Научные статьи \ Математика. Естественные науки \ Математика \ Вычислительная математика. Численный анализ

Особенности неизотермической зернограничной диффузии в Ti3Al

Особенности неизотермической зернограничной диффузии в Ti3Al

Автор: Чепак-гизбрехт М.В., Князева А.Г.

Журнал: Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика @vestnik-pnrpu-mechanics

Статья в выпуске: 6, 2024 года.

Бесплатный доступ

Для исследования диффузии кислорода вдоль границ зерен на динамику окисления интерметаллидного сплава Ti3Al предложена двумерная диффузионно-кинетическая модель. Оценка вклада границ зерен проводится на основе сравнения динамики процессов в структуре с явно выделенными зернами и границами и в материале с эффективными свойствами, где коэффициент диффузии рассчитывался в зависимости от доли граничной фазы. Диффузия кислорода происходит в смешанном кинетическом режиме, характерном для наноразмерных структур, изготовленных аддитивно. Структура с явным учетом зерен и стыков в модели обладает симметрией. Прямоугольные зерна расположены друг относительно друга аналогично «кирпичной кладке» так, что образуют тройные стыки. Материал с эффективными свойствами представляет собой сплошную прямоугольную область, в которой доля граничной фазы учитывается через коэффициент диффузии. На поверхности задается постоянный источник кислорода. Задача решается численно в безразмерных переменных. Для решения уравнения диффузии использована неявная разностная схема расщепления по координатам. Для решения кинетических уравнений используется метод, подобный явному методу Эйлера, с организацией итерационного процесса. Проведено сравнение результатов для изотермического режима и для условий линейного нагрева с последующим остыванием. Исследование проводится для начального этапа окисления наноразмерного интерметаллидного сплава Ti3Al. Вклад границ зерен в динамику окисления оценивается в диапазоне доли граничной фазы от 0,1 до 0,5, которая изменяется за счет варьирования размеров зерен относительно ширины границ. Полученные результаты качественно согласуются с литературными данными.

Еще

Двумерная математическая модель, зернограничная диффузия, окисление

Короткий адрес: https://sciup.org/146283069

IDR: 146283069   |   УДК: 519.6:539.3   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2024.6.08

Features of non-isothermal grain boundary diffusion in Ti3Al

A two-dimensional diffusion-kinetic model is proposed to research the effect of oxygen diffusion along grain boundaries on the oxidation dynamics of the intermetallic alloy Ti3Al. The contribution of grain boundaries is evaluated by comparing the dynamics of processes in a structure with clearly defined grains and boundaries and in a material with effective properties, where the diffusion coefficient was calculated depending on the fraction of the boundary phase. Oxygen diffusion occurs in a mixed kinetic mode typical of additively fabricated nanoscale structures. The structure with an explicit consideration of grains and boundaries in the model has its symmetry. Rectangular grains are located relative to each other similar to "brickwork" so that they form triple junctions. The material with effective properties is a continuous rectangular region, in which the fraction of the boundary phase is taken into account through the diffusion coefficient. A constant oxygen source is specified on the surface. The problem is solved numerically in dimensionless variables. An implicit difference scheme of splitting by coordinates is used to solve the diffusion equation. To solve the kinetic equations, a method similar to the explicit Euler method is used with the organization of the iterative process. The results are compared for the isothermal mode and for the conditions of linear heating with subsequent cooling. The study is carried out for the initial stage of oxidation of the nanosized intermetallic alloy Ti3Al. The contribution of grain boundaries to the oxidation dynamics is estimated in the range of the fraction of the boundary phase from 0.1 to 0.5, which changes due to the variation of the grain sizes relative to the boundary width. The results obtained are in a qualitative agreement with the literature data.

