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   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2024.6.08

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
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp