МОДЕЛЬ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛОПЕРЕНОСА В ВЫСОКОЭНТРОПИЙНЫХ СПЛАВАХ ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВОЙ ОБРАБОТКЕ

Авторы

  • Владимир Дмитриевич Сарычев Сибирский государственный индустриальный университет https://orcid.org/0000-0002-4861-0778
  • Сергей Андреевич Невский Сибирский государственный индустриальный университет https://orcid.org/0000-0001-7032-9029
  • Алексей Юрьевич Грановский Сибирский государственный индустриальный университет https://orcid.org/0009-0006-4583-8431
  • Людмила Петровна Бащенко Сибирский государственный индустриальный университет https://orcid.org/0000-0003-1878-909X
  • Диана Витальевна Шамсутдинова Сибирский государственный индустриальный университет

DOI:

https://doi.org/10.57070/2304-4497-2024-1(47)-19-34

Ключевые слова:

ермокапиллярная неустойчивость, конвективные течения, высокоэнтропийные сплавы, вихревой паттерн, испарение, метод конечных элементов

Аннотация

Предложена модель конвективного перемешивания при обработке низкоэнергетическими сильноточными электронными пучками высокоэнтропийных расплавов систем AlCoCrFeNi и CuBiSnInPb с учетом испарения с поверхности материалов. В основу модели положены представления, что обработка концентрированными потоками энергии приводит к возникновению в расплавленном слое вихревых паттернов. Механизм их образования заключается в том, что наличие градиента температур в расплавленном слое приводит к возникновению термокапиллярной конвекции. Основными уравнениями модели конвективного течения являются уравнения Навье-Стокса, теплопереноса в жидких средах и граничные условия с учетом оттока испарившегося материала. Решение этих уравнений методом конечных элементов проводилось для двух случаев. В первом случае не учитывалась зависимость теплофизических параметров от температуры, а во втором данная зависимость была учтена. В первом случае на стадии нагрева течение расплаваAlCoCrFeNiносит ламинарный характер. Неустойчивость течения наблюдается на границе расплав/твердое тело. Стадия остывания характеризуется образованием вихревых течений. Формирование вихрей происходит как на расстояниях, близких к радиусу пятна облучения, так и в центральной области. В случае сплава CuBiSnInPb наблюдается такая же картина стой лишь разницей, что процессы конвективного течения протекают быстрее из-за меньших значений поверхностного натяжения и температуры ликвидуса. Во втором случае электронно-пучковая обработка приводит к формированию многовихревого паттерна, который, развиваясь на стадии нагрева, захватывает все новые области материала. На стадии остывания наблюдается слияние вихрей и формирование стационарного ламинарного течения.
 

Биографии авторов

Владимир Дмитриевич Сарычев, Сибирский государственный индустриальный университет

к.т.н., доцент кафедры естественнонаучных дисциплин им. профессора В.М. Финкеля 

Сергей Андреевич Невский, Сибирский государственный индустриальный университет

д.т.н., профессор кафедры естественнонаучных дисциплин им. профес-сора В.М. Финкеля 

Алексей Юрьевич Грановский, Сибирский государственный индустриальный университет

к.т.н., старший научный сотрудник Управления научных исследований

Людмила Петровна Бащенко, Сибирский государственный индустриальный университет

к.т.н., доцент кафедры теплоэнергетики и экологии

Диана Витальевна Шамсутдинова, Сибирский государственный индустриальный университет

студент Института педагогического образования

Библиографические ссылки

Gao B., Hu L., Li S.-W., Hao Y., Zhang Y.-D., Tu G.-F. Study on the nanostructure formation mechanism of hypereutectic Al–17.5 Si alloy induced by high current pulsed electron beam. Applied Surface Science. 2015;346:147‒157. http://dx.doi.org/10.1016/j.apsusc.2015.04.029

Lu J., Song Z., Qin H., Huang H., Sui X., Weng Y., Mo Z., Wang K., Ren X.Surface nanocrystallization and mechanical properties of mold steel induced via scanning electron beam treatment. Vacuum. 2023;218:112634. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2023.112634

Fetzer R., Mueller G., An W., Weisenburger A. Metal surface layers after pulsed electron beam treatment. Surface and Coatings Technology. 2014;258:549–556. http://dx.doi.org/10.1016/j.surfcoat.2014.08.039

Shulov V.A., Gromov A.N., Teryaev D.A., En-gel’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;57:256‒265.http://dx.doi.org/10.3103/S1067821216030147

Марков А.Б., Мейснер Л.Л., Яковлев Е.В., Мейснер С.Н., Гудимова Е.Ю., Петров В.И. Кратерообразование на поверхности нержа-веющей стали и никелида титана, облучен-ных низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком: морфология и топо-графия. Известия вузов. Физика. 2015;58(9/3):173‒177. EDN:VGAAYD.

