Введение к работе
Актуальность теки. Направленное затвердевание расплавов и растворов лети? в осново многих технологий, используемых з традиционных и новых областях техника (.металлургия, энергетика, аэрокоскическая техника, электроника, фотокика). К' числу важнейших технологических процессов относятся получение слитков черных и цветных металлов, выращивание кркстеллов полупроводников, синтез оптических кристаллов, получение сверхчистых кате-риалоз и т.п. Несмотря на длительнуэ истории изучения затверде-зания, многие вопросы физики этого явления до сих. пор не резени. Особенно вална з прикладном, отношении проблемы формирования различных типов микро- и макроструктур з получаемых путем за-твердезания твердых материалах, физические механизмы которого з значительной степени остается невыясненными.
3 последние годы стало ясно, что для развития технологии получения материалов с заданными свойствами необходимо исследование ряда новых динамических явлений, характерных для процесса затвердевания. К числу таких явлений относятся образование ячеистых и дендритных структур, формирование переходных двухфазных зон, разделягскх кристалл и расплав. Анализ юс невозможен без изучения различных кеустойчизостеЯ, ответственных за образование кристаллов з объеме расплавами возникновение .сложных структур на границе раздела фаз. Кроме'того, в настоящее зрекя осознано, что для объяснения реальной структуры твердых тел, получаемых путем кристаллизации из расплава, необходимо учитывать пересхлагдекие расплава и последствия возникновения нетаста-бильЕости. Это требует вклочения з обкуи схему исследования направленного затвердевания такта процессов объемного образования новой фазы перед фронтом и распространения золи нетаст&бйдьнос-ти з глубину расплава.
Основной задачей настоящей работы является создализ едек" ватной теории формирования нелинейных гременных и пространственных структур в процессах объемной кристаллизации и направленного затвердевания бинарных расплавов при налички пзреохлаз:-» дения в объеме расплава.
Работа выполнена в ранках ватаейта комплексных программ в области естественных наук: Програний фундаментальних песледо-
-tf-
ваниИ УрО АН СССР до 2000 г.. Программы Госкомитета по дедах науки и высаей сходы на ХШ пятилетку, плана фундаментальных исследовании АН СССР по теме "Исследование гидродинамики и процессов переноса в многофазных и дисперсних системах" (01560045507).
Цель работы - установление закономерностей Формирования временных и пространственных распределений температуры, концентрации принеси, распределения кристаллов по размерен з объеме бикаркого расплава в процессах его затвердевания (кристаллизации); установление связи мекду указанными распределениями к характеристиками структур, образусцкмися в результате в твердой фазе.
Это потребовало репенкя следующих задач:
-
Создание физических моделей направленного затвердевания бинарных расплавов с учетом метастабкльных зон концентрационного переохлаждения и объемного образования коеой фазы в этих зонах.
-
Формулирование принципиально новых кдаесог математических моделей, адекватных физическим постановкам задач.
-
Разработка методов исследования и регения схсгзшх келиней-ных задач, опискзасдих последовательную и объемную кристаллизации бкнарша систем.
