Многомасштабное моделирование процессов обработки порошковых материалов для аддитивного производства в индуктивно-связанной плазме

Рассмотрены подходы к математическому моделированию на макро- и мезомасштабе динамики движения частиц металлического порошка в конденсационной камере плазменного реактора, сфероидизации, коагуляции и фазовых переходов, происходящих с частицами. Описаны особенности различных режимов парообразования и конденсации, а также влияние на процесс таких явлений, как броуновское движение и термофорез. Определены параметры процесса, при которых достигается формирование частиц типа «ядро–оболочка». Модель может быть применена при оптимизации и выборе эффективных режимов для обработки и синтеза порошковых материалов в индуктивно-связанной плазме.

1. Boulos M.I. The inductively coupled R.F. (radio frequency) plasma // Pure Appl. Chem. 1985. V. 57, No 9. P. 1321–1352. doi: 10.1351/pac198557091321.

2. Boulos M.I., Gagne R., Barnes R.M. Effect of swirl and confinement on the flow and temperature fields in an inductively coupled r.f. plasma // Can. J. Chem. Eng. 1980. V. 58, No 3. P. 367–376. doi: 10.1002/cjce.5450580313.

3. Proulx P., Mostaghimi J., Boulos M.I. Plasma-particle interaction effects in induction plasma modeling under dense loading conditions // Int. J. Heat Mass Transfer. 1985. V. 28, No 7. P. 1327–1336. doi: 10.1016/0017-9310(85)90163-2.

4. Bernardi D., Colombo V., Ghedini E., Mentrelli A. Three-dimensional modeling of inductively coupled plasma torches // Pure Appl. Chem. 2005. V. 77, No 2. P. 359–372. doi: 10.1351/pac200577020359.

5. Aghaei M., Bogaerts A. Particle transport through an inductively coupled plasma torch: Elemental droplet evaporation // J. Anal. At. Spectrom. 2015. V. 31, No 3. P. 631–641. doi: 10.1039/C5JA00162E.

6. Benson С.M., Gimelshein S.F., Levin D.A., Montaser A. Simulation of droplet heating and desolvation in an inductively coupled plasma – Part I // Spectrochim. Acta, Part B. 2001. V. 56, No 7. P. 1097–1112. doi: 10.1016/S0584-8547(01)00233-6.

7. Shemakhin A.Yu., Zheltukhin V.S. Mathematical modelling of RF plasma flow at low pressures with 3d electromagnetic field // Adv. Mater. Sci. Eng. 2019. V. 2019. art. 7120217. doi: 10.1155/2019/7120217.

8. Файрушин И.И. Аналитический расчет состава термической пылевой плазмы с металлическими частицами // Химия высоких энергий. 2020. Т. 54, № 6. с. 497–500. doi: 10.31857/S0023119320060042.

9. Sect. 16.4: Mixture Model Theory // ANSYS FLUENT 12.0 Theory Guide. Ch. 16: Multiphase Flows. Canonsburg, PA: ANSYS, Inc., 2009. URL: www.afs.enea.it/project/neptunius/docs/fluent/html/th/node308.htm.

10. Gray D.D., Giorgini A. The validity of the Boussinesq approximation for liquids and gases // Int. J. Heat Mass Transfer. 1976. V. 19, No 5. P. 545–551. doi: 10.1016/0017-9310(76)90168-X.

11. Luo Z., Zhao Y. A survey of finite element analysis of temperature and thermal stress fields in powder bed fusion Additive Manufacturing // Addit. Manuf. 2018. V. 21. P. 318–332. doi: 10.1016/j.addma.2018.03.022.

12. Tsivilskiy I.V., Gilmutdinov A.Kh., Nikiforov S.A., Rublya R.S., Khamidullin B.A., Melnikov A.S., Nagulin K.Yu. An experimentally verified three-dimensional nonstationary fluid model of unloaded atmospheric pressure inductively coupled plasmas // J. Phys. D: Appl. Phys. 2020. V. 53, No 45. art. 455203. doi: 10.1088/1361-6463/aba45f.