Еще

Список литературы Особенности неизотермической зернограничной диффузии в Ti3Al

  • Interactive effects of cyclic oxidation and structural evolution for Ti-6Al-4V/(TiC+TiB) alloy composites at elevated temperatures / S.L. Wei, L.J. Huang, X.T. Li, Q. An, L. Geng // Journal of Alloys and Compounds. – 2018. – Vol. 752. – P. 164–178. DOI: 10.1016/j.jallcom.2018.04.118
  • Intergranular oxidation of additively manufactured Ni-base alloy 625: The role of Si / A. Chyrkin, W.J. Nowak, K.O. Gunduz, I. Fedorova, M. Sattari, J. Froitzheim, M. Halvarsson, K.M. Stiller // Corrosion Science – 2023. – Vol. 219. – P. 111234. DOI: 10.1016/j.corsci.2023.111234
  • Научные подходы к микро-, мезо- и макроструктурному дизайну объемных металлических и полиметаллических материалов с использованием метода электронно-лучевого аддитивного производства / Е.А. Колубаев [и др.] // Физическая мезомеханика. – 2022. – Т. 25, № 4. – С. 5–18. DOI: 10.55652/1683-805X_2022_25_4_5
  • The influence of solute atom ordering on the deformation behavior of hexagonal close packed Ti-Al alloys / W. Hao, X. Yunlei, W. Zhihao, L. Zhenhua, L. Qinggang, L. Jinkai, W. Junyan // Journal of Materials Science & Technology. – 2020. – Vol. 52. – P. 235–242. DOI: 10.1016/j.jmst.2020.02.064
  • Влияние кривизны кристаллической решетки на иерархию масштабов деформационных дефектов и характер пластического течения металлических материалов / В.Е. Панин [и др.] // Физическая мезомеханика. – 2020. – Т. 23, № 4. – С. 5–12.
  • Васильев Л.С., Ломаев С.Л. Методы исследования структурно-фазовых превращений в наноматериалах, деформируемых под давлением // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2019. – № 2. – С. 63–85. DOI: 10.15593/perm.mech/2019.2.06
  • Кофстад, П. Высокотемпературное окисление металлов / П. Кофстад. – М.: Мир, 1969. – 392 с.
  • Formation and growth kinetics of the initial amorphous oxide film on the aluminum melt: A ReaxFF molecular dynamics simulation / J. Qian, P. Zheng, Y. Ma, X. Zhang, J. Huang, D. Zhang, Z. Li, Y. Jiang, W. Wu, H. Li // Computational Materials Science. – 2023. – Vol. 220. – P. 112035. DOI: 10.1016/j.commatsci.2023.112035
  • Yttrium doping effect on oxygen grain boundary diffusion in α-Al2O3 / T. Nakagawa, I. Sakaguchi, N. Shibata, K. Matsunaga, T. Mizoguchi, T. Yamamoto, H. Haneda, Y. Ikuhara // Acta Materialia. 2007. – Vol. 55, iss. 19. – P. 6627–6633. DOI: 10.1016/j.actamat.2007.08.016
  • Effect of TiB2/WC addition on the oxidation behavior of Ti(C,N)-304ss cermets during the early oxidation stage / L. He, Y. Gao, Y. Li, Z. Liu, W. Yuan, W. Chen, S. Zhao, H. Liu, W. Yan // Corrosion Science. – 2019. – Vol. 159. – P. 108118. DOI: 10.1016/j.corsci.2019.108118
  • Origin of anomalous laminar cracking, volume expansion and weight increase of Ti2AlC MAX phase powders at 600 °C / Z. Zhang, H. Jin, D.L.M. Ying, J. Chai, S. Wang, J. Pan // Corrosion Science. – 2020. – Vol. 164. – P. 108349. DOI: 10.1016/j.corsci.2019.108349
  • Zhang, L. Chapter 6 – CALPHAD-Type Modeling of Diffusion Kinetics in Multicomponent Alloys / L. Zhang, Q. Chen // Handbook of Solid State Diffusion. – 2017. – Vol. 1. Diffusion Fundamentals and Techniques. – P. 321–362. DOI: 10.1016/B978-0-12-804287-8.00006-3
  • Self-diffusion in a triple-defect A-B binary system: Monte Carlo simulation / J. Betlej, P. Sowa, R. Kozubski, G.E. Murch, I.V. Belova // Computational Materials Science. – 2020. – Vol. 172. – P. 109316. DOI: 10.1016/j.commatsci.2019.109316
  • Thermal oxidation of Ti-6Al–4V alloy and pure titanium under external bending strain: Experiment and modelling / Y. Zhang, G.-R. Ma, X.-C. Zhang, S. Li, S.-T. Tu // Corrosion Science. – 2017. – Vol. 122. – P. 61–73. DOI: 10.1016/j.corsci.2017.01.009
  • Gifkins, R.C. Grain-boundary participation in hightemperature deformation: An historical review / R.C. Gifkins // Materials Characterization. – 1994. – Vol. 32, iss. 2. – P. 59–77. doi: 10.1016/1044-5803(94)90093-0