Научная новизна работы состоит з том, что з ней проведены' комплексные исследования нестационарных процессов затвердевания бинарных расплавов, образусцие в совокупности основу нового научного направления теплофизики и молекулярной Физики -динамической теории направленного затвердевания при наличии переходных двухфазных зек;
провадеко теоретическое исследование промежуточной стадии объемной кристаллизации однокомпонентних и бинарных систем;
разработаны нозые методы анализа эьолацин полидисперского ансамбля частиц на промежуточной стадии, которые позволили получить новые данные по кинетике укрупнения частиц в переохлажденных раоплазах;
исследоган новый тип неустойчивости, прксуциЛ процессу объемной кристаллизации, и показано, что в результате развития неустойчивости возможна реализация процесса в автоколебатель-кок режиме;
.«;_
заявлены основные физические механизмы, ответственные за появление автоколебании переохлаждения; определены характеристики автоколебаний; сформулированы виводи об их влиянии на интен-сификациз процессов тепдомассопереноса з реальних кристаллизаторах; рассмотрены релаксационные автоколебания з процессах объехного образования нозой фази;
исследована кинетика заклвчитедьной стадии процесса объемной кристаллизации переохлажденного респлаза з условиях, когда нуклеедия отсутствует, а укрупнение частиц определяется процессами перекристаллизации и агломерации;
предложена модель седиментационного затвердевания бинарных расплавов и прозедено его исследование, г.л основании которого дано объяснение набдядаенону аномальному распределение примеси;
установлен нозкЯ тип неустойчивости направленного затверде-зания бинарных расплавов, обусловленная взекмодейстэиом кинетических фахтороз на фронте кристаллизации и процессов тепломассопереноса з расплаве; проведено исследование вопроса о формировании з результате неустойчивости нового ретаха христалли-зеиии, з котором старость затвердевания испытывает автоколебания; сформулирован вызод о связи этих автоколебаний с полосчатым распределением примеси, набдядагеимся з рядэ катерпадоз (полупроводники, тугоплавкие металлы); впервые определены основные характеристики слоистой диквацки принеси в твердих материалах;
иоследозана нелинейная стадия перехода от плоского фронта кристаллизации к ячеистому з случае отсутствия двухфазной зоны перед фронтом и определены характеристики нелинейных ячеистых структур фронта кристаллизации и соответстзуезие км параметры продельной слоистости э распределении примеси; сформулирован вывод о возможности двух типов нарушения устойчивости (мягкого и жесткого) стационарного затвердевания с плоским фронтом, которым соответствует различные сценарии эзодшии границы раздела фаз;
исследованы нелинейные процессы"" тепломассопереноса з ква-зяравновесной двухфазной зоне, везкикасцей в расплаве при затвердевании бинарных систем; на основе полученных результатов разработаны новые модели, описываоцие процессы затвердевания с
-б-
квазиравновесной двухфазной зоной, которые .обладает рядом сувест-векных преимуцеств по сравнению с ранее использоваваикися;
разработана модель направленного затвердевания бинарного расплава с переходной зоной в расплаве, в которой существенно переохлаждение; изучена структура переходной зоны и релаксационные процессы в ней;
исследован процесс распространения волны метаетабильности в расплаве при наличии нуклеадии а переохлажденной зоне.
Практическая ценность. Создана теоретическая основа для моделирования и расчета нестационарных динамических процессов при затвердевании бинарных расплавов с учетом реальных кинетических процессов на фронте кристаллизации и в расплаве перед ним- Это позволяет прогнозировать качественные и количественные характеристики различных структур в твердой фазе, получаемой путем фазового перехода из расплавов и растворов.
Возможные приложения полученных результатов включают процессы получения отливок и слитков черных и цветных металлов, монокристаллов полупроводников, гидротермального синтеза кристаллов неорганических ведеств, объемной кристаллизации органических и неорганических вечестз из пересыаенкых растзороз, заморажива-ния грунтов, хипения, полимеризации, конденсации и др.
Результаты теоретичесЬа исследований использованы в Институте физики:металлов УрО "РАН. з Институте химии УрО РАН (г. Екатеринбург), в учебном процессе э Уральском государственном университете (г. Екатеринбург).
Достоверность. В частных ситуациях, установленные в работе обвив положения и соотношения согласуются с известными ранее. Теоретически установленные новые закономерности затвердезания бинарных расплавов подтверждаются экспериментальными данными.
Автор защипает:,
I. Результаты теоретического анализа промежуточной стадии объемной кристаллизации нетастабильных однокомпонентних и бинар» них систем. Метод исследования этой стадии при направленном затвердевании бинарных расплавов и при распространении волн метастабильности в них.
-
Нелинейнув тоорип автоколебательных процессов объемной кристаллизации з переохлажденных расплавах (критерий колеба-тельноЯ неустоячивости стационарных режимов «:исталлизации, вывод о мягком типе нарузения устойчивости, соотношения, опреде-ляящие основные характеристики нелинейных автоколебательных режимов кристаллизации, критерия применимости модели релаксационных автоколебания).
-
Результаты теоретического исследования распространения еолн иетастабильнссти в бинарном расплава при наличии нуклеации з переохлажденной области расплава.
>t. Результаты исследования процесса седиментационного затвердевания бинарных расплавов.
