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 Доступ платный или 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