kabobo.ru Моделирование процесса модификации физических свойств покрытия tin
страница 1
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА МОДИФИКАЦИИ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОКРЫТИЯ TiN ПРИ БОМБАРДИРОВКИ ПОТОКОМ ИОНОВ Al+ И B+
Букрина Н.В., Князева А.Г., Сергеев В.П.

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН

пр-т. Академический 2/1, Томск, Россия
Введение
С целью повышения износостойкости материала широкое применение получили покрытия на основе нитрида титана (TiN). Вследствие значительного увеличения объемной доли границ раздела такие покрытия проявляют в ряде случаев уникальное сочетание свойств: высокую твердость, износостойкость, окислительную стойкость и, одновременно, высокий коэффициент упругого восстановления, и низкий коэффициент трения. Одним из эффективных способов направленного изменения структуры и состава покрытия является бомбардировка пучками ионов высокой энергии после осаждения покрытия. При этом возникает высокий градиент концентрации легирующих элементов в поверхностном слое покрытия, что приводи к значительному диффузионному перераспределению элементов по толщине покрытия.

Экспериментальные исследования структуры покрытия после обработки не дают полного представления о том, какие процессы привели к образованию той или иной структуры. В этом случае помощь может оказать математическое моделирование. Моделирование технологического процесса необходимо и с целью дальнейшей оптимизации технологии, выбора технологических параметров. В настоящей работе предложена и исследуется математическая модель процесса модификации поверхностного слоя покрытия комбинированным потоком ионов.


Математическая постановка задачи
Пусть на образец из армко-железа каким либо образом нанесено покрытие из нитрида титана (рис. 1). Далее образец подвергается обработке потоком ионов Al+ и B. В процессе обработки происходит внедрение ионов в поверхностный слой покрытия, его разогрев. Вследствие теплопроводности прогревается и подложка. Для обеспечения большего теплоотвода подложка может контактировать с высокотеплопроводным материалом, что не всегда используется. Дополнительные потери тепла обеспечиваются излучением. В ходе обработки происходит перераспределение элементов, образование различных соединений и фаз в поверхностном слое покрытия.




Рис.1

В данной работе ограничимся конечными уравнениями данного технологического процесса, так как вывод содержался в работе [1].

Обозначения, использованные далее для соединений и элементов в кинетических и диффузионных уравнениях, представлены в таблице 1.

Таблица 1


Ti

N

AL

B

TiAlBN

TiB2

TiB

AlB12

C1

C2

C3

C4

C5

C6

C7

C8

Математическая постановка задачи о формировании структуры покрытия в ходе данного технологического процесса имеет следующий вид.

Считаем, что на границах между слоями выполняются условия идеального теплового контакта, что означает равенство температур и потоков тепла при переходе через границу раздела материалов, все материалы обладают высокой теплопроводностью, а толщины всех слоев (и покрытия, и подложки) – малы.

(1)

Первое слагаемое в (1) есть тепловыделение по закону Стефана-Больцмана, второе – отражает разогрев материала за счет внедрения в него ионов, третье слагаемое – тепловыделение за счет химических реакций.

В соответствии с этим уравнением и будет меняться средняя температура образца.

Для каждого из элементов, присутствующих в покрытии изначально, и попадающих туда ионов записываем уравнения переноса



, , (2).

Для соединений, которые не диффундируют, справедливы кинетические уравнения



, (3).

Используя обозначение



(4),

где – плотность потока массы ого компонента.

Заменим импульсный источник эффективным из условия

(5)

где -число импульсов, -время действия одного импульса.

Из (5) получаем постоянный эффективный источник, эквивалентный экспериментальному.

При расчете с импульсным потоком третье слагаемое в (2) принимает вид:



.

С постоянным же источником – - «эффективный» или эквивалентный источник.



;

- сумма источников и стоков данного элемента в объеме за счет химических реакций; - максимальная «скорость» внешнего потока частиц сорта k (ионов алюминия, , и бора, ); - их молярные массы, ; - массовый поток компонента вследствие концентрационной диффузии. В самом простейшем варианте можем принять

, (4)

где - эффективный коэффициент диффузии элемента в покрытии, м2/с.

Принимая во внимание имеющиеся результаты экспериментального исследования структуры и состава покрытий по окончании процесса обработки ([2, 3] и др.), из принципиально возможных реакций выделим следующие

(образование твердого раствора) (I)

(экзотермическая реакция) (II)

(экзотермическая реакция) (III)

(экзотермическая реакция) (IV).

Тогда кинетические функции могут быть записаны в виде



; ;

; .

В соответствии с реакционной схемой имеем



; ; ;

; (5)

; ; ;

Так как для реализованных в экспериментах условий покрытие для процесса диффузии имеет «бесконечную толщину», т.е., его толщина много превышает характерный диффузионный масштаб, задача диффузии замыкается простыми граничными условиями:



(6).

В начальный момент времени концентрации элементов заданы:



(7).

Задача (1) – (3) с условиями (6), (7) решается численно по неявной консервативной разностной схеме с использованием метода прогонки. Используется специальный алгоритм, описанный в [3]. Согласно этому алгоритму, задачи теплопроводности и диффузии решаются на разных, но согласованных, разностных схемах. Так как в рассматриваемой здесь модели не учитывается распределение температуры по координате, алгоритм сводится к согласованию шагов по времени диффузионной и тепловой подзадач в соответствии с характерными скоростями процессов теплопроводности и диффузии. Система кинетических уравнений решается независимо методом Рунге-Кутта с автоматическим выбором шага на каждом шаге решения тепловой задачи.

Для удобства анализа результатов и сравнения теории с экспериментом при численном исследовании задачи анализируются распределения не только мольных концентраций, но и атомных и массовых.

Если - мольные концентрации; моль/см3; то - число молекул или атомов в единице объема; - число Авогадро. Тогда



- число атомов Ti

- число атомов N

- число атомов Al

- число атомов B.

Иногда оказываются полезными относительные концентрации



; ; ; .

Массовые концентрации веществ определяются формулами



,

где - парциальные плотности компонентов; - их молярные массы Очевидно, что



; .
Свойства веществ - основы (Fe) и покрытия (TiN), использованные в расчетах, взяты из [5, 6, 7]

, , Дж/(гр К); , , см;; моль/см3; , , , гр/моль;

Некоторые параметры задачи не известны из условий эксперимента. Они подбираются путем численного исследования таким образом, чтобы в конце процесса качественно получить экспериментальное распределение элементов в покрытии , Дж/моль; моль/см2; ; .

В задаче так же исследуется влияние этих параметров на формирования переходной зоны.

Оценку значений констант скоростей химических реакций проводили с помощью известных термодинамических формул аналогично [8]. Порядок этих параметров для каждой из наших возможных реакций составил соответственно: 1/с.



В качестве примера приведем распределения концентраций Al и B по пространству в конце времени обработки (в течении 1 часа). Что качественно отражает полученные экспериментально зависимости распределения этих концентраций в конце процесса обработки.



Рис.1.  Пространственное распределение ионов в покрытии в последний момент времени (1 час) при параметрах источника , .


Литература.

  1. Букрина Н. В., Князева А. Г., Сергеев В. П. Математическая модель процесса ионной модификации покрытия // сборник научных трудов Российской школы-конференции молодых ученых и преподавателей «Биосовместимые наноструктурные материалы и покрытия медицинского назначения». 25 сентября-1 октября, Белгород, Россия.-2006.-с. 319-323

  2. Сергеев В. П. Сверхтвердые нанокомпозитные покрытия на основе нитрида титана, легированного медью, алюминием или углеродом // В кн.: Деформация, локализация, разрушение. Сб. статей / под ред. Л.Б. Зуева. - Томск. - Изд-во НТЛ,2005. - с.112-126.

  3. Панин В. Е., Сергеев В. П., Федорищева М. В. и др. структура и механические свойства нанокристаллических покрытий на основе карбидов и нитридов титана и алюминия // Физическая мезомеханика. Спец. выпуск.–Т.7,ч.2.– 2004.–с. 321-324.

  4. Букрина Н. В., Князева А. Г. Алгоритм численного решения задач неизотермической диффузии, встречающихся в процессах поверхностной обработки // Физическая мезомеханика. – Т.9.–№ 2.–2006.– с. 55-62.

  5. Лариков Л. Н, Юрченко Ю. Ф. Тепловые свойства металлов и сплавов - справочник, Киев, 1985. – с. 437

  6. Лариков Л. Н., Исайчев В. И. Диффузия в металлах и сплавах - справочник, Киев: Наукова думка, 1987.– с. 509.

  7. Стали и сплавы. Марочник. Справочное издание / ред. В.Г. Сорокин и др.–М.: Интермет Инженеринг, 2001.–608с.

  8. Крюкова О.Н. Численное исследование модели электронно-лучевой наплавки покрытий с модифицирующими частицами с учетом физико-химических превращений // Известия ТПУ. –№6.–2006, – с.120-125.

страница 1
скачать файл

Смотрите также:
Моделирование процесса модификации физических свойств покрытия tin при бомбардировки потоком ионов al+ и b+
73.99kb. 1 стр.

Моделирование Работа 16 Компьютерное моделирование свободного падения
462.38kb. 4 стр.

Выполнялась в рамках международного эксперимента, проводившегося по программе «Интеркосмос»
60.64kb. 1 стр.

© kabobo.ru, 2017