  • Heuer, A.H. Oxygen and aluminum diffusion in α-Al2O3: How much do we really understand? / A.H. Heuer // Journal of the European Ceramic Society. – 2008. – Vol. 28, iss. 7. – P. 1495–1507. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2007.12.020
  • Mishin, Y. Diffusion in the Ti–Al system / Y. Mishin, Chr. Herzig // Acta Materialia. – 2000. – Vol. 48, iss. 3. – P. 589–623. DOI: 10.1016/S1359-6454(99)00400-0
  • Fisher, J.C. Calculation of Diffusion Penetration Curves for Surface and Grain Boundary Diffusion / J.C. Fisher // Journal of Applied Physics. – 1951. – Vol. 22, iss. 1. – P. 74–77. DOI: 10.1063/1.1699825
  • Preis, W. Surface exchange reactions and fast grain boundary diffusion in polycrystalline materials: Application of a spherical grain model / W. Preis, W. Sitte // Journal of Physics and Chemistry of Solids. – 2005. – Vol. 66, iss. 10. – P. 1820–1827. DOI: 10.1016/j.jpcs.2005.09.047
  • Numerical analysis of the influence of scale effects and microstructure on hydrogen diffusion in polycrystalline aggregates / E. Legrand, J. Bouhattate, X. Feaugas, S. Touzain, H. Garmestani, M. Khaleel, D.S. Li // Computational Materials Science. – 2013. – Vol. 71. – P. 1–9. DOI: 10.1016/j.commatsci.2013.01.018
  • Deng, J. Kinetic Monte Carlo simulation of the effective diffusivity in grain boundary networks / J. Deng, D. Morgan, I. Szlufarska // Computational Materials Science. – 2014. – Vol. 93. – P. 36–45. DOI: 10.1016/j.commatsci.2014.06.028
  • Изучение влияния механических напряжений на диффузию в пластине с покрытием / М.А. Миколайчук, А.Г. Князева, Г.П. Грабовецкая, И.П. Мишин // Вестник ПНИПУ. – 2012. – № 3. – С. 121–135.
  • Миколайчук, М.А. Модель диффузии примеси в структурно-неоднородной деформируемой среде / М.А. Миколайчук, А.Г. Князева // Известия высших учебных заведений. Физика. – 2012. – Т. 55, № 5/2. – С. 74–79.
  • High temperature oxidation behaviour of AISI 321 stainless steel with an ultrafine-grained surface at 800 °C in Ar–20 vol.% O2 / S. Pour-Ali, M. Weiser, N.T. Nguyen, A.-R. KianiRashid, A. Babakhani, S. Virtanen // Corrosion Science. – 2020. – Vol. 163. – P. 108282. DOI: 10.1016/j.corsci.2019.108282
  • Regulating solute partitioning utilized to decorate grain boundary for improving corrosion resistance in a model Al-Cu-Mg alloy / X. Liu, D. Zhang, H. Wang, Y. Yan, X. Zhang // Corrosion Science. – 2021. – Vol. 181. – P. 109219. DOI: 10.1016/j.corsci.2020.109219
  • Danielewski, M. Diffusion processes determining the oxidation rate of multicomponent alloys / M. Danielewski, B. Wierzba // Corrosion Science. – 2008. – Vol. 50, iss. 4. – P. 1161–1168. DOI: 10.1016/j.corsci.2007.11.024
  • Ciszak, C. Modelling the high temperature oxidation of titanium alloys: Development of a new numerical tool PyTiOx / C. Ciszak, D. Monceau, C. Desgranges // Corrosion Science. – 2020. – Vol. 176. – P. 109005. DOI: 10.1016/j.corsci.2020.109005
  • Oxidation of nanocrystalline aluminum by variable charge molecular dynamics / A. Perron, S. Garruchet, O. Politano, G. Aral, V. Vignal // Journal of Physics and Chemistry of Solids. – 2010. – Vol. 71, iss. 2. – P. 119–124. DOI: 10.1016/j.jpcs.2009.09.008
  • A cellular automaton model for predicting intergranular corrosion / S.V. Lishchuk, R. Akid, K. Worden, J. Michalski // Corrosion Science. – 2011. – Vol. 53, iss. 8. – P. 2518–2526. DOI: 10.1016/j.corsci.2011.04.027
  • Doilnitsyna, V.V. General diffusion-kinetic model of metallic oxidation / V.V. Doilnitsyna // Corrosion Science. – 2002. – Vol. 44, iss. 5. – P. 1113–1131. DOI: 10.1016/S0010-938X(01)00127-5
  • High temperature corrosion behavior of Cu–20Co–30Cr alloys with different grain size / Z.Q. Cao, H.J. Sun, J. Lu, K. Zhang, Y. Sun // Corrosion Science. – 2014. – Vol. 80. – P. 184–190. DOI: 10.1016/j.corsci.2013.11.025
