Исследование динамики диффузии в каплях и выделения в вакуум паров летучих компонентов

Проведено расчетное исследование динамики диффузии в каплях и свободномолекулярного испарения в вакуум летучих компонентов магния $(\text{Mg})$ и цинка $(\text{Zn})$ из алюминиевых сплавов. Расчеты выполнены применительно к условиям проведенных автором экспериментов по высокочастотному каплеобразованию при центробежном диспергировании в вакууме вращающихся (перегрузки $70$–$4000$) заготовок методом плавления под воздействием концентрированного источника энергии. Вследствие аналогии между массопереносом и теплопереносом использовались готовые решения по теплопередаче при конвективном охлаждении тел с граничными условиями третьего рода (ГУ $\text{III}$). Показано, что численные значения диффузионных критериев Био $(\text{Bi})$ являются функциями свойств составляющих сплавов и не зависят от величины начального содержания летучих компонентов. При температурах и радиусах капель $T = 1000$ К и $R = 0.25 \times 10^{-3}$ м для систем легирования $\text{Al}$–$\text{Mg}$ число Био составляет $\text{Bi} = 14.8$, а для $\text{Al}$–$\text{Zn}$ $\text{Bi} = 74.4$.
Проведенное решение показывает, что диффузионное сопротивление внутри капель в несколько раз снижает по сравнению с начальной величиной перенос массы летучего компонента к поверхности капель (со снижением потока паров) даже за рассматриваемый короткий интервал времени полета капли $\tau = 0.01$ с, соответствующий значению критерия Фурье $\text{Fo} = D\tau/R^2 = 1.2 \times 10^{-3}$.
Конечное обеднение состава капель магнием, которое оценивается по отношению к допустимому содержанию его в сплаве по ГОСТ, для сплава Д16 с широким диапазоном содержания, от $1.2$ до $1.8\%$, по массе составляет около $0.07\%$, что можно считать незначительным. Для сплава АМгб с более низким содержанием, от $5.8$ до $6.8\%$, обеднение составляет около $0.2\%$, что можно считать заметной величиной.