На прикладах конкретних моделей технологічних процесів і їх стадій аналізуються проблеми моделювання незворотних процесів, що призводять до формування властивостей поверхонь і покриттів. Показано, що основні проблеми чисельного моделювання пов'язані з різномасштабних фізико-хімічних і механічних процесів, їх взаємовпливом і відсутністю надійних експериментальних даних по залежностям властивостей від складу.

Анотація наукової статті з фізики, автор наукової роботи - Князева Ганна Георгіївна, Крюкова Ольга Миколаївна, Букрина Наталія Валеріївна, Сорокова Світлана Миколаївна


The problems of modeling the irreversible processes resulting in formation of surface and coat properties have been analyzed by the examples of concrete models of technological processes and their stages. It is shown that the main problems of numerical simulation are connected with difference in scales of physicochemical and mechanical processes, their interrelation and absence of reliable experimental data on dependencies of the properties on composition.


Область наук:
  • фізика
  • Рік видавництва: 2010
    Журнал: Известия Томського політехнічного університету. Інжиніринг ГЕОРЕСУРСИ

    Текст наукової роботи на тему «Проблеми моделювання технологічних процесів поверхневої обробки матеріалів та нанесення покриттів з використанням високоенергетичних джерел»

    ?УДК 536.46: 531

    ПРОБЛЕМИ МОДЕЛЮВАННЯ технологічних процесів поверхневої обробки МАТЕРІАЛІВ І НАНЕСЕННЯ ПОКРИТТІВ З ВИКОРИСТАННЯМ високоенергетичних ДЖЕРЕЛ

    А.Г. Князєва, О.Н. Крюкова, Н.В. Букрина, С.Н. Сорокова *

    Інститут фізики міцності і матеріалознавства СО РАН, Томськ * Томський політехнічний університет E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    На прикладах конкретних моделей технологічних процесів і їх стадій аналізуються проблеми моделювання незворотних процесів, що призводять до формування властивостей поверхонь і покриттів. Показано, що основні проблеми чисельного моделювання пов'язані сразномасштабностью фізико-хімічних і механічних процесів, їх взаємовпливом і відсутністю надійних експериментальних даних по залежностям властивостей від складу.

    Ключові слова:

    Моделювання технологічних процесів і їх стадій, нерівноважна термодинаміка, поверхнева обробка матеріалів, нанесення покриттів.

    Key words:

    Modeling of the technological processes and them stages, nonequilibrium thermodynamics, surface material treatment, coating.

    1. Введення

    Обробку поверхонь матеріалів та нанесення покриттів здійснюють різними способами з метою модифікації структури, поліпшення характеристик міцності та інших властивостей, збільшення терміну служби і т. Д. Моделювання поведінки матеріалів з покриттями і тонкими плівками при механічному навантаженні, звичайно, дозволяє частково виявити особливості технологій. Формування структури і властивостей поверхневих шарів відбувається безпосередньо в процесі обробки і є наслідком різноманітних незворотних процесів. Наприклад, в ході електронно-променевої обробки спостерігаються нагрівання і плавлення, перерозподіл легуючих елементів. У свою чергу, зміна фазового і хімічного складу, а також змінюється в часі неоднорідне температурне поле тягнуть за собою появу механічної напруги самої різної фізичної природи. В ході технологічного процесу відбувається часткове розчинення одних фаз і виділення нових, спостерігаються процеси кристалізації і рекристалізації, формування пір і порожнин, мікроруйнування.

    Більш складні фізико-хімічні процеси супроводжують обробку матеріалів потоками іонів, т. К. В подібних технологіях спостерігаються складні фізико-хімічні процеси, що призводять до зміни складу і структури. Експериментатор має в своєму розпорядженні тільки вихідний матеріал, технологічні умови та кінцевий результат обробки і може лише здогадуватися за непрямими даними про ті процеси, які призвели до отриманого результату. Більш того, в умовах лабораторного експерименту або реальної технології не вдається чітко виявити роль окремих факторів у формуванні структури і властивостей матеріалів і їх поверхонь. Тому математичне моделювання в цій галузі

    вельми актуально. Про це свідчать і публікації [1-7] та ін.

