МОДЕЛЬ КОНВЕКТИВНОГО ТЕПЛОПЕРЕНОСА В ВЫСОКОЭНТРОПИЙНЫХ СПЛАВАХ ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ПУЧКОВОЙ ОБРАБОТКЕ

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.

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

2. 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

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

4. Shulov V.A., Gromov A.N., Teryaev D.A., Engel’ko V.I. Application of high-current pulsed electron beams for modifying the sur-face of gas-turbine engine blades. Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2016;57:256‒265.

5. http://dx.doi.org/10.3103/S1067821216030147

6. 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.

7. 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.

8. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.144453

9. 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.

10. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2021.126911

11. 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

12. 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

13. 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

14. 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

15. Yu T., Wang H., Han K., Zhang B. Micro-structure and wear behavior of AlCrTiNbMo high-entropy alloy coating prepared by elec-tron beam cladding on Ti600 substrate. Vacu-um. 2022;199:110928. http://dx.doi.org/10.1016/j.vacuum.2022.110928

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

17. 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 государственно-го университета. Скерия «Машинострое-ние». 2016;16(1):28‒55.

18. http://dx.doi.org/10.14529/engin160103

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

20. 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.

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

22. 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 sys-tem. Russian Journal of Physical Chemistry A. 2017;91(4):613–616.

23. Chikova O.A., Il'in V.Y., Tsepelev V.S., V'yukhin V.V. Viscosity of high-entropy melts in the Cu-Bi-Sn-In-Pb system. Inorgan-ic Materials. 2016;52(5):517–522.

24. 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

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

26. Samokhin A.A., Il’ichev N.N., Pivovarov P.A., Sidorin A.V. Laser vaporisation of ab-sorbing liquid under transparent cover. Bulle-tin of the Lebedev Physics Institute. 2016;43(5):156‒159.

27. http://dx.doi.org/10.3103/S106833561605002X

28. 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.

29. https://doi.org/10.1070/PU1985v028n12ABEH003986

30. Sarychev V.D., Granovskii A.Yu., Nevskii S.A., Konovalov S.V., Gromov V.E. Model of convection mass transfer in titanium alloy at low energy high current electron beam action. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2017;168(1):012031.

31. http://dx.doi.org/10.1088/1757-899X/168/1/012031

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