Моделирование процесса окисления интерметаллидов TiAl и Ti3Al вследствие зернограничной диффузии кислорода
https://doi.org/10.26907/2541-7746.2023.3.307-321
Аннотация
Предложена диффузионно-кинетическая модель для анализа процесса окисления в наноструктурированном материале с явным выделением границ зерен. Предполагается, что скорость миграции кислорода вдоль границ превышает скорость его перемещения в объеме зерен. Учтены стадии разложения и образования интерметаллидов и образования оксидов, как в границах, так и в объеме зерен. Задача решена численно. Проведено сравнение динамики окисления для разных материалов с разными свойствами зерен.
При поддержке: Работа выполнена в рамках государственного задания ИФПМ СО РАН, тема номер FWRW-2022-0003.
Об авторах
М. В. Чепак-Гизбрехт
Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН)
Россия
Россия
Чепак-Гизбрехт Мария Владимировна, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник лаборатории нелинейной механики метаматериалов и многоуровневых систем
Академический просп., д. 2/4, г. Томск, 634021
А. Г. Князева
Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН)
Россия
Россия
Князева Анна Георгиевна, доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник лаборатории нелинейной механики метаматериалов и многоуровневых систем
Академический просп., д. 2/4, г. Томск, 634021
Список литературы
1. Swad´zba R., Marugi K., Pyclik J. STEM investigations of γ -TiAl produced by additive manufacturing after isothermal oxidation // Corros. Sci. 2020. V. 169. Art. 108617. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2020.108617.
2. Dai J., Zhu J., Chen C., Weng F. High temperature oxidation behavior and research status of modifications on improving high temperature oxidation resistance of titanium alloys and titanium aluminides: A review // J. Alloys Compd. 2016. V. 685. P. 784–798. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.06.212.
3. Колубаев Е.А., Рубцов В.Е., Чумаевский А.В., Астафурова Е.Г. Научные подходы к микро-, мезо- и макроструктурному дизайну объемных металлических и полиметаллических материалов с использованием метода электронно-лучевого аддитивного производства // Физ. мезомехан. 2022. Т. 25, № 4. С. 5–18. https://doi.org/10.55652/1683-805X_2022_25_4_5.
4. Lim H.P., Liew W.Y.H., Melvin G.J.H., Jiang Z.-T. A short review on the phase structures, oxidation kinetics, and mechanical properties of complex Ti-Al alloys // Materials. 2021. V. 14, No 7. Art. 1677. https://doi.org/10.3390/ma14071677.
5. Fisher J.C. Calculation of diffusion penetration curves for surface and grain boundary diffusion // J. Appl. Phys. 1951. V. 22, No 1. P. 74–77. https://doi.org/10.1063/1.1699825.
6. Kaur I., Gust W. Fundamentals of Grain and Interphase Boundary Diffusion. Stuttgart: Ziegler Press, 1989. 422 p.
7. Herzig C., Divinski S.V. Grain boundary diffusion in metals: Recent developments // Mater. Trans. 2003. V. 44, No 1. P. 14–27. https://doi.org/10.2320/matertrans.44.14.
8. Belova I.V., Murch G.E. Diffusion in nanocrystalline materials // J. Phys. Chem. Solids. 2003. V. 64, No 5. P. 873–878. https://doi.org/10.1016/S0022-3697(02)00421-3.
9. Knyazeva A., Kryukova O., Maslov A. Two-level model of the grain boundary diffusion under electron beam action // Comput. Mater. Sci. 2021. V. 196. Art. 110548. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2021.110548.
10. Gryaznov D., Fleig J., Maier J. Finite element simulation of diffusion into polycrystalline materials // Solid State Sci. 2008. V. 10, No 6. P. 754–760. https://doi.org/10.1016/j.solidstatesciences.2008.03.030.
11. Jaseliunaite J., Galdikas A. Kinetic modeling of grain boundary diffusion: The influence of grain size and surface processes // Materials. 2020. V. 13, No 5. Art. 1051. https://doi.org/10.3390/ma13051051.
12. D´ıaz A., Cuesta I.I., Martinez-Pa˜neda E., Alegre J.M. Analysis of hydrogen permeation tests considering two different modelling approaches for grain boundary trapping in iron // Int. J. Fract. 2020. V. 223, No 1–2. P. 17–35. https://doi.org/10.1007/s10704-019-00411-8.
13. Jaseliunaite J., Povilaitis M., Galdikas A. Kinetic modeling of grain boundary diffusion: Typical, bi-modal, and semi-lamellar polycrystalline coating morphologies // Coatings. 2022. V. 12, No 7. Art. 992. https://doi.org/10.3390/coatings12070992.
14. Hamm M., Pundt A. FEM simulation supported evaluation of a hydrogen grain boundary diffusion coefficient in MgH 2 // Int. J. Hydrogen Energy. 2017. V. 42, No 35. P. 22530–22537. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.05.050.