    Математичне моделювання технологічних процесів стикається з численними труднощами, обійти які вдається лише при цілеспрямованому рішенні конкретних завдань [8]. Загального рецепта, на жаль, запропонувати поки не вдається.

    Наприклад, процеси, які призводять до формування властивостей матеріалів, характеризуються різними просторовими і тимчасовими масштабами, що призводить до необхідності розробки спеціальних чисельних алгоритмів. Наявні потужні пакети не в змозі вирішувати пов'язані завдання.

    Властивості вихідних матеріалів відомі з великою похибкою, що не дає впевненості в численних значеннях ні температури в зоні обробки, ні складу.

    Формально-кінетичні параметри хімічних реакцій, фазових переходів, коефіцієнти дифузії є предметом вивчення в різних галузях фізики і хімії. Незважаючи на наявність великої кількості прикладних термодинамічних пакетів, розвинених методів молекулярної динаміки, методів Монте-Карло, використання їх для моделювання складних технологічних процесів важко.

    Навіть якщо результатом моделювання є конкретна структура і певний фазовий склад матеріалу, покриття або поверхневого шару, на основі відомих методів механіки суцільних середовищ не представляється можливим оцінити надійно механічні властивості. В цьому випадку дуже хорошим результатом буде оцінка можливої ​​області зміни механічних властивостей матеріалу в результаті обробки, якщо відомий фазовий склад до кінця процесу обробки.

    Ще однією проблемою всіх технологій є оцінка або прогноз залишкових напружень, які в значній мірі визначають механічні властивості.

    Всі ці проблеми мають місце як при традиційних способах обробки матеріалів з використанням високоенергетичних джерел, так і при їх обробці з метою отримання заданої мі-кро і наноструктури.

    З різноманітних методів обробки поверхонь зупинимося на електронно-променевих технологіях. Деякі результати узагальнені в огляді [9].

    2. Різновиди електронно-променевих технологій

    модифікації поверхонь і теплофізика

    Електронно-променеві технології поверхневої обробки та нанесення покриттів дуже різноманітні і відрізняються як з технічної організації процесу і матеріалами, так і по потужності використовуваних електронно-променевих установок [10]. Традиційно моделювання стадій технологічних процесів обробки з використанням енергії електронного променя здійснювали в рамках теорії теплопровідності з введенням ефективних рухомих або нерухомих, розподілених або точкових, поверхневих або об'ємних джерел тепла, що відповідають різним режимам сканування і різним технологічним параметрам. Так, якщо щільність потужності електронного променя не перевищує # 0 ~ 105 ... 106 Вт / см2, джерело тепла можна вважати поверхневим. В іншому випадку необхідно враховувати об'ємне поглинання енергії. Якщо обробка поверхні за допомогою електронного променя здійснюється в режимі сканування, то для частот понад 50 Гц ефективне джерело тепла виявляється розподіленим і характеризується постійною щільністю д0.

    Характер розподілу енергії в ефективному джерелі залежить від режиму сканування. При обробці поверхонь імпульсними Потужнострумові електронними пучками результат залежить не тільки від введеної енергії, але і від тривалості та кількості імпульсів і пауз між окремими імпульсами. В цьому випадку щільності енергії в електронному пучку виявляються настільки високими, що необхідно говорити про активацію матеріалу в поверхневому шарі або про його перехід в особливу структурно-фазовий стан [11]. У всіх випадках математичні моделі поверхневої обробки виявляються різними: різні не тільки набори визначають процес параметрів і врахованих явищ, геометрія, макроскопічні властивості, але і визначають співвідношення.

    3. різномасштабних процеси,

    протікають спільно

    Властивості поверхонь, що формуються після термічної обробки, залежать від різноманітних процесів, які характеризуються різними

    просторовими і тимчасовими масштабами. Це призводить часом до непереборним, на перший погляд, труднощів обчислювального характеру. З одного боку, відмінність масштабів дозволяє вивчати різні процеси окремо. Але за кадром залишається взаємовплив різних процесів і пов'язані з цим нелінійні ефекти. Наприклад, дифузія у твердій фазі, з якою пов'язують різні диффузионно-контрольовані процеси рекристалізації, повзучості, спікання за участю рідкої і твердої фаз, гетерогенні перетворення, розчинення та ін., Багато повільніше, ніж перенесення тепла теплопровідністю, і протікає в масштабах, багато менших ширини теплового прикордонного шару. Це відноситься до дифузії в околиці кордону розділу реагентів і продуктів реакції, в масштабі окремо взятих частинок в порошкової суміші [12-14].

