Formation of two-phase zones during internal oxidation of binary alloys

Abstract

In the paper the formation patterns of two-phase regions during the internal oxidation process in low-alloyed binary alloys is studied. The goal of the research is the creation of a mathematical model for the internal oxidation process, which is to describe the kinetics of formation and evolution of internal oxidation zones, the study of the patterns governing the two-phase zone formation during internal oxidation, the study of the space-time dynamics of the structural parameters of the two-phase area, namely the number of the oxide particles, their average radius and the phase volume, at different stages of the internal oxidation zone evolution. The two-phase process of diffusion saturation with light components applied to binary alloys is analyzed theoretically. The conditions for formation of disperse oxide particles are formulated. A mathematical model for the formation of two-phase areas as well as the numerical solution for the system of equations describing the kinetics of formation and evolution of the two-phase area for different values of the process parameters is proposed. The modeling and experiments demonstrate that the distribution of structural parameters of the two-phase area has complex, non-monotonous nature. The influence of the main parameters of the process on the kinetics of the formation of the two-phase area in a lightly-alloyed binary nickel-based alloy plate is also determined. All stages of the plate’s oxidation process are studied – from the inception of the particles to the coalescence of secondstage particles. The results of the work could be used for developing new technologies in thermal and chemical-thermal treatments for disperse strengthening of materials using internal oxidation, as a physical basis for seeking ways of providing certain distributions of the internal oxidation zone structural parameters, which are required to give the alloy a necessary set of physical and mechanical properties. The comparison of the modeling and experimental results shows a good correlation, which allows them to be recommended for developing new technologies in disperse strengthening, new heat-resistant steels, disperse-strengthened magnetic materials and electrotechnical alloys.

Розглянуто закономірності утворення двофазних зон в процесі внутрішнього окислення слаболегованих бінарних сплавів. Створено математичну модель процесу внутрішнього окислення, що описує кінетику формування та еволюції зони внутрішнього окислення; досліджено закономірності, що керують формуванням двофазної області в процесі внутрішнього окислення; вивчено просторово-часові зміни параметрів структури двофазної області – кількість частин окислів, їх середній радіус і об’єм фази – на різних стадіях еволюції зон внутрішнього окислення. Проведено теоретичний аналіз процесу дифузного насичення легкорухомими компонентами бінарних сплавів. Сформульовані умови виникнення дисперсних частин окислів. Запропоновано математичну модель формування двофазної області та проведено чисельне рішення систем рівнянь, що описують кінетику формування та еволюцію двофазної області для різних значущих чинників процесу. Моделюванням та експериментально показано, що розподіл параметрів структури двофазної області має складний немонотонний характер. Визначені основні параметри процесу, що впливають на кінетику утворення двофазної зони в пластині слаболегованих бінарних сплавів на основі нікелю. Вивчені всі стадії процесу окислення пластини – від зародження до коалесценції частинок другої фази. Результати роботи можуть бути використані для розробки нових технологій термічної та хіміко-термічної обробки для дисперсного зміцнення матеріалів методом внутрішнього окислення, як фізичної основи для пошуку шляхів забезпечення певних розподілів параметрів структури зон внутрішнього окислення, необхідних для надання даному сплаву конкретного комплексу фізико-механічних якостей. Порівняння результатів моделювання та експериментальних результатів показали їх хорошу відповідність, що дозволяє рекомендувати їх використовувати при розробці нових технологій дисперсного зміцнення, нових жароміцних сплавів, дисперсно-зміцнених магнітних матеріалів та електротехнічних сплавів.