ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПЛАСТИЧЕСКОГО ФОРМОВАНИЯ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ТЕЛЛУРИДА ВИСМУТА

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.

математическое моделирование, РКУП, пластичность, теллурид висмута, термоэлектричество, рекристаллизация, зерно, микроскопия

1. Im J.−T. Grain refinement and texture development of cast BiSb alloy via severe plastic deformation. − Yeung University (S. Korea), 2007. − 113 p.

2. 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.2005.03.028

3. Ashida 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.89-91.41

4. Ceresara 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/s11664-010-1450-7

5. Im 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.2003.08.025

6. Kim 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.45.2172

7. Maciejewski 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.

8. 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.54.1.263

9. Beyerlein 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)00457-4

10. Parshikov 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.pdf

11. Luis 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_2

12. Basavaraj 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=JETIR1603005

13. Krállics 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.414-415.439

14. Богомолов Д. И. Структура и свойства низкотемпературных термоэлектрических материалов, полученных интенсивной пластической деформацией // Автореф. дис. … канд. техн. наук. − М.: МИСиС, 2013. − 23 с.

15. Егер Дж. К. Упругость, прочность и текучесть. − М.: Машгиз, 1961. − 170 с.

16. 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: 10.17073/1609-3577-2012-3-35-40

17. MSC.Marc Volume A: Theory and User Information. MSC. Software Corporation. 2008. 805 p. URL: https://simcompanion.mscsoftware.com/infocenter/index?page=content&id=DOC9245

18. Mitsak 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/517

19. Li 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.2004.04.067

20. Bogomolov 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/s11664-015-4110-0

21. Простомолотов 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: 10.20310/1810-0198-201621-3-818-821