Невесомость помогает создавать однородную структуру материалов

10:02, 3 ноября 2022

Ученые впервые определили, как гравитация влияет на металлические сплавы

Матмодель ученых УрФУ помогает моделировать процесс затвердевания сплава. unsplash.com / Dan Cristian Pădureț.

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 МКС, с результатами образцов, обработанных в земных условиях. Результаты экспериментов и моделирования представлены в журнале Acta Materialia.

Все материалы на основе алюминия получают из жидкой фазы, она является исходной. Процесс 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, — поясняет Петр Галенко, ведущий научный сотрудник лаборатории многомасштабного математического моделирования УрФУ. — Мы впервые обработали данные с МКС 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 структура значительно отличается друг от друга: в невесомости из сплавов получаются более однородные структуры».

Как поясняют исследователи, в невесомости создаются бесконтейнерные условия, то есть отсутствует соприкосновение металла со стенками тиглей, в которых сплавы содержатся на Земле. Также ученые выделили еще два важных фактора, на которые влияет наличие или отсутствие гравитации при объемной кристаллизации. Первым фактором является 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.

Работу поддержал Российский научный фонд (проект № 21-19-00279). 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.

Справка

Все сплавы обрабатывались в установке электромагнитной левитации на Земле в условиях пониженной гравитации и в условиях (квази)невесомости или микрогравитации, которая возникает в левитаторах, установленных на космических устройствах на МКС. Электромагнитная левитация (ЭМЛ) — метод прямого наблюдения за процессом затвердевания электропроводящих образцов и оценки теплофизических параметров жидкой фазы с помощью пирометров и высокоскоростных цифровых камер. Метод ЭМЛ используется для изучения скорости и морфологии затвердевания металлических материалов в зависимости от переохлаждения. В данной установке образцы свободно левитируют в сверхчистой среде на протяжении всего эксперимента, тем самым избегая влияния соприкосновения со стенками тигля и инородными примесями.

Условия (квази)невесомости возникают в левитаторах, установленных на звуковых ракетах типа Texus; аэробусах, обеспечивающих параболические полеты; на европейском отсеке Columbus Международной космической станции.