binary alloys // J. Mater. Sci. 2004. V. 40. P. 2213–2216. https://doi.org/10.1007/s10853-005-1935-6
  23. Saaremaa E. The surface tension of solid nickel. University of British Columbia, 1957, 72 p. https://doi.org/10.14288/1.0081208
  24. Двайт Г.Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы. М.: Наука, 1973. 228 с.
  25. Harris K., Erickson G.L., Sikkenga S.L. et.al. Development of two rhenium- containing superalloys for single- crystal blade and directionally solidified vane applications in advanced turbine engines // JMEP. 1993. V. 2. № 4. P. 481–487. https://doi.org/10.1007/BF02661730
  26. Epishin A.I., Nolze G., Alymov M.I. Pore morphology in single crystals of a nickel-based superalloy after hot isostatic pressing // Metall. Mater. Trans. A. 2023. V. 54. № 1. P. 371–379. https://doi.org/10.1007/s11661-022-06893-x
  27. Engström A., Ågren J. Assessment of diffusional mobilities in face-centered cubic Ni-Cr-Al alloys // Z. Metallkd. 1996. V. 87. № 2. P. 92–97. https://doi.org/10.1515/ijmr-1996-870205
  28. Epishin A.I., Lisovenko D.S. Comparison of isothermal and adiabatic elasticity characteristics of the single crystal nickel-based superalloy CMSX-4 in the temperature range between room temperature and 1300 °C // Mech. Solids. 2023. V. 58. № 5. P. 1587–1598. https://doi.org/10.3103/S0025654423601301
  29. Brückner U., Epishin A., Link T. Local X-ray diffraction analysis of the structure of dendrites in single-crystal nickel-base superalloys // Acta Mater. 1997. V. 45. № 12. P. 5223–5231. https://doi.org/10.1016/S1359-6454(97)00163-8
  30. Krupp U., Christ H.-J. Internal nitridation of nickel-base alloys. Part I. Behavior of binary and ternary alloys of the Ni-Cr-Al-Ti system // Oxidation of Metals. 1999. V. 52. P. 277–298. https://doi.org/10.1023/A:1018843612011
  31. Wriedt H.A., Gonzalez O.D. The solubility of nitrogen in solid iron-nickel alloys near 1000 °C // Trans. AIME. 1961. V. 221. № 3. P. 532–535.
  32. Fromm E., Gebhardt E. Gase und Kohlenstoff in Metallen. Berlin: Springer-Verlag, 1976. 748 p.
  33. Park, J-W., Altstetter, C.J. The diffusion and solubility of oxygen in solid nickel // Metall. Trans. A. 1987. V. 18. P. 43–50. https://doi.org/10.1007/BF02646220
  34. Alcock C.B., Brown P.B. Physicochemical factors in the dissolution of thoria in solid nickel // Metal Science Journal. 1969. V. 3. № 1. P. 116–120. https://doi.org/10.1179/msc.1969.3.1.116
  35. Seybolt A.U. Dissertation, Yale University, New Haven, CT, 1936.
  36. Хансен М., Андерко К. Структуры двойных сплавов. Т. 1, 2. М.: Металлургиздат, 1962. 1488 c.
  37. David M., Prillieux A., Monceau D., Connétable D. First-principles study of the insertion and diffusion of interstitial atoms (H, C, N and O) in nickel // J. Alloys Compd. 2020. 822. P. 153555. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.153555
  38. Krupp U., Christ H.-J. Internal nitridation of nickel-base alloys. Part II. Behavior of quaternary Ni-Cr-Al-Ti alloys and computer-based description // Oxidation of Metals. 1999. V. 52. P. 299–320. https://doi.org/10.1023/A:1018895628849

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Вакансионная модель растворения газонаполненных пор при ГИПе: субзерно радиусом Rs с центральной сферической порой радиусом Rp, ограниченное малоугловой границей МУГ (LAB), состоящей из краевых дислокаций. На субзерно действует давление ГИПа pe, газ в поре находится под давлением pi . Вакансии и атомы газа диффундируют от поры к МУГ. (a) Вакуумная пора. (б) Пора, содержащая газ.

Скачать (160KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Изменение диметра поры Dp (a) и давления внутри поры pi (б) в процессе ГИПа (T = 1288 °C, pe = 103 MПa) при различном исходном давлении газа внутри поры pi,0 в никелевом сплаве. Исходный диаметр поры – 10 мкм. Цветные сплошные линии – численное решение дифференциального уравнения (2.16), черные штриховые – аналитическое решение (2.25) и (2.27). (в) Зависимость предельного диаметра Dp,min поры от pi,0.

Скачать (234KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Температурная зависимость растворимости O в твердом Ni. Данные Seybolt получены оцифровкой графика на рис. 6 из [33].

Скачать (101KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Кинетика эволюции вакуумных пор и пор с растворимыми в никеле газами (N и O) в процессе ГИПа при температуре T = 1288 °C и внешнем давлении pe = 103 МПа. Расчет с учетом растворения газа (кислород, азот) в окружающем пору металле. (a) Изменение давления газа в порах. (б) Изменение размера пор. Начальный диаметр пор – 10 мкм, начальное давление газа в газонаполненных порах – 7.5 МПа.

Скачать (103KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025