THERMOMECHANICAL COUPLED MODEL OF COATING SYNTHESIS ON A SUBSTRATE

Abstract


Among modern combined laser and electron-beam technologies, special attention is paid to those in which composition formation takes place directly in the process of product creation or coating synthesis. In the present work, a coupled model of coating synthesis on a substrate is constructed. When building the model, a sequential transition was carried out from a three-dimensional model of the coating synthesis process on the substrate to a one-dimensional model, which is useful for qualitative analysis. The one-dimensional model takes into account the main physical features of the physical and chemical processes during the synthesis, as well as the coupled nature of the heat transfer and deformation at the same time taking into account the differences in thermophysical and mechanical properties of different materials. When constructing the intermediate analytical solution, it is assumed that the system "substrate-coating" is in a plane stress state. As a result, explicit expressions for the components of stress and strain tensors connected with changes in temperature and composition are obtained. With the help of the obtained analytical solution, the thermokinetic part of the problem is modified and reduced to a more convenient form. Further, the experience accumulated in the field of macrokinetics is used, which allows us to model the processes of creating new materials (e.g., intermetallic or metal matrix composites) in modern technologies from the point of view of controlling the processes of phase formation in the reaction zone by a moving external source. The transition to dimensionless variables revealed complexes and parameters representing relations of characteristic scales of different processes. The parametric study of the model allowed us to establish interesting qualitative effects. It is demonstrated that the quasi-stationary regime is accompanied by physical and chemical processes in the region, which the laser beam had left, due to the heat accumulated in the materials. It is shown that the coupled nature of different processes significantly affects the dynamics of synthesis and the parameters of the quasi-stationary regime.

Full Text

Среди современных комбинированных лазерных и электронно-лучевых технологий [1–6] особое место занимают те, в которых формирование состава происходит непосредственно в процессе создания изделия или синтеза покрытия [7–10]. «Предсказание» изменения состава на основе равновесной термодинамики или по расчетам поля температуры не учитывает особенностей технологий и взаимовлияния процессов разной физической природы, даже если при этом используются современные методы [11–15], требующие много информации о свойствах (точность определения которых невелика) и содержащие множество параметров с нечетко определенным смыслом. Исследование взаимосвязи «процесс – структура – свойства» на основе моделей разного уровня детальности [16–19] и остаточных напряжений [20–22] в большинстве работ основано на последовательном подходе к моделированию процессов разной природы: при моделировании формирования структуры и напряжений используются данные, полученные при решении теплофизических задач? – поля температуры, типичные термические циклы и др. Влияние изменяющихся в динамике структуры и состава на свойства, температуру и сопутствующие напряжения анализируется редко. В работах типа [23; 24] формирование структуры при аддитивном производстве связывается с термогидродинамическими процессами в ванне расплава. Независимо рассчитанную динамику поля температуры в [25; 26] используют для прогнозирования эволюции зеренной структуры. Авторы [27] в трехмерной термомеханической модели учитывают вклад мартенситного превращения в полный тензор деформаций, а также зависимость свойств материала от температуры и истории изменения фазового состояния. Остаточные напряжения для однопроходной и многопроходной наплавки авторы [28] рассчитывали на основе решения задачи теплопроводности и геометрической модели наплавленного объекта. Термодинамически обоснованная взаимообусловленность процессов разной физической природы в подобных исследованиях не анализируется. К моделированию процессов создания новых материалов (например, интерметаллидных или металломатричных композитов) в лазерных и электронно-лучевых технологиях можно подойти с точки зрения управления процессами фазообразования в зоне реакции подвижным внешним воздействием. Для этого потребуется опыт, накопленный в области теории горения и взрыва [29] и в области моделирования химико-технологических процессов [30]. Модели лазерной термохимии [31; 32] также полезны для анализа качественных эффектов. В литературе имеются работы, применимые к анализу управления физико-химическими процессами лазерным воздействием и основанные на классических подходах. Например, в [33] найдены стационарные решения одномерной модели распространения фронта экзотермической реакции при дополнительном нагреве лазерным источником тепла. Авторы указывают, что несамостоятельные устойчивые режимы распространения фронта возможны не только при больших, но и при малых скоростях движения лазера. В статье [34] анализируется возможность управления реакциями в проточном реакторе за счет селективного действия лазерного излучения. Инициирование реакций самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) в бинарных порошковых смесях импульсом лазерного излучения обсуждается в [35], где предлагается единый механизм, включающий формирование очага реакции. Газолазерная резка, которая сопровождается экзотермической реакцией окисления, анализируется в [36] подобно диффузионным режимам горения. Модель управления реакциями СВС подвижным лазерным источником в приближении суммарной твердофазной реакции предложена в [37]. Пожалуй, это – одна из первых работ, где речь идет о моделировании создания изделий в комбинированной технологии селективного лазерного спекания, совмещенной с СВС. В связанных моделях [38–40] классические подходы позволяют отказаться от учета деталей [41], роль которых оказывается незначительной для выявления качественных эффектов, и выявить безразмерные комплексы и критерии, которые могут быть полезными для обработки эксперимента и оптимизации технологий. Цель настоящей работы состоит в построении одномерной связанной модели синтеза покрытия на подложке, параметрическое исследование которой позволит выявить наиболее интересные качественные эффекты.

About the authors

A. G. Knyazeva

Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS

References

  1. Belka, M. Additive manufacturing and related technologies e The source of chemically active materials in separation science / M. Belka, T. Baczek // Trends in Analytical Chemistry. – 2021. – Vol. 142. – P. 116322. doi: 10.1016/j.trac.2021.116322
  2. Additive manufacturing hybrid processes for composites systems / A.T. Marques, S. Esteves, J.P.T. Pereira, L.M. Oliveira. – Eds. Springer Nature Switzerland. – 2020 – 329 p. doi: 10.1007/978-3-030-44522-5
  3. Bandyopadhyay, A. Additive manufacturing of multi-material structures / A. Bandyopadhyay, B. Heer // Materials Science Engineering R. – 2018. – Vol. 129. – P. 1–16. doi: 10.1016/j.mser.2018.04.001
  4. Laser powder bed fusion: a state-of-the-art review of the technology, materials, properties defects, and numerical modeling / S. Chowdhury, N. Yadaiah, Ch. Prakash, S. Ramakrishna, S. Dixit, L.R. Gupta, D. Buddhi // Journal of materials research and technology. – 2022. – Vol. 20. – P. 2109–2172. doi: 10.1016/j.jmrt.2022.07.121
  5. Ladani, L. Review of powder bed fusion additive manufacturing for metals / L. Ladani, M. Sadeghilaridjani // Metals. – 2021. – Vol. 11. – P. 1391. doi: 10.3390/met11091391
  6. Научные подходы к микро-, мезои макроструктурному дизайну объемных металлических и полиметаллических материалов с использованием метода электронно-лучевого аддитивного производства / Е.А. Колубаев, В.Е. Рубцов, А.В. Чумаевский, Е.Г. Астафурова // Физ. мезомех. – 2022. – Т. 25, № 4. – С. 5–18
  7. In-situ reactive synthesis and characterization of a high entropy alloy coating by laser metal deposition / M. Dada, P. Popoola, N. Mathe, S. Pityana, S. Adeosun // International Journal of Lightweight Materials and Manufacture. – 2022. – No. 5. – P. 11–19. doi: 10.1016/j.ijlmm.2021.09.002
  8. Selective laser melting to manufacture “In Situ” metal matrix composites: a review / S. Dadbakhsh, R. Mertens, L. Hao, J. Van Humbeeck, J.-P. Kruth // Adv. Eng. Mater. – 2019. – Vol. 21. – P. 1801244. doi: 10.1002/adem.201801244
  9. Formation of metal matrix composite reinforced with Nano sized Al2O3+Ni–Al intermetallics during coating of Al substrate via combustion synthesis / E.B. Motlagh, H. Nasiri, J.V. Khaki, M.H. Sabzevar // Surface Coatings Technology. – 2011. – Vol. 205. – P. 5515–5520. doi: 10.1016/j.surfcoat.2011.06.026
  10. Refined microstructure and ultrahigh mechanical strength of (TiN + TiB)/Ti composites in situ synthesized via laser powder bed fusion / B. Li, Ch. Han, P. Vivegananthan, D.R. Kripalani, Yu. Tian, P.J. Da Silva Bartolo, K. Zhou // Additive Manufacturing Letters. – 2022. – Vol. 3. – P. 100082. doi: 10.1016/j.addlet.2022.100082
  11. Hybrid modeling approach for melt-pool prediction in laser powder bed fusion additive manufacturing / T. Moges, Zh. Yang, K. Jones, Sh. Feng, P. Witherell, Ya. Lu // J. Comput. Inf. Sci. Eng. – 2021. – Vol. 21, no. 5. – P. 050902 (13 pages). doi: 10.1115/1.4050044
  12. Hybrid modeling of melt pool geometry in additive manufacturing using neural networks / K. Jones, Z. Yang, H. Yeung, P. Witherell, Y. Lu // Proceedings of the ASME 2021 International Design Engineering Technical Conferences Computers and Information in Engineering Conference, Vitual, MD, US. – 2011.
  13. A review of predictive nonlinear theories for multiscale modeling of heterogeneous materials / K. Matouš, M.G.D. Geers, V.G. Kouznetsova, A. Gillman // Journal of Computational Physics. 2017. – Vol. 330. – P. 192–220. doi: 10.1016/j.jcp.2016.10.070
  14. Yang, M. Phase-field modeling of grain evolutions in additive manufacturing from nucleation, growth, to coarsening / M. Yang, Lu Wang, W. Yan // npj Computational Materials. – 2021. – Vol. 56, no. 7 doi: 10.1038/s41524-021-00524-6
  15. Yang, M. Phase-field modeling of grain evolution in additive manufacturing with addition of reinforcing particles / M. Yang, Lu Wang, W. Yan // Additive Manufacturing. – 2021. – Vol. 47. – P. 102286. doi: 10.1016/j.addma.2021.102286
  16. Simulation of laser additive manufacturing: heat transfer, microstructure evolutions and mechanical properties. Coatings / Zh. Zhang, Yi. Wang, P. Ge, T. Wu // 2022. – Vol. 12. – P. 1277. doi: 10.3390/coatings12091277
  17. Simulations of microstructure coupling with moving molten pool by selective laser melting using a cellular automaton / Xi. Ao, Hu. Xia, Ji. Liu, Qi. He // Materials Design. – 2020. – Vol. 185. – P. 108230. doi: 10.1016/j.matdes.2019.108230
  18. Process-structure-properties-performance modeling for selective laser melting / T. Pinoma, I. Yashchuk, M. Lindroos, T. Andersson, N. Provatas, A. Laukkanen // Metals 2019. – Vol. 9. – P. 1138. doi: 10.3390/met9111138
  19. Modeling process-structure-property relationships in metal additive manufacturing: a review on physics-driven versus data-driven approaches / N. Kouraytem, Xu. Li, W. Tan, B. Kappes, A.D. Spear // J. Phys. Mater. – 2021. – Vol. 4. – P. 032002. doi: 10.1088/2515-7639/abca7b
  20. Waqar, S. Evolution of residual stress behavior in selective laser melting (SLM) of 316L stainless steel through preheating and in-situ re-scanning techniques / S. Waqar, K. Guo, J. Sun // Optics Laser Technology. – 2022. – Vol. 149. – P. 107806. doi: 10.1016/j.optlastec.2021.107806
  21. Thermo-mechanical modeling of thermal stress during multi-cycle intense pulsed light sintering of thick conductive wires on 3D printed dark substrate / X. La, M. Lei, Qu. Mu, K. Ren // Results in Physics. – 2023. – Vol. 44. – P. 106192. doi: 10.1016/j.rinp.2022.106192
  22. Modeling temperature and residual stress fields in selective laser melting / Y. Li, K. Zhou, P. Tan, S.B. Tor, Ch.K. Chua, K.F. Leong // International Journal of Mechanical Sciences. – 2018. – Vol. 136. – P. 24–35. doi: 10.1016/j.ijmecsci.2017.12.001
  23. Sun, Z. Multiphase mesoscopic simulation of multiple and functionally gradient materials laser powder bed fusion additive manufacturing processes / Z. Sun, Yu.-H. Chueh, L. Li // Additive Manufacturing. – 2020. – Vol. 35. – P. 101448. doi: 10.1016/j.addma.2020.101448
  24. Numerical modeling of melt-pool behavior in selective laser melting with random powder distribution and experimental validation / Y.C. Wu, C.H. San, C.H. Chang, H.J. Lin, R. Marwan, S. Baba [et al.] // J. Mater. Process. Technol. – 2018. – Vol. 254. – P. 72–78. doi: 10.1016/j.jmatprotec.2017.11.032
  25. Krivilyov, M.D. Phase-field model of interface migration and powder consolidation in additive manufacturing of metals / M.D. Krivilyov, S.Dj. Mesarovic, D.P. Sekulic // J. Mater. Sci. – 2017. – Vol. 52, no. 8. – P. 4155–4163. doi: 10.1007/s10853-016-0311-z
  26. Zinoviev, A.O. Three-dimensional modeling of the microstructure evolution during metal additive manufacturing / A.O. Zinoviev, A. Zinoviev, V. Ploshikhin // Comput. Mater. Sci. – 2018. – Vol. 141. – P. 207–220. doi: 10.1016/j.commatsci.2017.09.018
  27. The effects of solid-state phase transformation upon stress evolution in laser metal powder deposition / J.X. Fang, S.Y. Dong, Y.J. Wang, B.S. Xu, Z.H. Zhang, D. Xia, P. He // Materials and Design. – 2015. – Vol. 87. – P. 807–814. doi: 10.1016/j.matdes.2015.08.061
  28. Numerical simulations of temperature and stress field of Fe-Mn-Si-Cr-Ni shape memory alloy coating synthesized by laser cladding / Qi Zhang, P. Xu, G. Zha, Z. Ouyang, D. He // Optik – International Journal for Light and Electron Optics. – 2012. – Vol. 242. – P. 167079. doi: 10.1016/j.ijleo.2021.167079
  29. Рогачев, А.С. Горение для синтеза материалов / А.С. Рогачев, А.С. Мукасьян. – М.: Физматлит, 2012. – 400 c.
  30. Романков, П.Г. Массообменные процессы в химической технологии (системы с твердой фазой) / П.Г. Романков, Н.Б. Рашковская, В.Ф. Фролов. – Л.: Химия, 1975. – 336 с.
  31. Карлов, Н.В. Лазерная термохимия. Основы и применения / Н.В. Карлов, Н.А. Кириченко, Б.С. Лукьянчук. – М.: Изд-во ЦентрКом, 1995 – 368 c.
  32. Карлов, Н.В. Макроскопическая кинетика термохимических процессов при лазерном нагреве: состояние и перспективы / Н.В. Карлов, Н.А. Кириченко, Б.С. Лукьянчук // Успехи химии. – 1993. – Т. 62. – С. 223–248.
  33. Иванов, О.П. О различных режимах несамостоятельного распространения фронта экзотермической реакции в конденсированной среде / О.П. Иванов, А.Л. Черняков // Квантовая электроника. – 1986. – Т. 13, № 11. – С. 2286–2293
  34. Бухарбаева, А.С. Об устойчивости стационарных режимов гомогенного горения при селективном воздействии лазерного излучения / А.С. Бухарбаева, П.Г. Ицкова, А.Т. Лукьянов // Физ.гор. и взр. – 1987. – № 3. – С. 26–31.
  35. Инициирование реакций СВС импульсным излучением лазера / И.И. Короткевич, Г.В. Хильченко, Г.П. Полунина, Л.М. Видавский // Физ.гор. и взр. – 1980. – № 5. – С. 61–67.
  36. Быстрова, Т.В. Элементы теории горения в газолазерной резке металлов (ГЛР) / Т.В. Быстрова, В.Б. Либрович, В.И. Лисицын // Физ. гор. и взр. – 1973. – № 5. – С. 725–732.
  37. Modelling of the thermal processes that occur during laser sintering of reacting powder compositions / S.E. Zakiev, L.P. Kholpanov, I.V. Shishkovsky, I.P. Parkin, M.V. Kuznetsov, V.G. Morozov // Appl. Phys. A. – 2006. – Vol. 84. – P. 123–129. doi: 10.1007/s00339-006-3586-0
  38. Kryukova, O.N. The coupled model for surface modification of titanium nickelide / O.N. Kryukova, A.G. Knyazeva // Lobachevskii Journal of Mathematics. – 2023. – Vol. 44, no. 6. – P. 2317–2325. doi: 10.1134/S1995080223060483
  39. Knyazeva, A.G. A Coupled model of controlled synthesis, of a composite on a substrate / A.G. Knyazeva, O.N. Kryukova // Lobachevskii Journal of Mathematics. – 2022. – Vol. 43, no. 7. – P. 1878–1893. doi: 10.1134/S1995080222100183
  40. Evstigneev, N.K. Interrelations between heat and mechanical processes during solid phase chemical conversion under loading / N.K. Evstigneev, A.G. Knyazeva // Procedia Computer Science. – 2010. – Vol. 1, iss. 1. – P. 2613–2622. doi: 10.1016/j.procs.2010.04.295
  41. Nandhakumar, R. A process parameters review on selective laser melting-based additive manufacturing of single and multimaterial: Microstructure, physical properties, tribological, and surface roughness / R. Nandhakumar, K. Venkatesan // Materials Today Communications. – 2023. – Vol. 35. – P. 105538. doi: 10.1016/j.mtcomm.2023.105538
  42. Investigation of heat source modeling for selective laser melting / H. Wessels, T. Bode, C. Weißenfels, P. Wriggers, T.I. Zohdi // Computational Mechanics. – 2019. – Vol. 63. – P. 949– 970. doi: 10.1007/s00466-018-1631-4
  43. Heat source modeling in selective laser melting / E. Mirkoohi, D.E. Seivers, H. Garmestani, S.Y. Liang // Materials. – 2019. – Vol. 12. – P. 2052. – 18 p. doi: 10.3390/ma12132052
  44. On the importance of heat source model determination for numerical modeling of selective laser melting of IN625 / B. Li, J. Du, Yu. Sun, S. Zhang, Q. Zhang // Optics Laser Technology. – 2023.– Vol. 158, part A. – P. 108806. doi: 10.1016/j.optlastec. 2022.108806
  45. Cooka, P.S. Simulation of melt pool behaviour during additive manufacturing: Underlying physics and progress / P.S. Cooka, A.B. Murphy // Additive Manufacturing. – 2020. – Vol. 31. – P. 100909. doi: 10.1016/j.addma.2019.100909
  46. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов: справочник / Н.Н. Рыкалин, А.А. Углов, И.В. Зуев, А.Н. Кокора. – М.: Машиностроение, 1985. – 495 c.
  47. Electron beam assisted deposition of Ni-Al coating synthesis on the steel substrate controlled by electron beam heating / A.A. Bakinovskiy, A.G. Knyazeva, M.G. Krinitcyn, O.N. Kryukova, I.L. Pobol, V.V. Fedorov, Ja. Rajczyk // Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. – 2019 – Vol. 28, no. 4. – P. 245–255. doi: 10.3103/S1061386219040034
  48. Knyazeva, A. Modeling Ti-Al-C-composite synthesis on a substrate under control of electron beam / A. Knyazeva, O. Kryukova // J. Cryst. Growth. – 2020. – Vol. 531. – P. 125349. doi: 10.1016/j.jcrysgro.2019.125349
  49. Knyazeva, A.G. he synthesis of composites with reinforcing particles on a thin substrate / A.G. Knyazeva, O.N. Kryukova // Mater. Phys.Mech. – 2021. – Vol. 47. – P. 254–265.
  50. Князева, А.Г. Влияние условий закрепления образца на скорость его нагрева / А.Г. Князева // Физ. гор. и взр. – 2000. – Т. 36, № 5. – С. 35–44.
  51. Knyazeva, A.G. The effect of chemically induced stresses and deformations on the ignition of solid propellants / A.G. Knyazeva, V.E. Zarko // Int J of Energetic Materials Chem Prop. – 2001. – Vol. 4. – P.762–773.
  52. Knyazeva, A.G. A coupled model of composite synthesis in combustion regime / A.G. Knyazeva, N.V. Bukrina // Combustion Theory and Modelling. – 2022. – Vol. 26, iss. 1. – P. 152–178. doi: 10.1080/13647830.2021.1996634
  53. Shishkovsky, I.V. 11 – Laser-controlled intermetallics synthesis during surface cladding– in Woodhead Publishing Series in Electronic and Optical Materials, Laser Surface Engineering (J. Lawrence, D.G. Waugh – Eds) / I.V. Shishkovsky // Woodhead Publishing. – 2015. – P. 237–286. doi: 10.1016/B978-1-78242074-3.00011-8
  54. Knyazeva, A. Modes of adhesive bonding layer formation during roll motion in the process of laminated object creation / A. Knyazeva, N. Travitzky // High Temperature Material Processes: An International Quarterly of High-Technology Plasma Processes. – 2023. – Vol. 27, no 1. – P. 67–96. doi: 10.1615/HighTempMatProc.2022044916
  55. Демидов, В.Н. Расчет термических режимов электронно-лучевой обработки поверхностей деталей, имеющих форму фигур вращения / В.Н.Демидов, А.Г. Князева // Физическая мезомеханика. – 2004. – Vol. 7. – Спецвып., ч. 1. – С. 54–57.

Statistics

Views

Abstract - 96

PDF (Russian) - 52

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2024 Knyazeva A.G.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies