Распределение микрочастиц диборида титана, введенных в алюминиевый слиток при помощи МГД-перемешивания кристаллизующегося расплава
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2022.15.4.34Ключевые слова:
МГД-перемешивание, численный эксперимент, алюмокомпозит, микрочастицы, распределение частиц, физический экспериментАннотация
Рассматривается способ введения армирующих микрочастиц диборида титана TiB2 (1–5 мкм) в расплав алюминия А0 путем воздействия на жидкий металл вращающимся и бегущим магнитными полями. В этих условиях при помощи численного моделирования исследуется поведение макро- и микрочастиц в тигле с жидким алюминием. Математическая и численная модели предусматривают решение нескольких подзадач: расчет электромагнитного поля МГД-перемешивателя и лоренцевых сил в тигле с жидким металлом; изучение движения жидкого алюминия в тигле, вызванного лоренцевыми силами, определение формы свободной поверхности расплава, формирующейся при его вращении; нахождение траекторий движения и распределения в объеме металла макро- и микрочастиц. Приводится описание и результаты серии физических экспериментов по внедрению микрочастиц TiB2 в жидкий алюминий с его последующей направленной кристаллизацией при непрерывном МГД-перемешивании, производимом бегущим и вращающимся магнитными полями. В экспериментах опробовано два варианта ввода микрочастиц в жидкий алюминий. В первом варианте армирующие частицы вносились в жидкий металл в составе таблеток, спрессованных в смеси с микрочастицами алюминия, во втором – микрочастицы изначально располагались на дне и прикрывались алюминиевой пластиной, затем в тигель заливался алюминий. Анализ физических характеристик полученного материала слитков и результатов исследования его на оптическом и электронном микроскопах показал, что распределение микрочастиц в ядре слитков близко к равномерному и качественно согласуется с результатами численных экспериментов.
Скачивания
Библиографические ссылки
Borisov V.G., Kazakov А.А. New method for synthesis of metal matrix composites // Proc. of the ALUMITECH’97, Atlanta, GA, USA, May 19-23, 1997. P. 191-203.
Косников Г.А., Борисов В.Г. Перспективные направления создания металломатричных литейных и деформируемых композиционных материалов нового поколения // Литейное производство сегодня и завтра: материалы 8-й Всероссийской научно-практической конференции. Санкт-Петербург, 23-25 мая 2010 г. СПб.: СПбПУ, 2010. С. 64 75.
Borisov V. Aluminum-dased cmposite billets produced by plasma injectin and thixocasting // Light Metal Age. 2017. April. P. 48-51.
Gelfgat Yu., Skopis M., Grabis J. Electromagnetically driven vortex flow to introduce small solid particles into liquid metal // Magnetohydrodynamics. 2005. Vol. 41. P. 249-254.
Алимова О.Т., Гришанова М.С., Минаев А.А. Патент РФ № 117439 от 16.03.2012 г.
Серебряков С.П., Ларионов А.Я., Изотов В.А., Зимина М.Н. Патент РФ № 2348719 С2 от 20.11.2006 г.
Борисов В.Г., Юдаков А.А., Хрипченко С.Ю., Денисов С.А., Зайцев В.Н. Патент РФ № 2144573 от 27.06.1995 г.
Bojarevics V., Djambazov G.S., Pericleous K.A. Contactless ultrasound generation in a crucible // Metall. Mater. Trans. A. 2015. Vol. 46. P. 2884-2892. https://doi.org/10.1007/s11661-015-2824-5
Grants I., Gerbeth G., Bojarevičs A. Contactless magnetic excitation of acoustic cavitation in liquid metals // J. Appl. Phys. 2015. Vol. 117. 204901. https://doi.org/10.1063/1.4921164
Бродова И.Г., Уймин М.А., Астафьев В.В., Котенков П.В., Попова Э.А., Яблонских Т.И. Синтез алюминиевых композитов с наноразмерными частицами карбида и борида титана // ПОМ. 2013. Т. 3, № 2. С. 91-94.
