Моделирование диффузионных процессов при электротермической обработке реакционных тиглей системы железо–олово

Предмет исследования. Методами численного моделирования исследована закономерность диффузионных процессов в реакционных тиглях системы железо–олово при их электротермической обработке. Изучено влияние плотности тока и температуры на процессы тепло- и массопереноса в реакционной зоне.
Метод. Численное моделирование выполнено методом конечных элементов. Разработанная модель описывает механические, тепловые, электрические и химические процессы при электротермической обработке системы железо–олово в реакционном тигле с учетом распределения компонентов при различных условиях обработки реакционного тигля.
Основные результаты. Выполнен сравнительный анализ расчетных данных по диффузии олова в железо в условиях длительного воздействия высоких температур без приложения электрического напряжения и при нагреве реакционной зоны за счет пропускания электрического тока высокой плотности. Получена картина распределения массовых долей компонентов в зависимости от вида воздействия. Определена глубина проникновения взаимодействующих компонентов и выполнена оценка интенсивности протекания массообменных процессов. Установлены закономерности тепломассопереноса в системе железо–олово при изменении начальных параметров процесса. Верификация модели проведена путем сопоставления результатов моделирования с данными натурных экспериментов на контрольных образцах.
Практическая значимость. Результаты исследований могут быть использованы при прогнозировании условий получения новых функциональных материалов.

1. Li X., Xu L., Ding L., Wang J., Shen M., Lu X., Zhu Z., Behnia K. Anomalous Nernst and Righi-Leduc effects in Mn3Sn: Berry curvature and entropy flow // Physical Review Letters. 2017. V. 119. N 5. P. 056601. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.056601

2. Булат Л.П., Нефедова И.А. О нелинейных термоэлектрических явлениях // Вестник Международной академии холода. 2012. № 4. С. 54–56.

3. Sales B.C., Saparov B., McGuire M.A., Singh D.J., Parker D.S. Ferromagnetism of Fe3Sn and alloys // Scientific Reports. 2014. V. 4. N 1. P. 7024. https://doi.org/10.1038/srep07024

4. Predel B. Fe-Sn (Iron-Tin) // Dy-Er–Fr-Mo. 1995. P. 1–5. https://doi.org/10.1007/10474837_1342

5. Levashov E.A., Mukasyan A.S., Rogachev A.S., Shtansky D.V. Selfpropagating high-temperature synthesis of advanced materials and coatings // International Materials Reviews. 2017. V. 62. N 4. P. 203–239. https://doi.org/10.1080/09506608.2016.1243291

6. Orrù R., Licheri R., Locci A.M., Cincotti A., Cao G. Consolidation/ synthesis of materials by electric current activated/assisted sintering // Materials Science and Engineering: R: Reports. 2009. V. 63. N 4-6. P. 127–287. https://doi.org/10.1016/j.mser.2008.09.003

7. Nikbakht R., Assadi H. Phase-field modelling of self-propagating high-temperature synthesis of NiAl // Acta Materialia. 2012. V. 60. N 10. P. 4041–4053. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2012.04.017

8. Lin S., Yeh C., Xie W., Liu Y., Yoshimura M. Ab initio-aided CALPHAD thermodynamic modeling of the Sn-Pb binary system under current stressing // Scientific Reports. 2013. V. 3. N 1. P. 2731. https://doi.org/10.1038/srep02731

9. Fayyazi B., Skokov K.P., Faske T., Karpenkov D.Y., Donner W., Gutfleisch O. Bulk combinatorial analysis for searching new rareearth free permanent magnets: Reactive crucible melting applied to the Fe-Sn binary system // Acta Materialia. 2017. V. 141. P. 434–443. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2017.09.036

10. Chen C.-M., Chen S.-W. Electromigration effect upon the Zn/Ni and Bi/Ni interfacial reactions // Journal of Electronic Materials. 2000. V. 29. N 10. P. 1222–1228. https://doi.org/10.1007/s11664-000-0016-5

11. Pierce D.G., Brusius P.G. Electromigration: A review // Microelectronics Reliability. 1997. V. 37. N 7. P. 1053–1072. https:// doi.org/10.1016/s0026-2714(96)00268-5

12. Goll D., Loeffler R., Hohs D., Schneider G. Reaction sintering as a high-throughput approach for magnetic materials development // Scripta Materialia. 2018. V. 146. P. 355–361. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2017.05.004

13. Buch A. Pure Metals Properties: A Scientific and Technical Handbook. ASM International, 1999. 306 p.

14. Iwashita N., Imagawa H., Nishiumi W. Variation of temperature dependence of electrical resistivity with crystal structure of artificial graphite products // Carbon. 2013. V. 61. P. 602–608. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2013.05.042

15. Patel A.B., Bhatt N.K., Thakore B.Y., Vyas P.R., Jani A.R. The temperature-dependent electrical transport properties of liquid Sn using pseudopotential theory // Molecular Physics. 2014. V. 112. N 15. P. 2000–2004. https://doi.org/10.1080/00268976.2013.877169

16. Klemens P.G., Pedraza D.F. Thermal conductivity of graphite in the basal plane // Carbon. 1994. V. 32. N 4. P. 735–741. https://doi.org/10.1016/0008-6223(94)90096-5

17. Eiling A., Schilling J.S. Pressure and temperature dependence of electrical resistivity of Pb and Sn from 1-300K and 0-10 GPa-use as continuous resistive pressure monitor accurate over wide temperature range; superconductivity under pressure in Pb, Sn and In // Journal of Physics F: Metal Physics. 1981. V. 11. N 3. P. 623–639. https://doi.org/10.1088/0305-4608/11/3/010

18. Chapman T.W. The heat capacity of liquid metals // Materials Science and Engineering. 1966. V. 1. N 1. P. 65–69. https://doi.org/10.1016/0025-5416(66)90012-7

19. Taylor G.R., Isin A., Coleman R.V. Resistivity of iron as a function of temperature and magnetization // Physical Review. 1968. V. 165. N 2. P. 621–631. https://doi.org/10.1103/physrev.165.621

20. Torres D.N., Perez R.A., Dyment F. Diffusion of tin in α-iron // Acta Materialia. 2000. V. 48. N 11. P. 2925–2931. https://doi.org/10.1016/s1359-6454(00)00074-4

21. Neumann G., Tuijn C. Self-Diffusion and Impurity Diffusion in Pure Metals: Handbook of Experimental Data. Elsevier, 2011. 360 p.

22. Ishida T. The reaction of solid iron with molten tin // Transactions of the Japan Institute of Metals. 1973. V. 14. N 1. P. 37–44. https://doi.org/10.2320/matertrans1960.14.37