Lyu P., Chen Y.,Liu Z., Cai J., Zhang C., Jin Y., Guan Q., Zhao N. Surface modification of CrFeCoNiMo high entropy alloy induced by high-current pulsed electron beam. Applied Surface Science. 2020;504:144453.https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.144453

Lyu P., Peng T., Miao Y., Liu Z., Gao Q., Zhang C., Jin Y., Guan Q., Cai J. Microstruc-ture and properties of CoCrFeNiMo0.2 high-entropy alloy enhanced by high-current pulsed electron beam. Surface and Coatings Technol-ogy. 2021;410:126911.https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2021.126911

Shu C., Yao Z., Li X., Du W., Tao X., Yang H.Microstructure and wear mechanism of CoCrCuFeNiVx high entropy alloy by sinter-ing and electron beam remelting. Physica B: Condensed Matter.2022;638:413834. https://doi.org/10.1016/j.physb.2022.413834

Popov V.V., Katz-Demyanetz A., Koptyug A. Selective electron beam melting of Al0.5CrMoNbTa0.5 high entropy alloys using elemental powder blend. Heliyon.2019;5(2):e01188. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2019.e01188

Kuwabara K., Shiratori H., Fujieda T., Yama-naka K., Koizumi Y., A. Chiba. Mechanical and corrosion properties of AlCoCrFeNi high-entropy alloy fabricated with selective electron beam melting. Additive Manufacturing. 2018;23:264‒271. https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.06.006

Zhang M., Zhou X., Wang D., He L., Ye X., Zhang W. Additive manufacturing of in-situ strengthened dual-phase AlCoCuFeNi high-entropy alloy by selective electron beam melt-ing. Journal of Alloys and Compounds. 2022;893:162259. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.162259

Yu T., Wang H., Han K., Zhang B. Microstruc-ture and wear behavior of AlCrTiNbMo high-entropy alloy coating prepared by electron beam cladding on Ti600 substrate. Vacuum. 2022;199:110928. http://dx.doi.org/10.1016/j.vacuum.2022.110928

Cai J., Yao Y., Wei J., Guan Q., Lyu P., Ye Y., Li Y. Microstructure and transient oxidation behavior of NiCoCrAlYSiHf coatingmodified via high-current pulsed electron beam. Surface and Coatings Technology. 2021;422:127499. http://dx.doi.org/10.1016/j.surfcoat.2021.127499

Лейви А.Я., Талала К.А., Красников В.С., Яловец А.П. Модификация свойств кон-струкционных материалов интенсивными потоками заряженных частиц и плазмы. Вестник Южно-Уральского государствен-ного университета. Скерия «Машинострое-ние». 2016;16(1):28‒55.http://dx.doi.org/10.14529/engin160103

Лейви А.Я., Яловец А.П. Моделирование воздействия интенсивных плазменных по-токов на вещество. Челябинск: ИП Мяко-тин И.В., 2016:111.

Kuznetsov P.M., Feodorov V.A. Surface to-pology of Fe-Si alloy in the laser radiation ex-posure. Materials Physics and Mechanics. 2014;20:56‒61.

Lambert P. Surface Tension in Microsystems Engineering Below the Capillary Length. Hei-delberg: Springer.2013;327.

V'yukhin V.V., Chikova O.A., Tsepelev V.S. Surface tension of liquid high-entropy equiatomic alloys of a Cu–Sn–Bi–In–Pb system. RussianJournal of Physical Chemistry A. 2017;91(4):613–616.

Chikova O.A., Il'in V.Y., Tsepelev V.S., V'yu-khin V.V. Viscosity of high-entropy melts in the Cu-Bi-Sn-In-Pb system. Inorganic Materi-als. 2016;52(5):517–522.

Uporov S., Bykov V., Pryanichnikov S., Shubin A., Uporova N. Effect of synthesis route on structure and properties of AlCo-CrFeNi high-entropy alloy. Intermetallics.2017;83:1‒8. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2016.12.003

Rohila S., Mane R.B., Ummethala G., Panigra-hi B.B. Nearly full-density pressureless sinter-ing of AlCoCrFeNi-based high-entropy alloy powders. Journal of Materials Research. 2019;34:777–786. https://doi.org/10.1557/jmr.2019.9

Samokhin A.A., Il’ichev N.N., Pivovarov P.A., Sidorin A.V. Laser vaporisation of absorbing liquid under transparent cover. Bulletin of the Lebedev Physics Institute. 2016;43(5):156‒159. http://dx.doi.org/10.3103/S106833561605002X

Akhmanov S.A.,Emel’yanov V.I., Koroteev N.I.,Seminogov V.N. Interaction of powerful laser radiation with the surfaces of semiconductors and metals: nonlinear optical effects and non-linear optical diagnostics. Soviet Physics Uspekhi. 1985;28:1084‒1124.https://doi.org/10.1070/PU1985v028n12ABEH003986

Sarychev V.D., Granovskii A.Yu., Nevskii S.A., Konovalov S.V., Gromov V.E. Model of con-vection mass transfer in titanium alloy at low energy high current electron beam action. IOP Conference Series: Materials Science and En-gineering. 2017;168(1):012031.http://dx.doi.org/10.1088/1757-899X/168/1/012031

Debroy T. Welding in Digital Age. Welding Journal. 2015;94(4):58–64.

Загрузки

Опубликован

25.03.2024

Как цитировать

Сарычев, В. Д. ., Невский, С. А. ., Грановский, А. Ю. ., Бащенко, Л. П. ., & Шамсутдинова, Д. В. . (2024). МОДЕЛЬ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛОПЕРЕНОСА В ВЫСОКОЭНТРОПИЙНЫХ СПЛАВАХ ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВОЙ ОБРАБОТКЕ. Вестник Сибирского государственного индустриального университета, 1(1), 19–34. https://doi.org/10.57070/2304-4497-2024-1(47)-19-34

Выпуск

Раздел

Физика конденсированного состояния

Наиболее читаемые статьи этого автора (авторов)