-
Результаты исследования нелинейной динамики зеклвчитель-ной стадии распада метаста'їильного состояния с одновременным учетом процессов перекристаллизации и агломерации.
-
Нелкнейнув теории динамической устойчивости процесса затвердевания бинарного расплава. Вывод о возможности наруиения устойчивости стационарных процессов затвердевания бинарных расплавов в результате взаимодействия процессов тепломассопере-н'оса в расплаве и кинетических факторов на фронте кристаллизации. Вывод о формировании автоколебательных режимов затвердевания бинарных расплавов, приводящих к появленио слоистой ликвации примеси. Соотношения, опредеяявние характеристики поперечной слоистости.
-
Нелинейнув теорив морфологической устойчивости фронта кристаллизации бинарных расплавов. Зывод о возможности двух сценариев разрушения плоского фронта христаллизации при наличии концентрационного переохлаждения в расплаве. Соотнозения, опре-делявщие характеристики ячеистых структур на фронте.
-
Новуа фронталькуп постановку задачи о направленном'затвердевании бинарного расплава с квазиразновесной двухфазной зоной.
-
Модель направленного затвердевания бинарного расплава при наличии объемного образования кристаллов з метаотабильной двухфазной зоне расплава.
Апробация работы. Результаты диссертационной работа докладывались на Международных конгрессах CH1SA*87, CHISA'SO (Прага.
ЧС$Р, ISS7, 1990), на Канадском конгрессе по прикладной механике (Оттава, 1989), на Международной конференции по математическому моделирования (Чикаго, 1989, США), на Международной конференции по кинетике неоднородных процессов (Банф. Канада, 1989), на международной конференции по моделираванив в механике сплошных сред (Прага, ЧСР, 1990), на У1-н национальном конгрессе по теоретической и прикладной механике (Варка, Болгария, 1989), на Международных вколах-семинарах по реофизихе и теплофизике (Минск, 1991) и по кинетической теории процессов переноса при конденсации и испарении (Минск, 1991), на П-м Межзународном форуме по тепломассообмену (Минск, 1992), на Международной конференции "Технологическая гидромеханика" (София, Болгария, 1991), на Международном симпозиуме по гидромеханике и тепломассообмену в невесомости (Пермь-Москва. 1991), а также на Всесовзных конференциях по строения и свойствам металлических и шлаковых расплавов (Свердловск, 1983, Челябинск, 1990), на У Всесовзном семинаре по проблемам математического моделирования процессов затвердевания металлов и сплавов (Новосибирск. 1933), на Ш и ІУ Всесовзкых семинарах по гидромеханлке и тепломассообмену в невесомости (Черноголовка, 1984, Новосибирск, 1987). на 43 научной конференции Латвийского госуниверситета (Рига, 1984) на Всесовзном семинаре "Тепло- и массоперенос при росте кристаллов" (Александров, 1985;, на Всесовзном семинаре "Математическое моделирование а науке и технике" (Пермь, 1986), на Всесо взноЯ конференции "Теплофизика метастабильных жидкостей в связ с явлениями кипения и кристаллизации" (Свердловск, 1985). на Всесовзных конференциях "Химреактор-9.10" (Гродно, 1986. Тольятти, 1989), на Всесовзных конференциях "Динамика процессов и аппаратов химической технологии" (Воронеж, 1985, 1990), на Все-совзной конференции "Математические методы в химии" (Грозный, 1985). на Всесовзной конференции по фильтрации (Москва, 1989). на Всесовзной конференции "Теплофизика и гидрогезодинамиха про цессов кипения и конденсации" (Рига, 1988), на Уральских школах по росту кристаллов металлов и интерметаллидов из расплава (Свердловск, 1990, 1991), на семинарах Уральского государственного университета (1984-1992), Свердловского государственного педагогического института (1991), Института механики и биомеха-
ники Болгарской АН (София. 1991); ряде -других конференцій в семинаров.
Публикация. По теме диссертации а отечественных и зарубежных журналах, научных сборниках опублкхэз&но 60 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит кз зведення, семи глав и перечня цитируемой литературы. Работа содержит 271 страницу, в том числе: 181 страницу машинописного теко-та, 71 рисунок (50 страниц), I таблицу, 25 страниц библиографии (230 наименований).