mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2017-1-22-31mateltech-242Research ArticleМатериаловедение и технология. ПолупроводникиMATERIALS SCIENCE AND TECHNOLOGY. SEMICONDUCTORSИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПЛАСТИЧЕСКОГО ФОРМОВАНИЯ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ТЕЛЛУРИДА ВИСМУТАSTUDY OF PLASTIC FORMING IN PRODUCTION OF THERMOELECTRIC BISMUTH TELLURIDE BASED MATERIALБогомоловД. И.BogomolovD. I.

Богомолов Денис Игоревич — канд. техн. наук, ассистент.

 

Denis I. Bogomolov: Cand. Sci. (Eng.), Assistant.

 

БубликВ. Т.BublikV. T.

 Бублик Владимир Тимофеевич — доктор физ.−мат. наук, профессор.

 

Vladimir T. Bublik: Dr. Sci. (Phys.−Math.), Professor.

 

ВерезубН. А.VerezubN. A.

Верезуб Наталия Анатольевна — канд. физ.−мат. наук, старший научный сотрудник.

просп. Вернадского, д. 101, корп. 1, Москва, 119526.

Nataliya A. Verezub: Cand. Sci. (Phys.−Math.), Senior Researcher.

101−1 Prospekt Vernadskogo, Moscow 119526.

ПростомолотовА. И.ProstomolotovA. I.

Простомолотов Анатолий Иванович — доктор техн. наук, ведущий научный сотрудник.

 

 Anatoly I. Prostomolotov: Dr. Sci. (Eng.), Leading Researcher.

101−1 Prospekt Vernadskogo, Moscow 119526.

prosto@ipmnet.ruТабачковаН. Ю.TabachkovaN. Yu.

 Табачкова Наталия Юрьевна — канд. физ.−мат. наук, доцент.

Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049.

 Natalia Yu. Tabachkova: Cand. Sci. (Phys.−Math.), Associate Professor.

4 Leninsky Prospekt, Moscow 119049.

Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС».РоссияNational University of Science and Technology MISiS.Russian FederationИнститут проблем механики им. А. Ю. Ишлинского РАН.РоссияIshlinsky Institute for Problems in Mechanics of the Russian Academy of Sciences.Russian Federation2017210520182012231Copyright © Богомолов Д.И., Бублик В.Т., Верезуб Н.А., Простомолотов А.И., Табачкова Н.Ю., 20182018Богомолов Д.И., Бублик В.Т., Верезуб Н.А., Простомолотов А.И., Табачкова Н.Ю.Bogomolov D.I., Bublik V.T., Verezub N.A., Prostomolotov A.I., Tabachkova N.Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/242

Проведено экспериментально−теоретическое исследование процесса равноканального углового прессования (РКУП) для получения термоэлектрического (ТЭ) материала на основе теллурида висмута. Дан краткий обзор по математическому моделированию РКУП−процесса. Рассмотрено влияние конструктивных особенностей и температурных режимов РКУП на процесс пластического формования. Приведены результаты расчетов термонапряженного состояния образцов на разных стадиях РКУП−процесса. Расчеты для РКУП− процесса проведены с использованием лагранжевой сетки конечных элементов, которая в ходе процесса адаптивно подстраивалась под геометрию фильеры и измельчалась или укрупнялась в зависимости от значения пластической деформации для удовлетворения заданной точности расчета и сходимости итерационного процесса. Обсуждены результаты экспериментального изучения структуры и свойств полученных по РКУП образцов с помощью комплекса измерительных методов (рентгеновской дифрактометрии и электронной микроскопии). Термоэлектрические характеристики полученных материалов измерены методом Хармана. Проведены сравнительные методические расчеты процесса РКУП для ТЭ−материала на основе теллурида висмута при вариациях величин, определяющих образование зерен (критической пластической деформации в зависимости от температуры и степенной зависимости скорости этой деформации), позволившие настроить расчетную модель процесса РКУП по данным измерений размеров зерен для ТЭ−материала. Представлены результаты расчета процесса образования зерен при различных температурах пластического формования, которые сравниваются с экспериментальными данными. Практический результат, полученный в ходе работы, — улучшенная геометрия составной пресс−формы и отработанные технологические режимы пластической деформации, позволившие получить образцы с хорошими значениями ТЭ−эффективности.

