Влияние параметров химической реакции на взаимодействие тепловых, диффузионных и механических волн в условиях обработки поверхности потоком частиц

Аннотация

Предложена связанная неизотермическая математическая модель процесса внедрения материала в поверхность мишени в условиях поверхностной обработки потоком частиц. Учитывается взаимовлияние диффузии примеси, распространения тепла и механических возмущений, а также химическая реакция между внедряемой примесью и материалом подложки. Описан процесс обезразмеривания параметров модели и приведен диапазон числовых значений для каждого из них. На основе построенной модели численно решена задача совместного распространения упругих механических волн, которые генерируются при ударе частиц о поверхность, и диффузии внедряемых частиц с учетом их химического взаимодействия с обрабатываемым материалом и неизотермичности процесса. Для представления производных использована неявная симметричная разностная схема второго порядка аппроксимации как по времени, так и по координате. Решения получены для разных временных интервалов, определяемых характерным временем действия импульса и временами релаксации для диффузии и теплопроводности. Установлено, что взаимосвязь разномасштабных процессов приводит к появлению искажений в характерах волн деформаций и напряжений, а распределения температуры и концентрации примеси приобретают волновой характер. Образование химического соединения вызывает уменьшение концентрации примеси и увеличение температуры, напряжений и деформаций. Показано, что химическая реакция при малом выделении тепла протекает только до тех пор, пока растет температура за счет вводимой энергии. Далее тепла для продолжения реакции оказывается недостаточно. Также установлено, что при медленной генерации продукта в реакции практически отсутствует влияние химического взаимодействия на распространение температуры, деформаций, напряжений и концентрации примеси.