Kaldre I., Bojarevics A. Electromagnetic contactless method for metal matrix composite production // Magnetohydrodynamics. 2020. Vol. 56. P. 325-331. https://doi.org/10.22364/mhd.56.2-3.24
Ворожцов А.Б., Данилов П.А., Жуков И.А., Хмелева М.Г., Платов В.В., Валихов В.Д. Влияние внешних воздействий на расплав и неметаллических наночастиц на структуру и механические характеристики легких сплавов на основе алюминия и магния // Вестн. Томск. гос. ун-та. Матем. и мех. 2020. № 64. C. 91-105. https://doi.org/10.17223/19988621/64/7
Khripchenko S., Dolgikh V., Kiselkov D. Experiment on Injection of SIC and BN Nanoparticles into liquid aluminum using MHD stirring with subsequent crystallization of the melt // J. Phys.: Conf. Ser. 2021. Vol. 1945. 012017. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1945/1/012017
Khripchenko S.Yu., Siraev R.R. Influence of toroidal MHD stirring on liquid metal crystallization front motion and heat transfer in a cylindrical crucible // Magnetohydrodynamics. 2019. Vol. 55. P. 447-454. https://doi.org/10.22364/mhd.55.4.6
Grants I., Räbiger D., Vogt T., Eckert S., Gerbeth G. Application of magnetically driven tornado-like vortex for stirring floating particles into liquid metal // Magnetohydrodynamics. 2015. Vol. 51. P. 419-424.
Cramer A., Pal J., Gerbeth G. Experimental investigation of a flow driven by a combination of a rotating and a traveling magnetic field // Phys. Fluids. 2007. Vol. 19. 118109. https://doi.org/10.1063/1.2801407
Timofeev V., Khatsayuk M. Design fundamentals for MHD stirrers for molten metals // Magnetohydrodynamics. 2016. Vol. 52. P. 495-506.
Хрипченко С.Ю., Долгих В.М., Денисов С.А., Колесниченко И.В., Никулин Л.В. Формирование структуры и свойств алюминиевых слитков в условиях магнитогидродинамического воздействия // Цветные металлы. 2013. № 4. C. 70 73.
Brackbill J.U., Kothe D.B., Zemach C. Continuum method for modelling surface tension // J. Comput. Phys. 1992. Vol. 100. P. 335-354. https://doi.org/10.1016/0021-9991(92)90240-Y
Timofeev V., Pervukhin M., Vinter E., Sergeev N. Behavior of non-conducting particles in molten aluminium cast into electromagnetic molds // Magnetohydrodynamics. 2020. Vol. 56. P. 459-472. https://doi.org/10.22364/mhd.56.4.10
Schiller L., Naumann A. Uber die grundlegenden Berechnungen bei der Schwerkraftaufbereitung // Z. Ver. Dent. Ing. 1933. Bd. 77. P. 318-320.
Siraev R.R., Khripchenko S.Yu. MHD stirring of liquid metal in crucibles with circular and square cross sections under rotating magnetic field // Magnetohydrodynamics. 2018. Vol. 54. P. 277-286. https://doi.org/10.22364/mhd.54.3.7
Siraev R.R., Khripchenko S.Yu. Liquid metal exposed to rotating and travelling magnetic fields in crucibles with circular and square cross-sections // Magnetohydrodynamics. 2018. Vol. 54. P. 287-297. https://doi.org/10.22364/mhd.54.3.8
###
Borisov V.G., Kazakov А.А. Proc. of the ALUMITECH’97, Atlanta, GA, USA, May 19-23, 1997. Pp. 191-203.
Kosnikov G.A., Borisov V.G. Proc. of the 8th Russian scientific-practical conference "Foundry production today and tomorrow". St. Petersburg, May 23-25, 2010. St. Petersburg, Publishing House of Polytechnical University, 2010. Pp. 64 75.
Borisov V. Aluminum-dased cmposite billets produced by plasma injectin and thixocasting. Light Metal Age, 2017, April, pp. 48-51.
Gelfgat Yu., Skopis M., Grabis J. Electromagnetically driven vortex flow to introduce small solid particles into liquid metal. Magnetohydrodynamics, 2005, vol. 41, pp. 249-254.
Alimova O.T., Grishanova M.S., Minaev A.A. RF Patent No. 117,439, Byull. Izobret., 16 March 2012.
Serebryakov S.P., Larionov A.Ya., Izotov V.A., Zimina M.N. RF Patent No. 2,348,719 С2, Byull. Izobret., 20 November 2006.
Borisov V.G. Yudakov A.A. Khripchenko S.Yu. Denisov S.A. Zaitsev V.N. RF Patent No. 2,144,573, Byull. Izobret., 27 June 1995.