15. Svoboda J., Stopka J., Fisher F.D. Two-dimensional simulation of reactive diffusion in binary systems // Comput. Mater. Sci. 2014. V. 95. P. 309–315. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2014.07.041.
16. Bhatia M.A., Zhang X., Azarnoush M., Lu G., Solanki K.N. Effects of oxygen on prismatic faults in α-Ti: A combined quantum mechanics/molecular mechanics study // Scripta Mater. 2015. V. 98. P. 32–35. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2014.11.008.
17. Chen X., Huang L., Jiao Y., Wang S., An Q., Bao Y., Geng L. Mechanisms of oxidation anisotropy between α-Ti (0001) and (011¯0) crystallographic planes in titanium matrix composites // Mater. Lett. 2021. V. 286. Art. 129230. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2020.129230.
18. Bokstein B., Rodin A., Itckovitch A., Klinger L. Segregation and phase transitions in grain boundaries // Diffus. Found. 2019. V. 22, P. 160–169. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/DF.22.160.
19. Poletaev G.M. Self-diffusion in liquid and solid alloys of the Ti-Al system: Molecular dynamics simulation // J. Exp. Theor. Phys. 2021. V. 133, No 4. P. 455–460. https://doi.org/10.1134/S1063776121090041.
20. Rakitin M.S., Mirzoev A.A., Mirzaev D.A. First-principles and thermodynamic simulation of elastiс stress effect on energy of hydrogen dissolution in alpha iron // Russ. Phys. J. 2018. V. 60, No 12. P. 2136–2143. https://doi.org/10.1007/s11182-018-1337-2.
21. Chepak-Gizbrekht M.V., Knyazeva A.G. Oxidation of TiAl alloy by oxygen grain boundary diffusion // Intermetallics. 2023. V. 162. Art. 107993. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2023.107993.
22. Chepak-Gizbrekht M.V., Knyazeva A.G. Grain boundary diffusion effect on Ti 3 Al alloy oxidation // Russ. Phys. J. 2022. V. 65, No 7. P. 1130–1137. https://doi.org/10.1007/s11182-022-02741-y.
23. Mishin Y., Herzig Chr. Diffusion in the Ti–Al system // Acta Mater. 2000. V. 48, No 3. P. 589–623. https://doi.org/10.1016/S1359-6454(99)00400-0.
24. Das S. The Al-O-Ti (Aluminum-oxygen-titanium) system // J. Phase Equilib. 2002. V. 23, No 6. P. 525–536. https://doi.org/10.1361/105497102770331271.
25. Datta P.K., Du H.L., Burnell-Gray J.S., Ricker R. Corrosion of intermetallics // ASM Handbook. V. 13B: Corrosion: Materials. Cramer S.D., Covino, B.S., Jr. (Eds.). ASM Intl., OH: Materials Park, 2005. P. 490–512. https://doi.org/10.31399/asm.hb.v13b.9781627081832.
26. Jing Y., Lingyan K., Xinyu C., Yongshan T., Tiefan L., Tianying X. Improvement in the oxidation resistance of TiAl based alloy by cold spraying Al coating and subsequent interdiffusion treatment // Персп. матер. 2011. № S13. С. 295–300.
27. Гарип Й., Оздемир О. Изучение термоциклического окисления двухфазных электроспеченных титаналюминиевых сплавов с добавками хрома, молибдена и кремния // Физ. метал. и металловед. 2020. Т. 121, № 1. С. 365–373. https://doi.org/10.31857/S001532302004004X.
28. Demidov V.N., Knyazeva A.G. Multistage kinetics of the synthesis of Ti–T x Ci y composite // Nanosci. Technol. Int. J. 2019. V. 10, No 3. P. 195–218. https://doi.org/10.1615/NanoSciTechnolIntJ.2019031220.
29. Cobbinah P.V., Matizamhuka W.R. Solid-state processing route, mechanical behaviour, and oxidation resistance of TiAl alloys // Adv. Mater. Sci. Eng. 2019. V. 2019. Art. 4251953. https://doi.org/10.1155/2019/4251953.
Рецензия
Для цитирования:
Чепак-Гизбрехт М.В., Князева А.Г. Моделирование процесса окисления интерметаллидов TiAl и Ti3Al вследствие зернограничной диффузии кислорода. Ученые записки Казанского университета. Серия Физико-математические науки. 2023;165(3):307-321. https://doi.org/10.26907/2541-7746.2023.3.307-321
For citation:
Chepak-Gizbrekht M.V., Knyazeva A.G. Modeling the oxidation process of TiAl and Ti3Al intermetallic compounds due to grain-boundary diffusion of oxygen. Uchenye Zapiski Kazanskogo Universiteta. Seriya Fiziko-Matematicheskie Nauki. 2023;165(3):307-321. (In Russ.) https://doi.org/10.26907/2541-7746.2023.3.307-321
Просмотров:
313
Послать статью по эл. почте 