An experimental and theoretical study of the process of the equal−channel angular pressing (ECAP) was performed to obtain a thermoelectric (TE) material based on bismuth telluride. A brief review of the mathematical modeling of the ECAP process is given. The influence of the ECAP design features and temperature modes on the process of plastic forming is considered. The results of calculations of the thermally stressed state of samples at different stages of the ECAP process are presented. The calculations of the ECAP process were carried out by means of Lagrangian finite element mesh, which adjusted adaptively during the process to the die geometry and became finer or coarser depending on the magnitude of the plastic deformation. It was required for the specified calculation accuracy and the convergence of iterative process. The results of an experimental study of the structure and properties of samples obtained by the ECAP using a set of measuring methods (X−ray diffractometry and electron microscopy) are discussed. The thermoelectric characteristics of the obtained materials were measured by Harman method. Comparative methodical calculations of the ECAP process for TE materials based on bismuth telluride have been made by adjusting parameters determining the grain formation (i.e. the critical plastic deformation as a function of temperature and power−law dependence of its rates). It made possible to adjust the ECAP model on the basis of the measured grain sizes for TE materials . The calculation results of grain creation during the plastic forming, which are compared with the measurement data, are presented. The practical result of this research was the improved geometry of the die and the validated technological regimes of plastic deformation, which allowed obtaining samples with the good TE efficiency.

математическое моделированиеРКУПпластичностьтеллурид висмутатермоэлектричестворекристаллизациязерномикроскопияmathematical modelingECAPplasticitybismuth telluridethermoelectricityrecrystallizationgrainmicroscopyReferencesIm J.−T. Grain refinement and texture development of cast BiSb alloy via severe plastic deformation. − Yeung University (S. Korea), 2007. − 113 p.Im J.−T. Grain refinement and texture development of cast BiSb alloy via severe plastic deformation. Yeung University (S. Korea), 2007. 113 p.Zhu W., Yang J. Y., Gao X. H., Hou J., Bao S. Q., Fan X. A. The underpotential deposition of bismuth and tellurium on cold rolled silver substrate by ECALE // Electrochimica Acta. − 2005. − V. 50, iss. 27. − P. 5465—5472. DOI: 10.1016/j.electacta.2005.03.028Zhu W., Yang J. Y., Gao X. H., Hou J., Bao S. Q., Fan X. A. The underpotential deposition of bismuth and tellurium on cold rolled silver substrate by ECALE. Electrochimica Acta., 2005, vol. 50, no. 27, pp. 5465—5472. DOI: 10.1016/j.electacta.2005.03.028Ashida M., Hamachiyo T., Hasezaki K., Matsunoshita H., Horita Z. Effect of high pressure torsion on crystal orientation to improve the thermoelectric property of a Bi2Te3−based thermoelectric semiconductor // Adv. Mater. Res. − 2010. − V. 89–91. − P. 41—46. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.89-91.41Ashida M., Hamachiyo T., Hasezaki K., Matsunoshita H., Horita Z. Effect of high pressure torsion on crystal orientation to improve the thermoelectric property of a Bi2Te3−based thermoelectric semiconductor. Adv. Mater. Res., 2010, vol. 89–91, pp. 41—46. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.89−91.41Ceresara S., Codecasa M., Passaretti F., Tomeš F., Weidenkaff F., Fanciulli C. Thermoelectric properties of in situ formed Bi0.85Sb0.15/Bi−rich particles composite // J. Electronic Materials. − 2011. − V. 40, iss. 5. − P. 557—560. DOI: 10.1007/s11664-010-1450-7Ceresara S., Codecasa M., Passaretti F., Tomeš F., Weidenkaff F., Fanciulli C. Thermoelectric properties of in situ formed Bi0.85Sb0.15/Bi−rich particles composite. J. Electronic Materials. 2011, vol. 40, no. 5, pp. 557—560. DOI: 10.1007/s11664−010−1450−7Im J.−T., Hartwig K. T., Sharp J. Microstructural refinement of cast p−type Bi2Te3—Sb2Te3 by equal channel angular extrusion // Acta Materialia. − 2004. − V. 52, iss. 1. − P. 49—55. DOI: 10.1016/j.actamat.2003.08.025Im J.−T., Hartwig K. T., Sharp J. Microstructural refinement of cast p−type Bi2Te3—Sb2Te3 by equal channel angular extrusion. Acta Materialia, 2004, vol. 52, no. 1, pp. 49—55. DOI: 10.1016/j.actamat.2003.08.025Kim Hyoung Seop, Quang Pham, Seo Min Hong, Hong Sun Ig, Baik Kyeong Ho, Lee Hong Rho, Nghiep Do Minh. Process modelling of equal channel angular pressing for ultrafine grained materials // Materials Transactions. − 2004. − V. 45, N 7. − P. 2172— 2176. DOI: 10.2320/matertrans.45.2172Kim Hyoung Seop, Quang Pham, Seo Min Hong, Hong Sun Ig, Baik Kyeong Ho, Lee Hong Rho, Nghiep Do Minh. Process modelling of equal channel angular pressing for ultrafine grained materials. Materials Transactions, 2004, vol. 45, no. 7, pp. 2172—2176. DOI: 10.2320/matertrans.45.2172Maciejewski J., Kopeć H., Petryk H. Finite element analysis of strain non−uniformity in two processes of severe plastic deformation // Engineering Transactions. − 2007. − V. 55, N 3. − P. 197—216.Maciejewski J., Kopeć H., Petryk H. Finite element analysis of strain non−uniformity in two processes of severe plastic deformation. Engineering Transactions, 2007, vol. 55, no. 3, pp. 197—216.Aour B., Mitsak A. Analysis of plastic deformation of semi− crystalline polymers during ECAE process using 135° die // J. Theoretical and Applied Mechanics. − 2016. − V. 54, N 1. − P. 263—275. DOI: 10.15632/jtam-pl.54.1.263Aour B., Mitsak A. Analysis of plastic deformation of semi−crystalline polymers during ECAE process using 135° die. J. Theoretical and Applied Mechanics, 2016, vol. 54, no. 1, pp. 263—275. DOI: 10.15632/jtam−pl.54.1.263Beyerlein I. J., Lebensohn R. A., Tomé C. N. Modeling texture and microstructural evolution in the equal channel angular extrusion process // Materials Science and Engineering A. − 2003. − V. 345, iss. 1–2. − P. 122—138. DOI: 10.1016/S0921-5093(02)00457-4Beyerlein I. J., Lebensohn R. A., Tomé C. N. Modeling texture and microstructural evolution in the equal channel angular extrusion process. Materials Science and Engineering A, 2003, vol. 345, no. 1–2, pp. 122—138. DOI: 10.1016/S0921−5093(02)00457−4Parshikov R. A., Rudskoy A. I., Zolotov A. M., Tolochko O. V. Technological problems of equal channel angular pressing // Rev. Adv. Mater. Sci. − 2013. − V. 34. − P. 26—36. URL: http://www.ipme.ru/e-journals/RAMS/no_13413/04_13413_tolochko.pdfParshikov R. A., Rudskoy A. I., Zolotov A. M., Tolochko O. V. Technological problems of equal channel angular pressing. Rev. Adv. Mater. Sci., 2013, vol. 34, pp. 26—36. URL: http://www.ipme.ru/e−journals/RAMS/no_13413/04_13413_tolochko.pdfLuis C. J., Salcedo D., Luri R., León J., Puertas I. FEM modelling of the continuous combined drawing and rolling process for severe plastic deformation of metallic materials // In book: Numerical modeling of materials under extreme conditions. Advanced structured materials. V. 35. − Berlin; Heidelberg: Springer, 2014. − P. 17—45. DOI: 10.1007/978-3-642-54258-9_2Luis C. J., Salcedo D., Luri R., León J., Puertas I. FEM modelling of the continuous combined drawing and rolling process for severe plastic deformation of metallic materials. In book: Numerical modeling of materials under extreme conditions. Advanced structured materials. V. 35. Berlin; Heidelberg: Springer, 2014, pp. 17—45. DOI: 10.1007/978-3-642-54258-9_2Basavaraj P. 3D finite element simulation of equal channel angular pressing with different material models // International Journal of Emerging Technologies and Innovative Research. − 2016. − V. 3, iss. 3. − P. 16—28. URL: http://www.jetir.org/view?paper=JETIR1603005Basavaraj P. 3D finite element simulation of equal channel angular pressing with different material models. International Journal of Emerging Technologies and Innovative Research, 2016, vol. 3, no. 3, pp. 16—28. URL: http://www.jetir.org/view?paper=JETIR1603005Krállics G., Széles Z., Malgyn D. Finite element simulation of multi−pass equal channel angular pressing // Materials Science Forum. − 2003. − V. 414–415. − P. 439—444. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.414-415.439Krállics G., Széles Z., Malgyn D. Finite element simulation of multi−pass equal channel angular pressing. Materials Science Forum, 2003, vol. 414–415, pp. 439—444. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.414−415.439Богомолов Д. И. Структура и свойства низкотемпературных термоэлектрических материалов, полученных интенсивной пластической деформацией // Автореф. дис. … канд. техн. наук. − М.: МИСиС, 2013. − 23 с.Bogomolov D. I. Struktura i svoistva nizkotemperaturnykh termoelektricheskikh materialov, poluchennykh intensivnoi plasticheskoi deformatsiei [The structure and properties of low− temperature thermoelectric materials obtained by intense plastic deformation]. Avtoreferat dis. … kand. tekhn. nauk. Moscow: MISiS, 2013. 23 p. (In Russ.)Егер Дж. К. Упругость, прочность и текучесть. − М.: Машгиз, 1961. − 170 с.Eger J. K. Uprugost’, prochnost’ i tekuchest’ [Elasticity Strength and Fluidity]. Moscow: Mashgiz, 1961. 170 p. (In Russ.)Лаврентьев М. Г., Меженный М. В., Освенский В. Б., Простомолотов А. И. Математическое моделирование процесса экструзии термоэлектрического материала // Изв. вузов. Материалы электронной техники. − 2012. − № 3. − С. 35—40. DOI: 10.17073/1609-3577-2012-3-35-40Lavrent’ev M. G., Mezhenny M. V., Osvensky V .B., Prostomolotov A. I. Mathematical modeling of extrusion process of thermoelectric material. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering, 2012, vol. 3, pp. 35—40. (In Russ.). DOI: 10.17073/1609-35772012-3-35-40MSC.Marc Volume A: Theory and User Information. MSC. Software Corporation. 2008. 805 p. URL: https://simcompanion.mscsoftware.com/infocenter/index?page=content&id=DOC9245MSC.Marc Volume A: Theory and User Information. MSC. Software Corporation. 2008. 805 p. URL: https://simcompanion.mscsoftware.com/infocenter/index?page=content&id=DOC9245Mitsak A., Aour B., Khelil F. Numerical investigation of plastic deformation in two−turn equal channel angular extrusion // Engineering, Technology & Applied Science Research. − 2014. − V. 4, N 6. − P. 728—733. URL: http://etasr.com/index.php/ETASR/article/view/517Mitsak A., Aour B., Khelil F. Numerical investigation of plastic deformation in two−turn equal channel angular extrusion. Engineering, Technology & Applied Science Research, 2014, vol. 4, no. 6, pp. 728—733. URL: http://etasr.com/index.php/ETASR/article/view/517Li S., Bourke M. A. M., Beyerlein I. J., Alexander D. J., Clausen B. Finite element analysis of the plastic deformation zone and working load in equal channel angular extrusion // Materials Science and Engineering A. − 2004. − V. 382, iss. 1–2. − P. 217—236. DOI: 10.1016/j.msea.2004.04.067Li S., Bourke M. A. M., Beyerlein I. J., Alexander D. J., Clausen B. Finite element analysis of the plastic deformation zone and working load in equal channel angular extrusion. Materials Science and Engineering A, 2004, vol. 382, no. 1–2, pp. 217—236. DOI: 10.1016/j.msea.2004.04.067Bogomolov D. I., Bublik V. T., Tabachkova N. Yu., Tarasova I. V. Properties and formation of the structure of Bi2Se0.3Te2.7 solid solutions produced by equal−channel angular pressing // J. Electronic Materials. − 2016. − V. 45, N 1. − P. 403—410. DOI: 10.1007/s11664-015-4110-0Bogomolov D. I., Bublik V. T., Tabachkova N. Yu., Tarasova I. V. Properties and formation of the structure of Bi2Se0.3Te2.7 solid solutions produced by equal−channel angular pressing. J. Electronic Materials, 2016, vol. 45, no. 1, pp. 403—410. DOI: 10.1007/ s11664−015−4110−0Простомолотов А. И., Верезуб Н. А. Динамическое моделирование пластического формования термоэлектрического материала методом горячей экструзии // Вестник Тамбовского ГУ им. Г. Р. Державина. Cер. Естественные и технические науки. − 2016. − Т. 21, № 3. − С. 818—821. DOI: 10.20310/1810-0198-201621-3-818-821Prostomolotov A. I., Verezub N. A. Dynamic modeling of plastic formation of thermo−electrical material by hot extrusion. Tambov University Reports. Series: Natural and Technical Sciences, 2016, vol. 21, no. 3, pp. 818—821. (In Russ.). DOI: 10.20310/1810−0198−2016−21−3−818−821

The authors declare that there are no conflicts of interest present.