Bojarevics V., Djambazov G.S., Pericleous K.A. Contactless ultrasound generation in a crucible. Metall. Mater. Trans. A, 2015, vol. 46, pp. 2884-2892. https://doi.org/10.1007/s11661-015-2824-5
Grants I., Gerbeth G., Bojarevičs A. Contactless magnetic excitation of acoustic cavitation in liquid metals. J. Appl. Phys., 2015, vol. 117, 204901. https://doi.org/10.1063/1.4921164
Brodova I.G., Uimin M.A., Astafiev V.V., Kotenkov P.V., Popova E.A., Yablonskich T.I. Sintez alyuminiyevykh kompozitov s nanorazmernymi chastitsami karbida i borida titana [Synthesis of aluminum composites with nanoscale particles of carbides and titanium diborides]. POM – Letters on Materials, 2013, vol. 3, no. 2, pp. 91-94.
Kaldre I., Bojarevics A. Electromagnetic contactless method for metal matrix composite production. Magnetohydrodynamics, 2020, vol. 56, pp. 325-332. https://doi.org/10.22364/mhd.56.2-3.24
Vorozhtsov A.B., Danilov P.A., Zhukov I.A., Khmeleva M.G., Platov V.V., Valikhov V.D. The effect of external actions on a molten metal and the influence of nonmetallic particles on the structure and mechanical properties of the light alloys based on aluminum and magnesium. Vestn. Tomsk. gos. un-ta. Matem. i mekh. – Tomsk State University Journal of Mathematics and Mechanics, 2020, no. 64, pp. 91-105. https://doi.org/10.17223/19988621/64/7
Khripchenko S., Dolgikh V., Kiselkov D. Experiment on Injection of SIC and BN Nanoparticles into liquid aluminum using MHD stirring with subsequent crystallization of the melt. J. Phys.: Conf. Ser., 2021, vol. 1945, 012017. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1945/1/012017
Khripchenko S.Yu., Siraev R.R. Influence of toroidal MHD stirring on liquid metal crystallization front motion and heat transfer in a cylindrical crucible. Magnetohydrodynamics, 2019, vol. 55, pp. 447-454. https://doi.org/10.22364/mhd.55.4.6
Grants I., Räbiger D., Vogt T., Eckert S., Gerbeth G. Application of magnetically driven tornado-like vortex for stirring floating particles into liquid metal. Magnetohydrodynamics, 2015, vol. 51, pp. 419-424.
Cramer A., Pal J., Gerbeth G. Experimental investigation of a flow driven by a combination of a rotating and a traveling magnetic field. Phys. Fluids, 2007, vol. 19, 118109. https://doi.org/10.1063/1.2801407
Timofeev V., Khatsayuk M. Design fundamentals for MHD stirrers for molten metals. Magnetohydrodynamics, 2016, vol. 52, pp. 495-506.
Khripchenko S.Yu., Dolgikh V.M., Denisov S.A., Kolesnichenko I.V., Nikulin L.V. Formation of structure and properties of aluminum ingots under magnetohydrodynamic effects. Tsvetnye Metally, 2013, no. 4, pp. 70-73.
Brackbill J.U., Kothe D.B., Zemach C. Continuum method for modelling surface tension. J. Comput. Phys., 1992, vol. 100, pp. 335-354. https://doi.org/10.1016/0021-9991(92)90240-Y
Timofeev V., Pervukhin M., Vinter E., Sergeev N. Behavior of non-conducting particles in molten aluminium cast into electromagnetic molds. Magnetohydrodynamics, 2020, vol. 56, pp. 459-472. https://doi.org/10.22364/mhd.56.4.10
Schiller L., Naumann A. Uber die grundlegenden Berechnungen bei der Schwerkraftaufbereitung [A fundamental drag coefficient correlation]. Z. Ver. Dent. Ing., 1933, Bd. 77, pp. 318-320.
Siraev R.R., Khripchenko S.Yu. MHD stirring of liquid metal in crucibles with circular and square cross sections under rotating magnetic field. Magnetohydrodynamics, 2018, vol. 54, pp. 277-286. https://doi.org/10.22364/mhd.54.3.7
Siraev R.R., Khripchenko S.Yu. Liquid metal exposed to rotating and travelling magnetic fields in crucibles with circular and square cross-sections. Magnetohydrodynamics, 2018, vol. 54, pp. 287-297. https://doi.org/10.22364/mhd.54.3.8
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2023 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.