    У моделях макрокінетики це призводить до виділення спеціальних подзадач і побудови особливих кінетичних законів для швидкостей перетворення. Інша ситуація виникає при електронно-променевого обробці матеріалів: перерозподіл домішок в прогрітому шарі або насичення поверхні домішкою із залишкової плазми або адсорбційного шару протікає в істотно неізотермічних умовах. Спільне чисельне рішення задач теплопровідності та дифузії для твердої фази, коли швидкості досліджуваних процесів розрізняються на 3-5 порядків навіть при підвищеній температурі, призводить до необхідності розробки спеціальних алгоритмів [15, 16] або до обліку в моделях деяких специфічних особливостей.

    Як приклад розглянемо просту задачу Припустимо, що покриття малої товщини кь попередньо нанесене на підкладку, містить в своєму складі легуючі елементи, концентрації яких позначимо як а, / = 1, 2. У початковий момент часу? = 0 легуючі елементи розподілені в покритті рівномірно , а в підкладці відсутні. При 00 система з боку покриття піддається дії імпульсно-періодичного джерела тепла, наприклад, потоку електронів. Вважаємо, що радіус пучка електронів перевищує поперечні розміри зразка, що дозволяє обмежитися одновимірної постановкою завдання, яка включає в себе рівняння теплопровідності і рівняння дифузії легуючих елементів з покриття в основу,

    дт д (п дт

    з р -------- = -I АТ----------

    дt ДГ I ДГ

    так 1

    t > 0, 0 < г < + так,

    дt ДГ

    ДГ

    ДГ

    (1)

    де / = 1,2 - парціальні дифузійні коефіцієнти; Т - температура; с, р, ХТ - теплоі-

    кістка, щільність і коефіцієнт теплопровідності, що залежать від температури, концентрацій дифундують речовин і координати (т. е. все коефіцієнти різні для покриття і підкладки). Приймемо, що товщина покриття к1 багато менше, ніж товщина підкладки к. Крім того, нехай до ^ уьЩ; до ^ уйк, де к = ЯТ1 / (с1р1); Ь - характерний час процесу, верхній індекс «1» біля коефіцієнта дифузії відноситься до покриття. Ці нерівності дозволяють не розглядати розподіл температури і концентрації в покритті.

    Тоді в якості граничного умови для температури при? = 0 буде справедливо гранична умова у вигляді диференціального рівняння:

    0. дт дт ^ (Т4 Т4) .

    г = 0: \ - = І1с1р1- + ае (Т-ті)-д (0, ДГ 8t

    де доданок ае (Т-Т *) описує теплові втрати за законом Стефана-Больцмана; а- постійна Больцмана; е - ступінь чорноти; Ті - температура навколишнього середовища або стінок вакуумної камери, а вид функції д (1) і початкові умови залежать від описуваної стадії технологічного процесу.

    Для концентрацій на кордоні маємо аналогічні умови:

    г = 0: ^ = п., ^

    1 ДГ

    Г_ = ^

    П 8t 21 ДГ

    ° 12 ДГ

    -В22 ^

    22 ДГ

    Далеко від нагрітої області джерела і стоки тепла і маси відсутні:

    да, да2 так, да2

    г ^<Х:?) Ц д + -0,2 д - 0, П21 д + 022 д ~ 0-

    ДГ ДГ ДГ ДГ

    У початковий момент часу концентрація і температура в покритті однорідні.

    Залежно теплофізичних властивостей від температури аппроксимируются полиномами. Коефіцієнти дифузії в загальному випадку залежать від концентрацій за степеневим законом, а від температури - за законом Арреніуса. Теплоємності речовин різко зростають в околиці температур плавлення, причому покриття і підкладка в загальному випадку мають різні температури плавлення Т Т

    -* РКД> х рк '

    Матриця дифузійних коефіцієнтів повинна відповідати певним вимогам. Так, в трикомпонентної системі повинно виконуватися нерівність В11В22-В12В21>0, що випливає з термодинамічних обмежень.

    Використання спеціально розробленого алгоритму [15], заснованого на описі завдань теплопровідності і дифузії на роздільних узгоджених сітках (що мають спільні вузли), дозволило скоротити час рахунку для одного варіанта в

    10 ... 100 разів.

    Аналіз результатів чисельного рішення задачі для модельної системи показує, що распреде-

    ня і максимальне значення температури і концентрації в оброблюваному зразку залежать від максимальної щільності потужності, числа і тривалості імпульсів, а так само від частоти джерела. На рис. 1, а, б, в якості прикладу представлена ​​залежність температури від часу в точці? = 0. До кінця першого імпульсу (рис. 1, а, б, крива 1) тривалістю 0,005 с температура в покритті і на поверхні підкладки при даному наборі параметрів не перевищує 1100 К. За цей час концентрація легуючих елементів в покритті змінюється слабо (рис. 1, в, крива 1). Дифузія спостерігається лише при температурі Т,>700 ... 900 К і протікає в поверхневому шарі за Д / »0,02 с. Другий імпульс, що діє за першим після часу паузи? Р = 0,015 с, призводить до більшого підвищення температури, яка прискорює дифузію так, що за час другого імпульсу і при охолодженні до температури Т, концентрація елементів в покритті зменшується до а, »0,01173 , а а2 * »0,1212.

    П'яти імпульсів (рис. 1, а, б, криві 4) досить для того, щоб концентрація першого елемента а1 в покритті зменшувалася майже до нуля, а трьох - до А2 * »0,00982. Піки на кривій залежності температури від часу відповідають закінченню імпульсів, плато - плавлення (під час дії третього імпульсу і кристалізації - при охолодженні після 5 імпульсів). Концентрації легуючих елементів в покритті в часі практично відстежують поведінку температури (рис. 1, в, г).

    Просторові розподілу температури і концентрацій в підкладці в різні моменти часу, одержувані при чисельному рішенні, ілюструють той факт, що ширина дифузійної зони хв, багато менше (на 3-5 порядків) ширини зони прогріву ХТ, де температура перевищувала

    700 ... 900 К в ході обробки. чисельні значення

    а ,, а2 * в покритті до закінчення процесу обробки і величини ХТ, хв істотно залежать від параметрів зовнішнього впливу. Такі залежності представляють інтерес для конкретних систем. Облік перехресних дифузійних потоків і залежностей коефіцієнтів дифузії від концентрацій також робить істотний вплив на динаміку процесу, що в моделях термічної обробки [4, 5] і др. З аналізувалося.

    4. Залежність властивостей від структури і складу

    Питання про залежність властивостей від складу і структури повинен вивчатися спеціальним чином. Практично у всіх відомих моделях автори звертають увагу тільки на залежності властивостей від температури. Але це не вирішує проблеми. В процесі обробки матеріалу або покриття виходить новий матеріал із заздалегідь невідомим фазовим і хімічним складом, а, отже, з невідомими властивостями. Надійних теорій, які були б придатні на цей випадок, що не су-

    т, до

    т, до

    і з

    а

    а "

    з

    Мал. 7. Залежність температури і концентрації легуючих елементів від часу в точці 1 = 0 при д0: а, в) 5104; б, г) 6,1-10 Вт / см2; п = 1 (1); п = 2 (2); п = 3 (3); п = 5 (4); 1 = 0,005 с, гр = 0,015 з

    4

    ществует, і доводиться задовольнятися полуем-піріческімі моделями, здогадками і інтуїцією. Якщо для властивостей композиційних матеріалів є більш-менш обгрунтовані теорії, то залежність властивостей від хімічного складу - це предмет дослідження. Тому не варто очікувати від моделей технологічних процесів обробки матеріалів та їх поверхонь «точних» цифр або «збіги» розрахункових або експериментальних залежностей. В кінцевому підсумку хотілося б отримати в результаті моделювання такий ланцюжок відомостей «вихідні матеріали - режими обробки і умови + геометрія - зразок з новими властивостями, також розрахованими в рамках моделей». Приклад «пробних» результатів в цьому напрямку коротко описаний в розділі 7 цієї статті.

