Официальный сайт 2020 года обновлен! Теперь у вас есть браузер с разрешением менее 1280px Пожалуйста, используйте ширину доступа с высоким разрешением.
Источник: Материальные науки и техника
Металлоаддитивное производство, также известное как 3D – печать металлов, является ключевой технологией, которая может привести к серьезным изменениям в обрабатывающей промышленности. Он может обеспечить быстрое, точное и гибкое производство металлических деталей с помощью трехмерных цифровых моделей, что значительно повышает эффективность производства и оказывает глубокое влияние на аэрокосмическую, автомобильную, энергетическую, химическую, фармацевтическую и другие области. Ключевым физическим явлением, связанным с этой технологией, является быстрое затвердевание сплавов металлов. В отличие от низкоскоростного затвердевания, связанного с традиционными методами изготовления, твердый интерфейс металла находится в экстремальных условиях, далеких от равновесия во время быстрого затвердевания, включая чрезвычайно быструю скорость движения твердого интерфейса и значительный градиент температуры. В таких экстремальных условиях затвердевания несбалансированные эффекты, такие как улавливание раствора и сопротивление раствору, могут сильно влиять на микроструктуру металлического материала после затвердевания и, следовательно, на его механическую собственность. Однако отсутствие теоретических исследований механизмов формирования микроструктуры металлов в условиях быстрой затвердевания значительно ограничивает способность людей контролировать микроструктуру материалов, что ограничивает дальнейшее развитие производства металлоаддитивных материалов. В этом случае особенно важно разработать теоретическую вычислительную модель для быстрого затвердевания металлов.
Недавно международный авторитетный физический журнал Physical Review Letters опубликовал модель фазового поля, предложенную исследователями из Северо – Восточного университета и Института горнодобывающей промышленности Колорадо, которая может быть использована для прогнозирования микроструктуры затвердевания сплавов вдали от равновесия. Модель количественно оценивает неравновесные эффекты твердого интерфейса, включая захват раствора и сопротивление раствору, в условиях затвердевания, связанных с производством металлических присадок. Используя эту модель для вычислительного моделирования, авторы обнаружили динамическую неустойчивость верхней части ветвистой структуры, управляемой захватом раствора, когда скорость интерфейса приближается к абсолютному пределу стабильности. Моделирование также восстановило полосчатую микроструктуру, широко наблюдаемую в эксперименте, и показало, как эта динамическая нестабильность вызывает сдвиги между ветвистыми структурами и микроскопическими агрегационными структурами. Прогнозируемые интервалы между полостными микротканями согласуются с наблюдениями, полученными в ходе эксперимента по затвердеванию тонкой пленки Al – Cu. Эта работа была выполнена Ji Kaihua из Северо – Восточного университета (ведущий автор), Elaheh Dorari, Эми Дж. Кларк, выдающимся профессором Горного института Колорадо, и Аленом Кармой, выдающимся профессором Северо – Восточного университета (корреспондент).
Ссылки на бумагу: https://journals.aps.org/prl/abs И… Пересмотренный бюллетень 130.26203
В этой статье впервые используется модель фазового поля для количественного уменьшения эффекта несбалансированности в процессе затвердевания и предлагается новая идея компенсации нефизических эффектов, вызванных увеличением ширины интерфейса, путем увеличения скорости диффузии растворителя в пределах интерфейса. Авторы доказали, что увеличение ширины твердого интерфейса (5 нм) все еще может количественно уменьшить эффект несбалансированности в физическом масштабе интерфейса (около 1 нм), что повышает вычислительную эффективность модели на три порядка, Это позволяет моделировать количественное фазовое поле в двухмерной или трехмерной среде. Доказав сходимость модели, авторы использовали ее для числовых вычислений и обнаружили новую динамическую неустойчивость в верхней части ветвистой структуры. В условиях низкой скорости затвердевания микроструктура металлического материала обычно представляет собой дендрит. Когда скорость затвердевания увеличивается почти до абсолютного предела стабильности, дендриты начинают колебаться и становятся нестабильными. Последним механизмом дестабилизации дендритных кристаллов является то, что автор называет « повышением нестабильности кончика». По мере того, как скорость затвердевания продолжает расти, эта динамическая нестабильность вызывает сдвиг между дендритным и бесликвационным затвердеванием.
Рисунок 1 (a) Когда скорость интерфейса приближается к абсолютному пределу стабильности, нестабильность на кончике усиливается. b) колебания скорости и концентрации раствора на боковой границе жидкой фазы.
В экспериментах по быстрому затвердеванию широко наблюдалась полосатая микроструктура, параллельная интерфейсу твердой жидкости, но механизм ее формирования еще не ясен. Темные полосы имеют ветвистую структуру, в то время как яркие полосы не имеют микроскопической агрегационной структуры. Авторы впервые количественно уменьшили это явление в вычислительном моделировании, и доля яркой полосы поверхности увеличивается с увеличением скорости затвердевания. Это согласуется с экспериментальными наблюдениями. Расчеты температуры и скорости интерфейса в моделировании показывают периодические колебания, которые приводят к формированию микроструктуры полосы.
Рисунок 2 (a) – (d) Полосатая микроструктура при различных скоростях интерфейса. (e) Периодические колебания скорости и температуры интерфейса.
Авторы далее рассмотрели скрытую тепловую диффузию в процессе затвердевания и разъяснили ее важность для точного прогнозирования расстояния между полостными тканями. При моделировании фазового поля с учетом эффекта потенциальной термодиффузии прогнозируемое расстояние между полосчатыми микроструктурами согласуется с наблюдениями, полученными в ходе эксперимента по быстрой затвердевающей пленке Al – Cu. Результаты еще раз подтверждают точность модели фазового поля.
Рисунок 3 а) Полосатая микроструктура, наблюдаемая в ходе эксперимента по затвердеванию пленки & quot; Аль – Ку & quot;. (b) моделирование фазового поля с учетом эффекта диффузии скрытого тепла.
Кроме того, автор предложил полностью переменную модель фазового поля. В отличие от традиционных моделей неизменных фазовых полей, используемых для моделирования затвердевания металлов, полностью переменные модели фазового поля могут быть легко расширены до сложных сплавных систем, таких как многофазные и мультисплавные системы. Поэтому модель фазового поля имеет чрезвычайно широкие перспективы применения.
