等温条件下碳化硅生长的相场模型
应用物理
2025-02-07 v1 介观与纳米尺度物理
摘要
碳化硅(SiC)作为一种用于高温结构应用、尤其在航空航天领域颇具前景的陶瓷材料崭露头角。在发动机机匣、燃烧室与喷管等部件中以基于 SiC 的陶瓷基复合材料(CMCs)替代超级合金具有显著优势，包括燃料效率提升 25%、推力增强逾 10%，以及承受高至 500C 更高工作温度的能力。采用 CALPHAD 增强的多相场模型，我们的研究深入考察等温凝固条件下 SiC 层的演化。通过在 1450C 下建模液态 Si 与固态 C 之间 SiC 的生长，我们将结果与实验微观结构比较，并定量检视 SiC 厚度随时间的演化。对整个模型空间的高效采样缓解了高温动力学参数的不确定性，使我们能预测 SiC 层的一系列生长速率与形貌。该模型考虑了源于有限实验认知的参数不确定性，并成功预测了该系统的相关形貌。实验结果验证了模拟的动力学参数，提供了有价值的洞见及对反应动力学的潜在约束。我们进一步探讨了多相场模型参数对两项关键输出的意义，发现液态 Si 的扩散系数是随时间显著 impacting SiC 平均层厚与晶粒数的最关键参数。本研究为 Si-C 二元体系的微观结构演化提供了宝贵见解，为工业应用中 CMCs 的工程设计提供了 pertinent 信息。
引用
@article{arxiv.2311.05692,
title = {Phase-Field Model of Silicon Carbide Growth During Isothermal Condition},
author = {Elias J. Munoz and Vahid Attari and Marco Martinez and Matthew B. Dickerson and Miladin Radovic and Raymundo Arroyave},
journal= {arXiv preprint arXiv:2311.05692},
year = {2025}
}