    5. Хімічна кінетика

    Хімічні перетворення, які відбуваються в зоні обробки, можуть як супроводжувати основного процесу (наприклад, обмежуючи процеси розчинення, приводячи до утворення перехідних шарів і т. П.), Так і бути визначальними у формуванні

    властивостей покриттів і поверхонь. Якщо в першому випадку найчастіше можна врахувати тепловиділення і теплопоглинання в ході реакцій і наявність відповідних стадій за рахунок зміни ефективних властивостей або технологічних параметрів (наприклад, як це робиться в теплофізичних моделях зварювальних процесів), то в другому випадку необхідний аналіз кінетики перетворення в повному обсязі. Тут при побудові моделей виникають проблеми іншого характеру: для більшості хімічних і фазових перетворень, що спостерігаються або застосовуваних у процесах обробки, кінетичні дані невідомі або дані різних авторів істотно розрізняються. В [17-19] використаний класичний підхід, який спирається на хімічну термодинаміку і дозволяє користуватися при формулюванні будь-яких моделей стандартними таблицями. Можливості відомих термодинамічних пакетів і пов'язані з ними проблеми обговорюються, наприклад, в [20]. Але нічого іншого, на жаль, поки запропонувати не вдається.

    Як приклад наведемо деякі результати дослідження моделі синтезу матеріалу

    а Б В

    Мал. 2. Ілюстрації до організації першого (а), другого (б), третього (в) режимів синтезу

    на підкладці циліндричної форми в умовах регульованого нагріву електронним пучком. Математична модель відповідає рис. 2 і включає підзадачі теплопровідності і хімічної кінетики, які тут не наводимо.

    Кінетична завдання записана відповідно до діаграми стану системи Ть№ в області атомних концентрацій, цікавих з практичної точки зору, і відповідає системі реакцій:

    Б + № ^ Б№; 2Б + № ^ Б2№; Б + 3№ ^ Б№3.

    Досліджено наступні варіанти організації процесу, коли діаметр пресування 2ЛС:

    • менше діаметра підкладки 2ЛС<2ЛЬ і зовнішнє джерело нагріває тільки поверхню пресування, т. Е. Я = ЯС. Початкова температура основи 7 = тисячі сімдесят три X. Нагрівання припиняється, якщо середня температура пресування досягає Т- = тисячі сімдесят три К (рис. 2, а);

    • менше діаметра підкладки 2ЛС<2ЛЬ, а поверхня пресування нагрівається постійним джерелом, меншого розміру (рис. 2, б);

    • дорівнює діаметру основи 2ЛС = 2ЛЬ, поверхня пресування нагрівається постійним джерелом, меншого розміру (рис. 2, в).

    Результатом кожного розрахунку є поле температури в задані моменти часу, динаміка зміни максимальної температури, розподіл мольних і масових концентрацій хімічних сполук, атомних концентрацій вільних і пов'язаних елементів в задані довільні моменти часу, а також зміна в часі середньоінтегральної концентрацій всіх речовин і тепловиділення (поглинання тепла ) в хімічних реакціях. Як приклад далі на малюнках показані просторовий розподіл титану (рис. 3) в пресуванні в процесі синтезу відповідного другого режиму синтезу (в різні моменти часу, титан витрачається) і зміна в часі середньоінтегральної концентрацій титану (верхній рядок на рис. 4) і І № (нижня рядок на цьому ж малюнку) для різних умов організації процесу. Як видно, динаміка процесу істотно залежить від умов

    ініціювання реакції. Перегини на концентраційних кривих пов'язані з підключенням реакцій в різних частинах зразка.

    У будь-якому випадку склад покриття (пресування) після синтезу виявляється неоднорідним. Але, варіюючи параметри електронно-променевого впливу і умови нагріву, можна знайти такі умови організації процесу, що неоднорідністю фазового складу після синтезу можна буде знехтувати [21].

