CC BY
4
УДК 532-8; 621
Асташкин Ю. С.
ЗАРОДЫШЕОБРАЗОВАНИЕ ПУЗЫРЬКОВ НА ДИСПЕРСНЫХ
ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦАХ
Представлены расчеты работы образования пузырька на дефектах дисперсных частиц в легкоплавких металлах
Дисперсные частицы, зародышеобразование пузырьков, дефекты частиц.
Astashkin U.S.
BUBBLES NUCLEATION ON DISPERSED SOLID PARTICLES
Calculation of the work of bubbles nucleation on defects of dispersed solid particles in low melting metals are presented.
Dispersed particles, bubbles nucleation, low meltiting metals
Известно, что для реального жидкого металла характерно присутствие специфических примесей в виде дисперсных частиц: оксидов, нитридов, сульфидов, а также пленок окислов. Обзор литературы по этой тематике приведен в работах [1-4]. Ковалентные нитриды алюминия, галлия и индия химически устойчивы, тугоплавки, термостойки. Оксиды практически нерастворимы в алюминии, Долговременность существования мелкодисперсных включений в жидком металле определяется прочностью, и термической устойчивостью их материала. Величины прочности и термической устойчивости некоторых тугоплавких окислов, известные из работ Кинжери и других исследователей [5,6] приведены в работе [7]. Так прочность оксида А203 -15,4 кг/см2, при температуре Ттах = 1900°С , оксида Si02 -16,8 кг/см2 при Ттах = 1100° . Термическая устойчивость при оценке на качественном уровне: хорошая и отличная соответственно.
В таблице 1 приведены значения углов смачивания некоторых оксидов и веществ в расплавах олова и висмута [5-9],
Таблица 1
Sn AI2O3 Si2H2 Графит Мо
в° 174 166 156 130
Bi в° 150 140 136 160
Для оксидных частиц в алюминии при температуре до 800 °С значения угла смачивания 0 = 150 - 160 [1].
При кавитации и кипении чистой жидкости обычно рассматривается гетерогенное образование зародыша пузырька и его рост до критического
радиуса на дефектах твердой поверхности [10-11]. В ряде работ было показано снижение работы образования - Шкз для критического зародыша на дефектах конической формы, цилиндрической формы и других дефектах твердой протяженной поверхности [10]. Обширный обзор этих работ приведен в монографии [10]. Банковым было получено выражение для работы зародышеобразования на выступе твердой поверхности, согласно которому она выше по сравнению с величиной на плоской поверхности [11]:
Шкз = Шк ф(а, в) , где Ф(а, в) - функция углов а и р. (1) На основании анализа выражения (1) для работы образования критического зародыша для выступа был сделан вывод, что сферический выступ на твердой поверхности не может рассматриваться как потенциальный центр зародышеобразования [11]. Для случая плоской твердой поверхности указанная функция (1) практически совпадает с функцией Фольмера, зависящей только от угла смачивания ф(9) [10-12]. Детальный физический анализ для случая чисто парового пузырька с использованием функции Ф(9) дан в монографии [13].
В расплавах металлов, не содержащих растворенного газа, гетерогенное зародышеобразование паровой фазы может реализоваться на мелкодисперсных частицах различной природы, возможные модели которых приведены на рис. 1а,Ь,с.
а Ь с
Рис.1аЬс Модели мелкодисперсных примесей в расплавах металлов: а - с конической впадиной, Ь - цилиндрической впадиной, с - резервуарной впадиной.
Выражения для работы зародышеобразования для этих моделей приведены ниже (2). Для случая отсутствия дефектов поверхности сферической частицы и асимметричного роста пузырька значение работы образования должно незначительно отличаться от работы на выступе сферической формы. Поэтому по сравнению с выражением для работы образования на выступе или впадине (1) выражение для этих моделей (2 ) включает в себя функции Банкова [11] и усложняется в зависимости от формы впадины:
ш; = ш*ф3(а, в, Y, Ф) (2), где
Ф s(a в, Y, Ф) = 3sin2в \fA(a,p) - cos 0^Ía(y,<p)] -
sin2e SÍn2Y
— [fv(a,P) +Y—-rfv(Y,<P)] , где fA(a, в) и fv(a, в) функции
4 sin а
Банкова [11].
Для случая конической впадины на сферической частице (рис.1а) в выражении (2):
ь(г, & = {т+согу- Tskj) , fv(j, Ф) = № +
а I)
Рис 2аЬ. а) функция □□□,□□□□□□□□ для случая сферической частицы с конической впадиной в зависимости от угла ф и 0 при значении
угла (3 = 120°. rs/Rs = 1/2.
1 - функции Банкова □□□□□□□□для выступа. 2- функция ФольмераП □□□□□□ ПЗ 0 = 90°, а = 30°, sin у = 1/2 sin (р. 4.0 =120°. а = 60°, sin у = 1/2 sin (р . 5 0 = 120°, а = 60° , у = ср. 6 0 = 1500, а = 900 , у = (р.
b) Зависимость функции Фольмера от угла смачивания для случая плоской поверхности,
На рис.2а и 2b для сравнения приведены также значения функции Фольмера - Ф(0). Выражение в = 1800- ((3- а), полученное Банковым для выступа используется, но соотношение между радиусом
n r,*sina
критического пузырька и радиусом выступа: Rs = к не может быть
непосредственно использовано в данном расчете из-за большего количества углов и более сложной связи между ними. Так например, при
равенстве углов у = ф, ( sin у = sin ф) коническая впадина имеет вид центрального сектора, при равенстве углов у = а, - узкого центрального сектора. Поэтому при расчете соотношение углов задается в функциональном виде.
Результаты расчетов Ф(а, в, у, ф) представлены на рис.2 для трех значений угла смачивания 0=90° - кривая 3, 1200- кривые 4,5, 1500-кривая 6. Углы а, в связаны с углом 0 соотношением: 0 = 180° — (в — а), в = 120°, угол а соответственно принимает значения: 30°, 60° и 90° . Полученные данные при радиусе горловины г° = 0,5Rs , sin у = 0,5 sin ф , для указанной функции (кривая - 3), незначительно отличаются от данных для случая зарождения на выступе (кривая -2). Причем, они остаются выше, чем для плоской поверхности (кривая 1). Для впадины с центральным сектором (углы у = ф) и увеличения угла смачивания 0 > 120° (кривые - 5,6) значения функции Ф(а, в,у, ф) существенно снижаются и работа зародышеобразования на дисперсной частице делается меньше, чем на плоской поверхности.
Для резервуарной впадины выражение (2) примет вид:
Значение функции - Ф(а, в, у, ф) в этом случае всегда ниже, чем для конической впадины, а для углов смачивания в > 1200 , расчетные значения работы зародышеобразования значения ничтожно малы по сравнению с работой в однородной жидкости. Наибольшие значения работы зародышеобразования характерны для модели с цилиндрической впадиной при тех же значениях углов смачивания. Как известно, на протяженной плоской поверхности для несмачиваемой впадины цилиндрического типа, пузырек критического радиуса может расти на участке поверхности, окружающий горловину [10]. Для случая дисперсной частицы с радиусом горловины г0 для случая >> г0
предположение о росте пузырька на этом участке означает пренебрежение кривизной и допущение случайного преобладания актов переноса вакансий в область растущего пузырька [14,15].
В самой цилиндрической поре первичный пузырек может сохраняться длительное время, и такая пора является потенциальным активным центром зародышеобразования. Сложный вопрос, о возможной связи оксидов с растворенным водородом в расплавленном алюминии в зависимости от температуры и давления рассматривался в ряде работ и находится вне рамок данной работы [3-4].
Мелкодисперсные частицы для случая зарождения должны находиться в жидкости или в объеме жидкого металла во взвешенном состоянии. Динамика мелкодисперсных частиц в расплавах металлов
оценивалось в работе [7]. В этой связи представляет интерес сопоставление гравитационного и броуновского смещения частицы в расплавах металлов. Влияние броуновского движения на смещение сферических частиц в расплавах легкоплавких металлов было оценено в работе [7]. С этой целью использовалось модифицированное выражение Эйнштейна - Смолуховского, приведенное в известной монографии [16,17]. Броуновское смещение значительно преобладает над гравитационным смещением для частиц с радиусом < 0,5 микрона, гравитационное смещение преобладает - у частиц с радиусом > 1 микрона.
Использованные источники:
1. Добаткин В.И., Габидуллин Р.М., Колачев Б.А., Макаров Б.С., Газы и окислы в алюминиевых деформируемых сплавах.// М. Металлургия .1976 - 264 с.
2.Тот Л. Карбиды и нитриды переходных металлов. М. Мир. 1974- 294 с.
3. Eskin G.I., Eskin D.G. Ultrasonic treatment light alloy melts.// Gordon and Breach. Amsterdam. 1998, CRC press, Amsterdam, 2014
4. Эскин Г.И. Ультразвуковая обработка цветных металлов и сплавов.// В кн. Воздействие мощного ультразвука на межфазную поверхность. М. Наука. 1986- 275 с.
5. Кинжери В.Д. Исследования при высоких температурах.// М. Изд-во Инлит., 1962 - 126 с.
6. Чиркин В.С. Теплофизические свойства материалов.// М. Госиздат физматлит. 1959- 353 с.
7. Асташкин Ю.С. Динамика мелкодисперсных частиц в расплавах легкоплавких металлов. Теория и практика современной науки. №12, 1920- 10 с.
8. Гуляев А.П. Металловедение.// М. Металлургия. 1977- 641 с. 9.Зиновьев В.Е. Теплофизические свойства металлов при высоких температурах. Справ. изд. // М. Металлургия. 1989 -384 А.И. Манохин. М. Наука. 1986 -275с
10.Несис Е.И. Кипение жидкостей. М. Наука. 1973 -279 с.
11..Банков С.Г. Вскипание на твердой поверхности в отсутствии газовой
фазы. //В сб. Вопросы физики кипения. М. Мир. 1964- 81-98 с.
12. Volmer M. Kinetik der Phasenbildung// Leipzig 1939
13. Скрипов В.П. Метастабильная жидкость//М. Наука. 1972 -312 с.
14.Асташкин Ю.С. Кавитационная прочность и пороги кавитации в расплавах металлов.//М. Мисис. Научные труды №132, 1981- 26-33 с.
15. Ficher J.C. J. Appl. Phys. v.19, №11, 1948- 1062- 1070 p,
16. Хаппель Д.Ж., Бреннер Г. Гидродинамика при малых числах Рейнольдса.// М. Мир. 1976- 630 с.
17.Там же . Сравнение гравитационных и броуновских смещений частиц в воде и воздухе.// Таблица. 477-478 с.
