Численное моделирование кристаллизации модифицированной металлической капли при растекании на подложке

Проведено численное моделирование процессов при падении капель расплавленного металла на подложку. Рассмотрено затвердевание на металлической поверхности бинарного сплава алюминия, модифицированного активированными тугоплавкими наноразмерными частицами, которые являются центрами зарождения кристаллической фазы. Сформулирована математическая модель, описывающая термо- и гидродинамические явления в капле при взаимодействии с твердой подложкой, гетерогенное зародышеобразование в процессе охлаждения расплава и последующую кристаллизацию. Течение в жидкости описано уравнениями Навье --- Стокса в приближении Буссинеска. Положение свободной границы расплава зафиксировано частицами-маркерами, перемещающимися с локальной скоростью жидкости. На поверхности контакта расплав--подложка учтено термическое сопротивление. Гидродинамическая задача рассмотрена в условиях кристаллизации расплавленного металла. Описаны температурные режимы, кинетика роста твердой фазы в затвердевающем сплаве алюминия при различных размерах формирующихся сплэтов. Установлено удовлетворительное совпадение формы сплэта, полученного по результатам численного моделирования, с имеющимися экспериментальными данными. Подтверждена адекватность модели кристаллизации при наличии ультрадисперсных тугоплавких частиц в бинарном сплаве. Определено, что независимо от размера капли имеет место объемная кристаллизация металла. Установлено, что при большой скорости соударения капли с подложкой за время растекания расплава возможно образование небольшой доли твердой фазы

Работа выполнена в рамках Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013--2020 годы (проект № 0323-2018-0012)

Литература

[1] Коренев В.Н., Родичев А.Ю., Семенов А.В. Методы восстановления и упрочнения деталей газопламенным напылением. Сварочное производство, 2014, № 2, с. 40--43.

[2] Solonenko O.P., Kudinov V.V., Smirnov A.V., et al. Micro-metallurgy of splats: theory, computer simulation and experiment. JSME Int. J. Ser. B, 2005, vol. 48, iss. 3, pp. 366--380. DOI: https://doi.org/10.1299/jsmeb.48.366

[3] Ильиных С.А., Кирнос И.В., Крашанинин В.А. и др. Физико-химические свойства покрытий, получаемых дозвуковым и сверхзвуковым плазменным напылением порошков металлов и их композиций. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия, 2015, № 1, с. 49--54. DOI: https://doi.org/10.17073/1997-308X-2015-1-49-54

[4] Фомин В.М., Черепанов А.Н., ред. Плазмохимический синтез ультрадисперсных порошков и их применение для модифицирования металлов и сплавов. Новосибирск, Наука, 1995.

[5] Cherepanov A.N., Poluboyarov V.A., Solonenko O.P., et аl. Impact of mechanical activation and modification of initial powder with refractory nanoparticles on the properties of plasma-sprayed coatings. In: Progress in plasma processing of materials 2003. Begell House Inc., 2003, pp. 507--513.

[6] Borodianskiy K., Zinigrad M., Gedanken A. Aluminum A356 reinforcement by carbide nanoparticles. JNanoR, 2011, vol. 13, pp. 41--46. DOI: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/JNanoR.13.41

[7] Kuzmanov P.M., Popov S.I., Yovkov L.V., et al. Investigation the effect of modification with nanopowders on crystallization process and microstructure of some alloys. AIP Conf. Proc., 2017, vol. 1893, iss. 1, art. 030104. DOI: https://doi.org/10.1063/1.5007562

[8] Bozhanova N.M., Panov I.T., Manolov V.K., et al. Modification of properties of aluminum protective a nodes by nanopowder materials. Thermophys. Aeromech., 2018, vol. 25, iss. 5, pp. 759--764. DOI: https://doi.org/10.1134/S0869864318050128

[9] Lazarova R., Bojanova N., Dimitrova R., et al. Influence of nanoparticles introducing in the melt of aluminum alloys on castings microstructure and properties. Inter. Metalcast., 2016, vol. 10, iss. 4, pp. 466--476. DOI: https://doi.org/10.1007/s40962-016-0033-7

[10] Popov S., Manolov V., Cherepanov A. Mathematical modelling of crystallization of metal alloys. Comptes rendus de l’Academie Bulgare des Science, 2012, vol. 65, no. 4, pp. 441--448.

[11] Cherepanov A.N., Popov V.N., Solonenko O.P. Numerical analysis of the spreading and crystallization dynamics of the modified metal droplet on the substrate. Thermophys. Aeromech., 2008, vol. 15, iss. 3, pp. 483--489. DOI: https://doi.org/10.1134/S0869864308030141

[12] Xue M., Heichal Y., Chandra S., et al. Modeling the impact of a molten metal droplet on a solid surface using variable interfacial thermal contact resistance. Mater. Sci., 2007, vol. 42, iss. 1, pp. 9--18. DOI: https://doi.org/10.1007/s10853-006-1129-x

[13] Popov S., Manolov V., Kuzmanov P., et al. Mathematical model of crystallization of multicomponent alloy at presence of nanoparticles. J. Mater. Sci. Technol., 2014, vol. 22, no. 3, pp.167--174.

[14] Мастрюков Б.С. Теплофизика металлургических процессов. М., МИСиС, 1996.

[15] Flemings M.C. Solidification processing. McGraw-Hill, 1974.

[16] Баландин Г.Ф. Основы теории формирования отливки. Ч. 2. М., Машиностроение, 1979.

[17] Попов В.Н. Моделирование затвердевания металлической капли на холодной подложке. Математическое моделирование, 2001, т. 13, № 9, с. 119--127

[18] Harlow F.H., Welch J.E. Numerical calculation of time-depend viscous incompressible flow of fluid with free surface. Phys. Fluids., 1965, vol. 8, iss. 12, pp. 2182--2189. DOI: https://doi.org/10.1063/1.1761178

[19] Patankar S.V., Spalding D.B. A calculation procedure for heat, mass and momentum transfer in three-dimensional parabolic flows. Int. J. Heat Mass Trans., 1972, vol. 15, iss. 10, pp. 1787--1806. DOI: https://doi.org/10.1016/0017-9310(72)90054-3

[20] Chorin A.J. A numerical method for solving incompressible viscous flow problems. J. Comput. Phys. 1967, vol. 137, iss. 2, pp. 118--125. DOI: https://doi.org/10.1006/jcph.1997.5716

[21] Roache P. Computational fluid dynamics. Hermosa Publ., 1976.

[22] Зиновьев В.Е. Теплофизические свойства металлов при высоких температурах. М., Металлургия, 1989.