    6. Залишкові напруги

    Питання про оцінку механічної напруги в зоні обробки є досить актуальним. Відомі в механіці підходи до оцінки залишкових напруг, взагалі кажучи, не дають уявлення про те, з якими незворотними процесами вони пов'язані. На практиці ж важливо знати, як змінюються напруги в зоні обробки при зміні технологічних параметрів, складу оброблюваних шарів і супутніх фізико-хімічних перетворень. В цьому випадку плідним виявляється шлях, заснований на термодинаміки незворотних процесів, вірніше, її узагальненні на деформуються середовища з хімічними перетвореннями і дифузією. Детально узагальнення моделі механіки з використанням ідей термодинаміки описано, наприклад, в [22, 23]. Приклади моделей технологічних процесів, де використовується цей підхід, представлені в [24].

    7. Оцінка механічних властивостей

    оброблених поверхонь

    У серії публікацій [9, 17, 25] та ін. Представлені приватні варіанти моделі технологічного процесу електронно-променевої обробки поверхні металів з використанням модифікуючих частинок [26]. У ванну розплаву, яка формується за рухомим джерелом енергії, відповідним скануючого електронного променя і переміщається в перпендикулярному напрямку плоскої деталі, надходять частки, властивості і склад яких можуть бути різними (що залежить від цілей обробки). Частинки можуть розчинятися

    Мал. 3. Просторовий розподіл титану в пресуванні в різні моменти часу 1) 0,1; 2) 0,6; 3) 0,8; 4) 1,4; 5) 1,6; 6) 3,0 з

    1

    2

    3

    4

    5

    6

    повністю або частково, вступати в хімічні перетворення або поглинати тепло і бути центрами кристалізації.

    Встановлено, що в разі частково розчинних частинок в залежності від технологічних параметрів можливе утворення як композиційного, так і однорідного (гомогенного) модифікованого поверхневого шару. Внаслідок зміни в ході процесу хімічного складу поверхневого шару (освіти, наприклад, безперервного ряду розчинів), причому по-різному в різних частинах поверхні (що залежить від різних умов нагріву і охолодження), змінюються не тільки температура кристалізації, ефективна теплоємність, а й результуючі механічні властивості.

    На рис. 5-7 наведено приклад, який ілюструє можливість оцінки області зміни модуля пружності в результаті модифікації поверхні. Результат залежить від технологічних параметрів. Розрахунок проведено для системи нікель-мідь. Деякі технологічні параметри навмисно обрані так, щоб результати були видні якомога чіткіше: У = 1 см / с (швидкість руху джерела),? 0 = 0,8-1041 / с, # 0 = 4200 Вт / см2, # ", 0 = 1,5 1 / с (константа розчинення, максимальна щільність потужності, витрата частинок), Н0 = НР = 5 см (ширина сканування і ширина області, в яку потрапляють частинки).

    Так, рис. 5 дає уявлення про форму ванни розплаву (темно-сірий колір) і зони термічного впливу (середня область) для двох різних мо-

    У (Т!)

    У, (Т! И!)

    ^ (Т!)

    ^ (Т!)

    1 режим синтезу

    У, (Т! И!)

    2 режим синтезу

    У, (Т! И!)

    3 режим синтезу

    Мал. 4. Залежність інтегральних концентрацій від часу для різних значень початкової температури основи Г ": 1) 1073; 2) 1273; 3) 1473 К

    ментів часу. Часткове розчинення частинок ілюструють поверхні на рис. 6 для тих же моментів часу. Мал. 7 дає верхню і нижню оцінку для ефективного модуля пружності в обробленої до моменту / = 10 з області. З огляду на, що розчинення або структуроутворення може

    протікати і в процесі охолодження зразка, а сам процес термічної обробки може бути багатопрохідним, в результаті подібних розрахунків можемо описати еволюцію модуля пружності при варіюванні технологічних параметрів в заданому діапазоні.

