КОМБИНИРОВАННЫЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ НЕУСТОЙЧИВОСТИ И ИХ РОЛЬ В ОБРАЗОВАНИИ МИКРО- И НАНОСТРУКТУР МАТЕРИАЛОВ ПРИ ПЛАЗМЕННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ
DOI:
https://doi.org/10.57070/2304-4497-2023-1(43)-10-16Ключевые слова:
неустойчивость Кельвина-Гельмгольца, неустойчивость Рэлея-Тейлора, термокапиллярная неустойчивость, термоэлектрические явленияАннотация
Изучено формирование микро- и наноструктур в титановых сплавах, подвергнутых комбинированной обработке, которая включает воздействие гетерогенными плазменными потоками и последующую модификацию поверхностного слоя низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком. Установлено, что основным механизмом образования структурно-фазовых состояний микро- и наноразмерного диапазонов при воздействии плазменных потоков, созданных электрическим взрывом проводников, является совместное проявление на границе раздела сред неустойчивостей Кельвина-Гельмгольца и Рэлея-Тейлора. Показано, что максимум скорости роста возмущений при ускорении второго слоя (g = 5∙109 м/с2) и поперечной скорости 0 м/с приходится на длину волны (λm) 6,76 мкм. Если значение скорости второго слоя u0 =10 м/с, то λm = 6,23 мкм, а при u0 = 50 м/с ‒ λm = 1,24 мкм. Механизмом образования микро- и наноструктур при последующей электронно-пучковой обработке является комбинированная термо-, испарительно-, концентрационно-капиллярная и термоэлектрическая неустойчивость. Показано, что, если не учитывать влияние градиента концентрации, термоэлектрических и испарительных эффектов, максимальное значение скорости роста будет наблюдаться при длине волны 113 мкм. Учет термоэлектрических явлений приводит к снижению значения λm до 48 мкм. Установлено, что при значении термоэлектрического коэффициента γ = 0,1 В/К максимум скорости роста наблюдается при λm = 0,3 мкм.
Библиографические ссылки
Gao B., Hu L., Li S., Y.Hao, Y. Zhang, Tu G. Study on the nanostructure formation mechanism of hypereutectic Al–17.5 Si alloy induced by high current pulsed electron beam // Applied Surface Science. 2015. Vol. 346. P. 147‒157.
Lyu P., Peng T., Miao Y., Liu Z., Qi Gao, Zhang C., Jin Y., Guan Q., Cai J. Microstructure and properties of CoCrFeNiMo0.2 high-entropy alloy enhanced by high-current pulsed electron beam // Surf. & Coat. Tech. 2021. Vol. 410. Article 126911. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2021.126911
Cherenda N.N., Basalai A.V., Shymanski V.I. et al. Modification of Ti-6Al-4V alloy element и phase composition by compression plasma flows impаct // Surface и Coatings Technology. 2018. Vol. 355. P. 148‒154.
Javadi A., Solouk A., Haghbin Nazarpak M., Bagheri F. Surface engineering of titanium-based implants using electrospraying and dip coating methods // Materials Science and Engineering C. 2019. Vol. 99. P. 620‒630.
Shulov V.A., Gromov A.N., Teryaev D.A., Engel’ko V.I. Application of high-current pulsed electron beams for modifying the surface of gas-turbine engine blades // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2016. Vol. 57. P. 256‒265.
Fetzer R., Mueller G., An W., Weisenburger A. Metal surface layers after pulsed electron beam treatment // Surface and Coatings Technology. 2014. Vol. 258. P. 549–556.
Lu D., Gao B., Zhu G., Lv Jike, Hu L. Highcurrent pulsed electron treatment of hypoeutectic Al–10Si alloy // High
Temperature Materials and Processes. 2017. Vol. 36. P. 97‒100.
Panin V.E., Gromov V.E., Romanov D.A., Budovskikh E.A., Panin S.V. The physical basics of structure formation in
electroexplosive coatings // Doklady Physics. 2017. Vol. 62. P. 67‒70.
Romanov D.A., Gromov V.E., Glezer A.M., Panin S.V., Semin A.P. Structure of electro-explosion resistant coatings consisting of immiscible components // Materials Letters. 2017. Vol. 125. P. 25‒28.
Papadopoulos A., Skoulas E., Tsibidis G. D., Stratakis E. Formation of periodic surface structures on dielectrics after irradiation with laser beams of spatially variant polarisation: a comparative study // Applied Physics A:
Materials Science and Processing. 2018. Vol. 124. Article 146. https://doi.org/10.1007/s00339-018-1573-x
Хакен Г. Синергетика. Москва: Мир, 1990. 405 с.
Khachaturyan A.G. Theory of Structural Transformations in Solids. New York: Wiley, 1983. 574 p.
Nevskii S., Sarychev V., Konovalov S., Granovskii A., Gromov V. Wave instability on the interface coating/substrate material under heterogeneous plasma flows // Journal of Materials Research and Technology. 2020. Vol. 9 (1). P. 539‒550.
Математические модели формирования градиентных структур в материалах при воздействии концентрированных потоков энергии / В.Д. Сарычев, С.А. Невский, А.Ю. Грановский, В.Е. Громов. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2019. 120 с.
Shumlak U., Roderick N.F. Mitigation of the Rayleigh-Taylor instability by sheared axial flows // Phys. Plasmas. 1998. Vol. 5. P. 2384‒2389.
Olson B.J., Larsson J., Lele S.K., Cook A.W. Nonlinear effects in the combined Rayleigh-Taylor/Kelvin-Helmholtz instability // Physics of Fluids. 2011. Vol. 23. Article 114107.
Awasthi M.K. Effect of viscous pressure on Kelvin-Helmholtz instability through porous media // Journal of Porous Media. 2016. Vol. 19 (3). P. 205–218.
Joseph D.D., Funada T., Wang J. Potential flows of viscous and viscoelastic fluids. Cambridge: Cambridge Univ Press, 2007. 497 p.
Nevskii S., Sarychev V., Konovalov S., Granovskii A., Gromov V. Formation mechanism of micro- and nanocrystalline surface layers in titanium and aluminum alloys in electron beam irradiation // Metals. 2020. Vol. 10. No. 10. Article 1399.
Levchenko E.B., Chernyakov A.L. Instability of capillary waves in an inhomogeneously heated liquid under the influence of laser radiation // Fizika I Khimiya Obrabotki Materialov. 1983. No. 1. P. 129‒141.
Загрузки
Опубликован
Как цитировать
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2023 Cергей Андреевич Невский, Владимир Дмитриевич Сарычев, Виктор Евгеньевич Громов
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
