Математическая модель ускорит создание сплавов с заданными свойствами

10:23, 16 марта 2022

Расчеты помогут синтезировать материалы, востребованные в промышленности

По словам Любови Тороповой, моделирование синтеза сплавов также может применяться в химической и биотехнологической сферах. Фото: Илья Сафаров.

Ученые Уральского федерального университета предложили методику для существенного ускорения синтеза сплавов на основе алюминия. С помощью компьютерного моделирования исследователи могут управлять внутренней структурой сплава и влиять на его физические свойства. В процессе создания математической модели физики выполнили уникальные расчеты, результаты которых представлены в журнале Journal of Physics: Condensed Matter.

«Мы произвели расчеты для силумина — сплава алюминия и кремния. Он активно применяется для литья деталей в авто-, мото- и авиастроении, благодаря своей способности образовывать отливки без дефектов. Нам удалось разработать математическую модель, позволяющую описывать различные формы дендритных кристаллов, образующихся в структуре сплава при разных температурах переохлаждения. Форма кристаллов в сплаве предопределяет физические свойства материалов — прочность и пластичность, теплопроводность и электропроводность. С помощью моделирования мы можем определить, какая форма кристаллов необходима для усовершенствования тех или иных свойств сплава, и производить детали с заданными характеристиками», — поясняет старший научный сотрудник лаборатории математического моделирования физико-химических процессов в многофазных средах УрФУ Любовь Торопова.

Исследователи верифицируют свою модель на экспериментальной установке электромагнитной левитации, которая находится в Йенском университете имени Фридриха Шиллера (Германия). Полученные в рамках выполнения проекта теоретические модели позволяют описать реальные экспериментальные данные по кинетике роста кристаллов в расплавах.

«Благодаря уникальному оборудованию удается проводить реальные эксперименты и описывать дендритную структуру сплава, — поясняет Любовь Торопова. — Дополнительно в расчетах нами используются методы численного моделирования, с помощью которых мы можем сразу регулировать состав и характеристики сплава. Например, мы выяснили, что в некоторых случаях дендритные кристаллы, растущие из чистого кремния, эволюционируют быстрее, чем кристаллы, растущие из расплава силумина, и это улучшает микроструктуру и свойства конечного материала, то есть необходимо регулировать состав расплава, если требуется ускорить процесс литья деталей».

По словам ученых, разрабатываемые математические модели позволят быстро создавать сплавы различных металлов с необходимыми свойствами. На основе экспериментальных исследований модели физики создали программное обеспечение и получили свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Оно позволит симулировать комплексные процессы структурно-фазовых превращений, происходящих в сплавах различных металлов, и создавать материалы нового поколения с улучшенными характеристиками. Проект выполняется при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант 21-79-10012).

Справка

Дендритная кристаллизация — кристаллизация с образованием кристаллитов дендритной структуры. Дендрит — древоподобная структура, имеющая основной ствол с боковыми ветвями, которые сформированы по направлению основных осей кристаллической решетки в сплаве. Рост кристалла происходит путем упорядоченного присоединения атомов из жидкой фазы к его поверхности. Такой вид кристаллизации характерен для металлов и их сплавов.

Напомним, ранее группа исследователей лаборатории многомасштабного математического моделирования ИЕНиМ УрФУ расширила математическую модель для выращивания кристаллов. В модели можно задавать параметры и таким образом выращивать кристаллы заданной формы, размера и с необходимыми свойствами.