Моделирование модифицирования поверхностного слоя металла наночастицами при импульсном индукционном нагреве

Исследована возможность применения высокочастотного электромагнитного поля для нагрева и плавления металла в целях его последующего модифицирования. Проведено численное моделирование процессов при модифицировании поверхностного слоя металла в подложке. Поверхность подложки покрыта слоем специально подготовленных наноразмерных тугоплавких частиц, которые после проникания в расплав служат активными центрами кристаллизации. С помощью предлагаемой математической модели, описывающей термо- и гидродинамические явления, рассмотрены процессы, включающие в себя нагрев металла, его плавление, конвективный теплоперенос в расплаве и затвердевание после окончания импульса. Распределение электромагнитной энергии в металле описано эмпирическими формулами. Плавление металла рассмотрено в приближении Стефана, а при затвердевании предположено, что все наночастицы являются центрами объемно-последовательной кристаллизации. Течение жидкости описано уравнениями Навье — Стокса в приближении Буссинеска. Распределение наночастиц в расплаве смоделировано перемещением маркеров. По результатам численных экспериментов оценена структура течения в расплаве в зависимости от количества поверхностно-активной примеси в металле. Определены режимы импульсного индукционного воздействия, способствующие формированию течений для гомогенного распределения частиц модифицирующего вещества. Установлено, что применение импульсов высокочастотного электромагнитного поля для нагрева и плавления металла позволяет модифицировать металл глубже, чем при использовании лазера. Рассмотрены характеристики объемной и последовательной кристаллизации, а также роста твердой фазы. Получены оценки размеров двуфазной зоны и зоны метастабильного состояния, когда доля кристаллической фазы возрастает очень медленно и практически близка нулю

Литература

[1] Плазмохимический синтез ультрадисперсных порошков и их применение для модифицирования металлов и сплавов / В.П. Сабуров, А.Н. Черепанов, М.Ф. Жуков и др. Новосибирск: Наука, 1995. 339 с.

[2] Черепанов А.Н., Попов В.Н. Оценка влияния модификации наноразмерными тугоплавкими частицами жаропрочного сплава // Вестник НГУ. Серия: Физика. 2015. Т. 10. № 3. С. 97–102.

[3] Surface treatments by laser technology / M.A. Montealegre, G. Castro, P. Rey, J.L. Arias, P. Vazquez, M. Gonzalez // Contemporary Materials. 2001. No. 1. P. 19–30.

[4] Марусин М.В., Щукин В.Г., Марусин В.В. Поверхностное легирование углеродистой стали медью при высокоэнергетической индукционной обработке // Физика и химия обработки материалов. 2010. № 5. С. 67–70.

[5] Марусин В.В. Высокочастотная импульсная закалка (ВИЗ) деталей // Обработка металлов. 2004. № 2. С. 14–15.

[6] Солоненко О.П., Черепанов А.Н., Марусин В.В., Полубояров В.А. Комбинированные технологии получения перспективных порошковых материалов, нанесения покрытий и упрочнения поверхностных слоев с регулируемой нано- и микроструктурой // Тяжелое машиностроение. 2007. № 10. С. 10–13.

[7] Веденов А.А., Гладуш Г.Г. Физические процессы при лазерной обработке материалов. М.: Энергоатомиздат, 1985. 208 с.

[8] He X., Fuerschbach P.W., DebRoy T. Heat transfer and fluid flow during laser spot welding of 304 stainless steel // Journal of Physics D: Applied Physics. 2003. Vol. 36. No. 12. P. 1388–1398. DOI: 10.1088/0022-3727/36/12/306

[9] Seyhan I., Egry I. The surface tension of undercooled binary iron and nickel alloys and the effect of oxygen on the surface tension of Fe and Ni // International Journal of Thermophysics. 1999. Vol. 20. Iss. 4. P. 1017–1028. DOI: 10.1023/A:1022638400507

[10] Ribic B., Tsukamoto S., Rai R., DebRoy T. Role of surface active elements during keyhole mode laser welding // Journal of Physics D: Applied Physics. 2011. Vol. 44. No. 48. P. 5753–5766. DOI: 10.1088/0022-3727/44/48/485203

[11] Черепанов А.Н., Попов В.Н. Численный анализ влияния поверхностно-активного вещества в расплаве на распределение модифицирующих частиц и кристаллизацию при обработке поверхности металла лазерным импульсом // Теплофизика и аэромеханика. 2014. Т. 21. № 3. C. 373–381.

[12] Donghua Dai, Dongdong Gu. Influence of thermodynamics within molten pool on migration and distribution state of reinforcement during selective laser melting of AlN/AlSi10Mg composites // International Journal of Machine Tools & Manufacture. 2016. Vol. 100. P. 14–24. DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2015.10.004

[13] Sahoo P., DebRoy T., McNallan M.J. Surface tension of binary metal−surface active solute systems under conditions relevant to welding metallurgy // Metallurgical Transactions B. 1988. Vol. 19. Iss. 3. P. 483–491. DOI: 10.1007/BF02657748

[14] Ehlen G., Ludwig A., Sahm P.R. Simulation of time-dependent pool shape during laser spot welding: Transient effects // Metallurgical and Materials Transactions A. 2003. Vol. 34. Iss. 12. P. 2947–2961. DOI: 10.1007/s11661-003-0194-x

[15] Павлов Н.А. Инженерные тепловые расчеты индукционных нагревателей. М.: Энергия, 1978. 120 с.

[16] Будак Б.М., Соловьева Е.Н., Успенский А.Б. Разностный метод со сглаживанием коэффициентов для решения задач Стефана // Ж. вычисл. матем. и матем. физ. 1965. Т. 5. № 5. С. 828–840.

[17] Marangoni convection during free electron laser nitriding of titanium / D. Hoche, S. Muller, G. Rapin, et аl. // Metallurgical and Materials Transactions B. 2009. Vol. 40. Iss. 4. P. 497–507. DOI: 10.1007/s11663-009-9243-1

[18] Баландин Г.Ф. Основы теории формирования отливки. Ч. 1. Тепловые основы теории. Затвердевание и охлаждение отливки. М.: Машиностроение, 1979. 335 с.

[19] Harlow F.H., Welch J.E. Numerical calculation of time-depend viscous incompressible flow of fluid with free surface // Physics of Fluids. 1965. Vol. 8. Iss. 12. P. 2182–2189. DOI: 10.1063/1.1761178

[20] Patankar S.V., Spalding D.B. A calculation procedure for heat, mass and momentum transfer in three-dimensional parabolic flows // International Journal of Heat and Mass Transfer. 1972. Vol. 15. Iss. 10. P. 1787–1806. DOI: 10.1016/0017-9310(72)90054-3

[21] Chorin A.J. A numerical method for solving incompressible viscous flow problems // Journal of Computational Physics. 1997. Vol. 135. Iss. 2. P. 118–125. DOI: 10.1006/jcph.1997.5716