    у, СМ

    20

    15-

    10

    5

    0

    у, см

    1 1 1 1 1 1 1 20-

    - 15 / /

    \ 10 \

    900-. \ - 5 900 \

    1360 | I 0-

    8

    16 24 32 40

    X, СМ

    а

    Мал. 5. Поле температури в моменти часу до а) 10; б) 18 с

    &|

    Про X, СМ

    у, см

    у, см

    а

    Мал. 6. Частка нерастворившихся частинок в моменти часу до а) 10; б) 18 с

    Еа, еА- ГПа 14о 1Зо

    %

    X, см

    16

    24

    32 40

    X, СМ

    у, см

    X, см

    у, см

    а

    Мал. 7. Модуль пружності в зоні обробки. Оцінка: а) верхня; б) нижня

    висновки

    1. Дано уявлення про що розвивається авторами підході до моделювання технологічних процесів поверхневої обробки матеріалів та нанесення покриттів, а також виникають при цьому проблеми.

    2. Для докладного опису необоротних фізико-хімічних явищ, що призводять до зміни властивостей матеріалів в процесі синтезу і обробки, запропоновані моделі технологічних процесів, засновані на нерівноважної термодинаміки.

    3. Всі запропоновані моделі використовують досвід, накопичений в Макрокінетика і хіміко-технологічному моделюванні, і дозволяють на відміну від чисто теплофізичних моделей вивчати в динаміці то, що зазвичай приховано від очей експериментаторів.

    4. Результати чисельного моделювання з визначення хімічного і фазового складу поверхневих шарів і синтезованих матеріалів можна використовувати для оцінки механічних, теплофізичних та інших властивостей.

    0

    8

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. Zhou B.L. Some non-equilibrium thermophysical problems to be studied in materials processing // Material Science and Engineering.

    - 2000. - V. A292. - P. 133-141.

    2. Постольника Ю.С., Тімошпольскій В.І., Андріанов Д.Н., Ратніков П.Е. Інженерні методи розрахунків різних режимів нагріву термомассівних об'єктів в металургійних технологіях в умовах противотока 1. Стан питання. Конвективний нагрів // Інженерно-фізичний журнал. -2004. - Т. 77. - № 3. - С. 3-12.

    3. Постольника Ю.С., Тімошпольскій В.І., Андріанов Д.Н., Трусова І.А. Інженерні методи розрахунків різних режимів нагріву термомассівних об'єктів в металургійних ті-плотехнологіях в умовах протитечії. 2. Радіаційний і радіаційно-конвективний протиточний нагрів // Інженерно-фізичний журнал. - 2004. - Т. 77. - № 6. - С. 3-10.

    4. Головін А.А., Солоненко О.П. Нестаціонарний пов'язаний теплообмін і фазові перетворення при високоенергетичної обробки поверхні. Ч. 1. Обчислювальний метод і його реалізація // Теплофизика і механіка. - 2007. - Т. 14.

    - № 3. - С. 413-428.

    5. Солоненко О.П., Головін А.А. Нестаціонарний пов'язаний теплообмін і фазові перетворення при високоенергетичної обробки поверхні. Ч. 2. Моделювання технологічних процесів // Теплофизика і механіка. - 2007. -Т 14. - № 4. - С. 623-638.

    6. Ковальов О.Б., Орішіч А.М., Петров А.П. і ін. Моделювання фронту плавлення і руйнування плівки розплаву при газолазерной різанні металів // Прикладна механіка і технічна фізика. - 2004. - Т. 45. - № 1. - С. 162-172.

    7. Щукін В.Г, Марусин В.В. Моделювання енергопоглинання в стали потужними вискочастотнимі імпульсами різної частоти // Прикладна механіка і технічна фізика. - 2004.

    - Т. 45. - № 6. - С. 154-168.

    8. Тихонов А.Н., Кальнер В.Д., Гласко В.Б. Математичне моделювання технологічних процесів і метод обернених задач в машинобудуванні. - М .: Машинобудування, 1990. - 264 с.

    9. Князєва А.Г., Поболь І.Л., Гордієнко О.І. і ін. Моделювання теплофізичних і фізико-хімічних процесів, що супроводжують формування покриттів в електронно-променевих технологіях модифікації поверхонь металевих матеріалів // Фізична мезомеханіка. - 2007. - Т. 10. - № 5. -С. 105-119.

