Моделирование поверхностных явлений жидкого Al

Sep 21, 2023

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 4642 (2023) Цитировать эту статью

642 доступа

1 Альтметрика

Подробности о метриках

В данной работе представлены исследования поверхностного натяжения жидких сплавов алюминия и никеля (Al–Ni). Получение адекватных значений поверхностного натяжения для этой системы является непростой задачей, поскольку в этих сплавах при определенных составах образуются атомные кластеры с ближним порядком, что существенно влияет на поверхностное натяжение. Модель образования соединений предсказывает влияние этих кластеров на поверхностное натяжение, но экспериментальные ограничения препятствовали ее проверке из-за недостаточности термодинамических данных. Эта работа пытается преодолеть некоторые из этих ограничений с помощью молекулярной динамики (МД). Сравнивая полученные результаты МД-моделирования с результатами эквивалентной системы без кластеров, можно было сделать вывод о роли атомных кластеров в поверхностном натяжении Al–Ni. Было обнаружено, что эти кластеры увеличивают поверхностное натяжение за счет уменьшения содержания Al на поверхности. Они достигают такого снижения содержания Al на поверхности, улавливая атомы Al и препятствуя их перемещению к поверхности.

Благодаря хорошей коррозионной стойкости и термической стабильности алюминиево-никелевые (Al-Ni) сплавы считаются хорошим выбором для конструкционных применений при высоких температурах1, 2. Дополнительным преимуществом является их относительно небольшой вес: снижение веса до 15% по сравнению с другие аналогичные сплавы, такие как никель-хром (Ni-Cr). Производство и изготовление этих сплавов требуют обширных и надежных знаний их свойств, в том числе поверхностного натяжения, которое играет значительную роль в литейности расплава. Дополнительно это свойство может влиять на получаемую структуру затвердевания и наличие дефектов. В процессе сварки поверхностное натяжение влияет на распределение тепла и динамику проплавления сварного шва и, таким образом, играет значительную роль в надежности соединений3. Это демонстрирует важность изучения поверхностного натяжения жидких сплавов Al–Ni. Было предпринято множество экспериментальных попыток получить поверхностное натяжение чистых сплавов Al4, 5, Ni6 и Al–Ni1, 7,8,9,10. Исторически взаимосвязь между поверхностным натяжением и составом этих сплавов всегда была предметом постоянного интереса, поскольку сплавы Al-Ni демонстрируют поведение, отличное от поведения большинства бинарных сплавов. Общая взаимосвязь между поверхностным натяжением и составом жидкого бинарного сплава A–B была смоделирована Батлером (уравнение 1)11. Батлер расширяет модель, рассматривая поверхность жидкости как дополнительную термодинамическую фазу, находящуюся в равновесии с объемом11.

где \(\gamma\) — поверхностное натяжение жидкого бинарного сплава, \(\gamma_{i}\) — поверхностное натяжение чистого компонента i, \(N_{A}\) — число Авогадро, \ (k_{B}\) — постоянная Больцмана, \(T\) — температура (K), \(c_{i}\) — концентрация компонента i, \(a_{i}\) — активность компонента i. Верхние индексы \(s\) и \(b\) используются для обозначения величин, относящихся к поверхности и объёму соответственно. Индекс \(i\) используется для обозначения соответствующего компонента сплава и может принимать значения \(i = A, { }B\)12. \(\alpha\) — средняя молярная площадь поверхности сплава (подробнее о получении \(\alpha\) см. в дополнительном материале).

Связь между поверхностным натяжением и составом во многом зависит от степени взаимодействия атомов А и В, которая различна для идеальных, регулярных и реальных растворов. Предполагается, что для идеального решения нет разницы между парными взаимодействиями A–A, A–B и B–B13. В этом случае уравнение. (1) сводится к:

Другой подход к определению поверхностного натяжения идеального сплава был предложен Гуггенхаймом14:

с тем же значением, что и \(\gamma\), \(\gamma_{i}\), \(\alpha\), \(c_{i}^{b}\), \(T\) и \ (k_{B}\), как объяснено выше. Подробнее о модели, предложенной Гуггенхаймом, см. в дополнительных материалах.