к.т.н., доцент кафедры естественнонаучных дисциплин им. профессора В.М. Финкеля
Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor of the Department of Natural Sciences named after Professor V.M. Finkel
д.т.н., профессор кафедры естественнонаучных дисциплин им. профессора В.М. Финкеля
Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Department of Natural Sciences named after Professor V.M. Finkel
к.т.н., старший научный сотрудник Управления научных исследований
Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher of the Department of Scientific Research
к.т.н., доцент кафедры теплоэнергетики и экологии
Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor of the Department. of Thermal Power Engineering and Ecology
студент Института педагогического образования
student
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 расплава AlCoCrFeNi носит 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 с той 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.
A model of convective mixing is proposed for processing high-entropy melts of AlCoCrFeNi and CuBiSnInPb systems with low-energy high-current electron beams, taking into account evaporation from the surface of materials. The model is based on the idea that processing with concentrated energy flows leads to the appearance of vortex patterns in the molten layer. The mechanism of their formation lies in the fact that the presence of a temperature gradient in the melted layer leads to the occurrence of thermocapillary convection. The convective flow model is based on the Navier-Stokes equations, heat transfer in liquid media and boundary conditions taking into account the outflow of evaporated material. The solution of these equations by the finite element method was carried out for two cases. In the first case, the dependence of thermophysical parameters on temperature was not taken into account, and in the second, this dependence was taken into account. It showed that in the first case in the AlCoCrFeNi melt at the heating stage, the melt flow is laminar. The instability of this flow is observed at the "melt/solid" boundary. The cooling stage is characterized by the formation of vortex flows. The formation of vortices occurs both at a distance close to the radius of the irradiation spot and in the central region. In the case of the CuBiSnInPb alloy, the same pattern is observed, with the only difference that the convective flow processes proceed faster due to lower values of surface tension and liquidus temperature compared to the previous case. In the second case, electron beam processing leads to the formation of a multi-vortex pattern, which, developing at the heating stage, captures all new areas of the material. At the cooling stage, the fusion of vortices and the formation of a stationary laminar flow is observed.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.