  • Chepak-Gizbrekht, M.V. Effect of Temperature Dynamics on TiAl Oxidation Due to Grain-Boundary Diffusion of Oxygen / M.V. Chepak-Gizbrekht // Russian Physics Journal. – 2023. – Vol. 66. – P. 88–94. DOI: 10.1007/s11182-023-02908-1
  • Чепак-Гизбрехт, М.В. Влияние зернограничной диффузии на окисление сплава Ti3Al / М.В. Чепак-Гизбрехт, А.Г. Князева // Известия вузов. Физика. – 2022. – Т. 65, № 7. – С. 62–68. doi: 10.17223/00213411/65/7/62
  • Dybkov, V.I. Solid State Reaction Kinetics / V.I. Dybkov. – Kyiv: IPMS Publications, 2013. – 400 p.
  • Finite element analysis of the grain size effect on diffusion in polycrystalline materials / V. Lacaille, C. Morel, E. Feulvarch, G. Kermouche, J.-M. Bergheau // Computational Materials Science. – 2014. – Vol. 95. – Р. 187–191. DOI: 10.1016/j.commatsci.2014.07.026
  • Effects of grain-boundary networks on the macroscopic diffusivity of hydrogen in polycrystalline materials / B.O. Hoch, A. Metsue, J. Bouhattate, X. Feaugas // Computational Materials Science. – 2015. – Vol. 97. – P. 276–284. DOI: 10.1016/j.commatsci.2014.10.048
  • Knyazeva, A. Two-level model of the grain boundary diffusion under electron beam action / A. Knyazeva, O. Kryukova, A. Maslov // Computational Materials Science. – 2021. – Vol. 196. – P. 110548. DOI: 10.1016/j.commatsci.2021.110548
  • Belova, I.V. Diffusion in nanocrystalline materials / I.V. Belova, G.E. Murch // Journal of Physics and Chemistry of Solids. – 2003. – Vol. 64, iss. 5. – P. 873–878. DOI: 10.1016/S0022-3697(02)00421-3
  • Levine, H.S. Grain Boundary and Lattice Diffusion in Polycrystalline Bodies / H.S. Levine, C.J. MacCallum // Journal of Applied Physics. – 1960. – Vol. 31. – P. 595–599. DOI: 10.1063/1.1735634
  • Grain size and grain-boundary effects on diffusion and trapping of hydrogen in pure nickel / A. Oudriss, J. Creus, J. Bouhattate, E. Conforto, C. Berziou, C. Savall, X. Feaugas // Acta Materialia. – 2012. – Vol. 60, iss. 19. – P. 6814–6828. DOI: 10.1016/j.actamat.2012.09.004
  • Hart, E. On the role of dislocations in bulk diffusion / E. Hart // Acta Metallurgica. – 1957. – Vol. 5, iss. 10. – P. 597. DOI: 10.1016/0001-6160(57)90127-X
  • Чепак-Гизбрехт, М.В. Моделирование процесса окисления интерметаллидов TiAl и Ti3Al вследствие зернограничной диффузии кислорода / М.В. Чепак-Гизбрехт, А.Г. Князева // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Физ.-матем. науки. – 2023. – Т. 165, № 3. – С. 307–321. DOI: 10.26907/2541-7746.2023.3.307-321
  • Das, S. The Al-O-Ti (Aluminum-oxygen-titanium) system / S. Das // Journal of Phase Equilibria. – 2002. – Vol. 23. – P. 525–536. DOI: 10.1361/105497102770331271
  • Бурков, А.А. Повышение жаростойкости титанового сплава ВТ20 путем формирования композиционных электро-искровых Ti3Al+Al/Al2O3 покрытий / А.А. Бурков // Письма о материалах. – 2015.– Т. 5, № 4 (20). – С. 371–375. DOI: 10.22226/2410-3535-2015-4-371-375
  • On the influence of alloy composition on the oxidation performance and oxygen-induced phase transformations in Ti–(0–8) wt%Al alloys / P. Samimi, D.A. Brice, R. Banerjee, M.J. Kaufman, P.C. Collins // Journal of Materials Science. – 2016. – Vol. 51. – P. 3684–3692. DOI: 10.1007/s10853-015-9681-x
  • Casadebaigt, A., Monceau, D., Hugues, J. High temperature oxidation of Ti-6Al-4V alloy fabricated by additive manufacturing. Influence on mechanical properties / A. Casadebaigt, D. Monceau, J. Hugues // MATEC Web of Conferences. – 2020. – Vol. 321. – P. 03006. DOI: 10.1051/matecconf/202032103006
  • High temperature oxidation behavior and research status of modifications on improving high temperature oxidation resistance of titanium alloys and titanium aluminides: a review / J. Dai, J. Zhu, C. Chen, F. Weng // Journal of Alloys and Compounds. – 2016. – Vol. 685. – P. 784–798. DOI: 10.1016/j.jallcom.2016.06.212
Еще
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp