Проект РФФИ № 18-41-220004

Название проекта:

Физико-математическое моделирование СВ-синтеза алюминидов никеля и титана и компьютерное проектирование плазменных функциональных покрытий на их основе

Physical and mathematical simulation of the SH-synthesis of nickel and titanium aluminides and computer-aided design of plasma functional coatings based on them

Номер государственной регистрации НИР: № АААА-А18-118070590037-5

Организация — исполнитель — ФГБОУ ВО «Алтайский государственный университет»
Научный руководитель проекта — доцент., к.ф.-м.н. Иордан Владимир Иванович
Срок выполнения проекта — 01.01.2018 – 31.12.2020

Аннотация отчёта о выполнении первого промежуточного этапа проекта (за 2018 год)

Данное исследование состоит в разработке концептуальных и алгоритмических основ для компьютерного 3D-моделирования макрокинетики СВ-синтеза алюминидов никеля и титана с учетом дискретно-континуальных представлений о структуре упаковки частиц в исходной смеси и структуре образования интерметаллических фаз в реагирующей среде, в определении режимов локально неустойчивого микрогетерогенного горения средствами высокоскоростной видеорегистрации и Trace-анализа карт дифференциальной хроноскопии (ДХС) СВ-синтеза, позволившими подтвердить наличие малоизученных и быстропротекающих процессов дискретного распада тепловой структуры волны СВС.

В дополнение к исследованию макрокинетики СВС выполнены вычислительные эксперименты (ВЭ) в пакете LAMMPS c использованием метода «молекулярной динамики (МД)» и режима параллельных вычислений по исследованию микрокинетики СВ-синтеза алюминидов никеля и титана в наноразмерных слоистых структурах бинарных систем Ni-Al и Ti-Al, а также по выявлению особенностей и отличий микрокинетики от макрокинетики СВС в таких системах. Кроме того, осуществлено уточнение моделей морфологии сплэтов с целью совершенствования методики и программного пакета для компьютерного проектирования (моделирования) покрытий и предсказания их функциональных характеристик.

В соответствии с основной целью проекта, на первом этапе исследований по первой задаче проекта получены следующие результаты:

  1. Реализована методика и программа стохастической генерации структуры упаковки частиц исходной порошковой смеси и на этой основе разработан алгоритм подготовки расчетной области для вычислений по сеточным 3D-схемам;
  2. Разработан алгоритм сеточных вычислений, использующий «структуру данных» расчетной области и реализующий сеточные 3D-схемы двуциклического расщепления Кранка-Николсона, учитывающие разрыв 1-го рода в теплофизических параметрах уравнений теплопроводности и кинетики и обеспечивающие «консервативность» сеточных схем;
  3. Выполнены вычислительные эксперименты (ВЭ) в пакете LAMMPS c использованием метода МД и режима параллельных вычислений по исследованию микрокинетики СВ-синтеза алюминидов никеля и титана в наноразмерных слоистых структурах бинарных систем Ni-Al и Ti-Al, выявлены особенности и отличия микрокинетики от макрокинетики СВС в таких системах: скорость движения волны горения в наноразмерных слоистых системах более чем на два порядка выше по сравнению с макрообразцами (более высокая скорость горения коррелирует с более высоким значением удельной поверхности контакта частиц-реагентов).

На первом этапе исследований по второй задаче проекта получены следующие результаты:

  1. Проведена большая серия экспериментов с видеорегистрацией движения волны горения на примере хорошо изученной системы Ni-Al, с режимом горения которой сопоставлялись пределы неустойчивого горения в других экзотермических смесях. Первые результаты применения высокоскоростной микропирометрии проявились в обнаружении кратковременных сверхадиабатических температур во фронте горения системы Ni-Al и обнаружении свойств когерентности и периодичности в движении волны СВС на основе вычисления карт ДХС согласно специально разработанному алгоритму;
  2. Кроме того, для распознавания локально неустойчивого микрогетерогенного горения была разработана методика анализа «фазового портрета» карт ДХС волны горения СВС с помощью программно-реализованных алгоритмов Trace-преобразования, использующих различные Trace-функционалы, и последующего вычисления гистограммных признаков Trace-образов карт ДХС. Эффективность распознавания неустойчивости горения с применением гистограммных признаков для Trace-образов карт ДХС была показана не только для «модельных» карт ДХС, но и для карт ДХС, вычисленных по результатам видеорегистрации реального процесса горения в системе Ni-Al с различной степенью разбавления ее инертной добавкой. А именно, при разбавлении свыше 20% инертом наблюдается дискретный распад (неустойчивость) волны горения.

На первом этапе исследований по третьей задаче проекта выполнено следующее:

  1. Осуществлено уточнение моделей морфологии сплэтов: наряду с традиционной цилиндрической моделью получены расчетные формулы профилей поверхности для «сглаженного» сплэта и сплэта с «валиком» на его периферии (для металлического сплэта), которые внедрены в программный пакет для компьютерного проектирования покрытий (моделирования) формирования слоистой структуры газотермических покрытий и предсказания их функциональных характеристик.
  2. Кроме того, разработан и программно реализован алгоритм моделирования шероховатой поверхности подложки при ее пескоструйной обработке (с целью увеличения адгезионной прочности сцепления покрытия с подложкой).
  3. Выполнена большая серия вычислительных экспериментов (ВЭ) по моделированию слоистой микроструктуры двуслойных термобарьерных покрытий NiAl-YSZ, использующих в качестве первого подслоя напыленный слой из частиц алюминида никеля и второго слоя из стабилизированного иттрием керамических частиц 7мас.%Y2O3-ZrO2 (YSZ). Для двух модельных морфологий сплэтов (цилиндрической и модели сглаженного сплэта) рассчитано семейство функциональных зависимостей пористости и шероховатости от «ключевых физических параметров» (от температуры, скорости, диаметра напыляемых частиц и температуры подложки), вычислены и построены изображения шлифов покрытий. Сравнение результатов моделирования для модели сглаженного сплэта показало достаточно высокую степень близости к экспериментальным данным и не всегда «приемлемые» результаты для цилиндрической модели. Результаты моделирования покрытий, дополняя «неполные» экспериментальные данные в научной литературе, направлены на систематизацию данных о свойствах покрытий и на установление взаимосвязи между режимами напыления покрытий и их функциональными (эксплуатационными) характеристиками.

Исполнители

Научный отчет за 2018 г.