    10. Шипко А.А., Поболь І.Л., Урбан І.Г. Зміцнення сталей і сплавів з використанням електронно-променевого нагріву. -Мінськ: Наука і техніка, 1995. - 280 с.

    11. лотки А.І., псів С.Г, Князєва А.Г та ін. Наноінженерії поверхні. Формування нерівноважних станів у поверхневих шарах матеріалів методами електронно-іонноплазменних технологій. - Новосибірськ: Изд-во СО РАН, 2008. - 276 с.

    12. Гегузін Я.Е. Дифузійна зона. - М .: Наука, 1979. - 344 с.

    13. Бокштейн С.З. Дифузія і структура металів. - М .: Металургія, 1973. - 208 с.

    14. Романків П.Г., Рашковская Н.Б., Фролов В.Ф. Масообмінні процеси в хімічній технології (системи з твердою фазою). - Л .: Хімія, 1975. - 336 с.

    15. Букрина Н.В., Князєва А.Г Алгоритм чисельного рішення задач неізотермічної дифузії, що зустрічаються в процесах поверхневої обробки // Фізична мезомеханіка. -2006. - Т. 9. - № 2. - С. 55-62.

    16. Букрина Н.В., Князєва А.Г. Моделювання формування дифузійної зони при імпульсної електронно-променевої обробці матеріалу з покриттям // Известия Томського політехнічного університету. - 2007. - Т. 310. - № 1. -С. 91-95.

    17. Крюкова О.Н. Чисельне дослідження моделі електронно-променевого наплавлення покриттів з модифікують частинками з урахуванням фізико-хімічних перетворень // Известия Томського політехнічного університету. - 2006. - Т. 309. - № 6.

    - С. 120-125.

    18. СороковаС.Н., Князєва А.Г. Моделювання формування фазової структури покриття в процесі електронно-променевої обробки з використанням синтезу в твердій фазі // Теоретичні основи хімічної технологій. - 2008. - Т. 42. -№ 4. - С. 457-465.

    19. Sorokova S.N., Knyazeva A.G. Modeling of coating modification using condensed phase synthesis // Nonequilibrium Processes in Combustion and Plasma Based Technologies: Book of reports of the Intern. Workshop. - Minsk, 2008. - P. 65-69.

    20. Бєлов ГВ. Термодинамічне моделювання: методи, алгоритми, програми. - М .: Науковий Світ, 2002. - 184 с.

    21. Сорокова С.Н., Князєва А.Г. Моделювання синтезу интерме-талліда на підкладці циліндричної форми // Фізична мезомеханіка. - 2009. - Т. 12 - № 5. - С. 77-90.

    22. Князева А.Г. Про моделювання необоротних процесів в матеріалах з великим числом внутрішніх поверхонь // Фізична мезомеханіка. - 2003. - Т. 6. - № 5. - С. 11-27.

    23. Князева А.Г. Дифузія і реологія в локально-рівноважної термодинаміки // В сб .: Математичне моделювання систем і процесів / під ред. П.В. Трусова. - Перм: Вид-во ПермГТУ, 2005. - С. 45-60.

    24. Букрина Н.В., Князєва А.Г. Про оцінку механічної напруги в матеріалі з покриттям в умовах іонного бомбардування // Фізична мезомеханіка. - 2008. - Т. 11. - № 5. -С. 95-102.

    25. Крюкова О.Н., Князєва А.Г. Критичні явища при розчиненні частинок у ванні розплаву в процесі електронно-променевої наплавлення покриттів // Прикладна механіка і технічна фізика. - 2007. - Т. 48. - № 1. - С. 131-142.

    26. Белюк С.І., Панін В.Є. Електронно-променева порошкова металургія в вакуумі: обладнання, технологія і застосування // Фізична мезомеханіка. - 2002. - Т. 5. - № 1. -С. 99-104.

    Надійшла 03.11.2009 р.


    Ключові слова: моделювання технологічних процесів і їх стадій / нерівноважна термодинаміка / поверхнева обробка матеріалів / нанесення покриттів / modeling of the technological processes and them stages / nonequilibrium thermodynamics / surface material treatment / coating

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити