ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКАЯ СВЯЗАННАЯ МОДЕЛЬ СИНТЕЗА ПОКРЫТИЯ НА ПОДЛОЖКЕ

Аннотация


Среди современных комбинированных лазерных и электронно-лучевых технологий особое место занимают те, в которых формирование состава происходит непосредственно в процессе создания изделия или синтеза покрытия. В настоящей работе построена связанная модель синтеза покрытия на подложке. При построении модели осуществлен последовательный переход от трехмерной модели процесса синтеза покрытия на подложке к одномерной, которая полезна для качественного анализа. Одномерная модель учитывает основные физические особенности, протекающие при синтезе композита на подложке, а также связанный характер теплопереноса и деформирования одновременно с учетом различия теплофизических и механических свойств разных материалов. При построении промежуточного аналитического решения принято, что система «подложка – покрытие» находится в плоском напряженном состоянии. В результате получены явные выражения для компонент тензоров напряжений и деформаций, связанных с изменением температуры и состава. С помощью полученного аналитического решения термокинетическая часть задачи модифицирована и приведена к более удобному виду. Далее использован опыт, накопленный в области макрокинетики, позволяющий подойти к моделированию процессов создания новых материалов (например, интерметаллидных или металломатричных композитов) в современных технологиях с точки зрения управления процессами фазообразования в зоне реакции подвижным внешним воздействием. При переходе к безразмерным переменным выявлены комплексы и параметры, представляющие собой отношения характерных масштабов разных процессов. Параметрическое исследование модели позволило установить интересные качественные эффекты. Продемонстрировано, что квазистационарный режим сопровождается физико-химическими процессами в области, которую покинул лазерный луч, благодаря накопившемуся в материалах теплу. Показано, что учет связанного характера разных процессов существенно влияет на динамику синтеза и параметры квазистационарного режима.

Полный текст

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.

Об авторах

А. Г. Князева

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН

Список литературы

  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.

Статистика

Просмотры

Аннотация - 116

PDF (Russian) - 62

Cited-By


PlumX


© Князева А.Г., 2024

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах