Невесомость помогает создавать однородную структуру материалов



На фото: руководитель лаборатории многомасштабного математического моделирования УрФУ Дмитрий Александров
В космосе за счет отсутствия гравитации металл затвердевает более однородно, чем на Земле. Это выяснили физики, которые рассчитали процесс затвердевания металлических сплавов из алюминий-никеля. Сплавы выбрали неслучайно, так как они являются одними из самых распространенных и составляют 20% всей отрасли металлообработки в мире. Модель построили на основе экспериментальных данных: сравнили результаты, полученные для образцов сплава в условиях микрогравитации на борту Международной космической станции, с результатами образцов, обработанных в земных условиях. Работа выполнена сотрудниками подведомственного Минобрнауки России Уральского федерального университета имени первого Президента России Б. Н. Ельцина (УрФУ).
Все материалы на основе алюминия получают из жидкой фазы, она является исходной. Процессы затвердевания и условия, присутствующие в момент затвердевания, определяют микроструктурное состояние конечной детали, поясняют ученые. Модель учитывает влияние скорости кристаллизации и переохлаждения на формирование структуры и свойств сплавов, а также позволяет правильно прогнозировать микроструктуру и необходимые механические и электрические свойства сплава.
«Наша модель позволит моделировать процесс затвердевания сплава без предварительных испытаний методом проб и ошибок, требующих затрат времени и энергии. Мы впервые обработали данные с Международной космической станции и выяснили, какие факторы влияют на микроструктуру образцов, полученных в условиях (квази)невесомости или микрогравитации. Обработка сплава с одинаковым процентным содержанием металлов в земных условиях и условиях космических приводит к тому, что их структуры значительно отличаются друг от друга: в невесомости из сплавов получается более однородная структура», — поясняет ведущий научный сотрудник лаборатории многомасштабного математического моделирования УрФУ Петр Галенко.
Как сообщают исследователи, в невесомости создаются бесконтейнерные условия, то есть отсутствует соприкосновение металла со стенками тиглей (специальных емкостей для плавления, обжига, разливки и пробирования различных металлов и их сплавов), в которых сплавы содержатся на Земле. Также ученые выделили еще два важных фактора, на которые влияет наличие или отсутствие гравитации при объемной кристаллизации.
Первый фактор — конвекция жидкой фазы. При конвективном теплообмене внутренняя энергия передается струями и потоками самого вещества. Она возникает, когда сплав начинает кристаллизоваться, затвердевать в необходимой форме, и от конвекции зависит, как хорошо смешиваются металлы при формировании детали.
Второй важный фактор — переохлаждение расплава. При кристаллизации происходит изменение плотности сплавного образца при его охлаждении и переходе из жидкого состояния в твердое, кристаллическое. Как поясняют ученые, обычно скорость кристаллизации всегда возрастает с ростом переохлаждения жидкости, но состояние невесомости создает аномальный эффект — в какой-то момент зависимость скорости от переохлаждения начинает падать.
«Зависимость скорости кристаллизации от переохлаждения имеет важное значение для формирования структуры сплава. Например, в сплаве с равным соотношением алюминия и никеля — 50% на 50% — наблюдается формирование так называемой интерметаллидной фазы, которая при малом переохлаждении формируется как упорядоченная супер-решетка кристалла с появлением крупных дендритных (древоподобных) кристаллитов. Такая структура обеспечивает улучшенную электропроводность материала. При повышенных переохлаждениях происходит существенное увеличение скорости кристаллизации, возникает эффект захвата беспорядка из жидкости. В этом случае супер-решетка не успевает формироваться, в результате образуется неупорядоченная микро- и мезоструктура кристаллитов. Они обеспечивают повышенные механические свойства, например, микротвердость и стойкость к механическому разрушению образцов, закристаллизованных при высоких скоростях. Учет аномалии, в которой скорость переохлаждения может снизиться, позволит моделировать микроструктуру материалов», — добавляет руководитель лаборатории многомасштабного математического моделирования УрФУ Дмитрий Александров.
Результаты экспериментов и моделирования представлены в одном из международных журналов.
Работу поддержал Российский научный фонд. Исследователи отмечают, что это только первый этап работы по изучению влияния гравитации на микроструктуру сплавов. При переносе лабораторных исследований на промышленные масштабы понадобится учитывать и множество других факторов, например, соприкосновение сплава со стенками тигля.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector