Кинетика-1

Кинетика-1

Шифр эксперимента: Кинетика-1
Направление НПИ: 1. Физико-химические процессы и материалы в условиях космоса
Секция КНТС: Космическое материаловедение
Наименование эксперимента: «Измерение и моделирование термических режимов и процесса формирования микроструктуры при фазовых переходах в переохлажденных расплавах на основе циркония»
Цель эксперимента:

Общая цель проекта заключается в оценке влияния конвекции при высокоскоростных фазовых переходах в условиях бестигельной кристаллизации металлических сплавов систем Cu-Zr при сравнительных измерениях в наземных условиях (1 g) и в космосе (микрогравитация). Эти результаты используются для теоретического моделирования процессов кристаллизации, рассматривая процессы конвективного тепло- и массопереноса. ".

Описание эксперимента:

Эксперименты по кристаллизации металлических образцов методом ЭМЛ состоят из этапов:

1.Подготовка образцов в наземных условиях и доставка их на МКС Подготовка образцов из высокочистых компонентов Zr, Cu и др. для экспериментов в электромагнитном левитаторе. Наземная аттестация образцов по химическому составу.

2. Откачка газовой среды до состояния высокого вакуума и/или напуск инертного газа.

Любое незначительное содержание кислорода приводит к значительному изменению механизма фазового превращения. Образование оксидов металлов на поверхности образца немедленно приводит к инициированию гетерогенного зародышеобразования и последующей кристаллизации всего образца. Поскольку целью экспериментов является изучение глубоко переохлажденных расплавов, инертный газ должен иметь высокую степень очистки.

3. Позиционирование образца в индукторе

С помощью встроенного манипулятора производиться позиционирование образца в системе индукторов. В условиях микрогравитации позиционирование должно осуществляться быстрее, чем это происходит в наземных экспериментах.

4. Термические циклы расплавления-кристаллизации

Под действием индуктора нагревателя происходит нагрев образца свыше температуры плавления. Далее осуществляется выдержка для достижения заданного уровня конвекции, определяемого характеристиками переменного электромагнитного поля. Последующее быстрое охлаждение осуществляется потоком газа или за счет радиации, что позволяет достичь скоростей охлаждения в печи ЭМЛ до 10 К/с. При проведении эксперимента в печи ЭМЛ образцы выдерживаются некоторое время при заданном значении переохлаждения, после чего инициируется затвердевание образца путем введения индентора, выполняющего роль зародыша. В дальнейшем за короткий промежуток времени фронт кристаллизации двигается от индентора и осуществляется затвердевание всего объема образца. Таким образом в печи ЭМЛ реализуется гетерогенный режим затвердевания. Переохлажденные образцы затвердевают при некотором переохлаждении, распределение которого зависит от системы, скорости охлаждения, склонности к окислению и другими параметрами. Регистрирующие приборы фиксируют температуру на различных точках поверхности с помощью высокоскоростной видеосъемки.

5. Передача данных регистрирующей аппаратуры в наземный центр управления экспериментом.

Передача большого объема видеоинформации с ЭМЛ.".

 

Новизна эксперимента:

Заявляемый проект, совместно с проектом "Кинетика 2", продолжает многолетние исследования, проводимые национальными космическими агентствами, по получению фундаментальных знаний о процессах эвтектического затвердевания, образования интерметаллических фаз, дендритном затвердевании и стекольных переходах, по разработке новых технологий производства функциональных материалов в условиях невесомости.

Проведенные до настоящего времени эксперименты позволили выявить характер протекания процессов кристаллизации при глубоких переохлаждениях в используемых сплавах, когда невозможно полностью исключить конвективный массоперенос и его влияние на неравновесное затвердевание. Новизной и актуальностью проекта является попытка получить ясное понимание влияния конвекции на стекольные переходы и кинетику кристаллизации многофазных систем при дендритном и эвтектическом росте.

Основным научным результатом обобщенной работы совместно с проектом "Кинетика 2" будет разработка математического описания эвтектической и дендритной кристаллизации и спинодального распада, которое применимо при разработке и оптимизации технологий производства новых материалов.

Одной из задач проекта является развитие эффективного научного сотрудничества между российскими и иностранными научными группами с целью обмена научными знаниями, которые востребованы в области фундаментальных основ инженерных технологий. Впервые будет проведен исчерпывающий анализ характерных точек фазовых переходов переохлажденных образцов и их зависимости от уровня конвекции. Сочетание серии экспериментов в условиях невесомости и исчерпывающего теоретического анализа позволит разработать математический аппарат для описания дендритного, эвтектического роста и динамики стекольных переходов."

 

Научная аппаратура:

КЭ проводится с использованием НА, расположенной на модуле МКС Коламбус.

В настоящее время MSL укомплектована двумя печами, непригодными для проведения данного проекта. В 2013 г. будет закончено дополнительное комплектование лабораторий новой НА – печью ЭМЛ для изучения бестигельной кристаллизации металлических образцов в условиях микрогравитации. Печь MSL-ЭМЛ с устройством позиционирования и нагрева образцов переменным электромагнитным полем высокой частоты позволяет проводить КЭ по бесконтейнерной кристаллизации металлических расплавов в условиях достижения значительных переохлаждений. Изготовление MSL-ЭМЛ производится компанией EADS/Astrium по независимому от данного проекта контракту с ESA. Блоки и агрегаты, входящие в состав НА, и их назначение: Печь MSL-ЭМЛ состоит из набора блоков, размещенных внутри комбинированного модуля, включающего несколько видов оборудования и имеющего унифицированную систему подключения НА. Печь состоит из:

• экспериментального модуля, состоящего из камеры, в которой создаются условия сверхвысокого вакуума или инертной газовой среды, держателя образца, системы левитации из двух электромагнитных индукторов (катушек), датчиков положения образца и контроля текущих параметров эксперимента;

• блока электронного управления КЭ и интерфейса с системами передачи телеметрических данных;

• высокоскоростной видеокамеры с системой сжатия и хранения изображений; • блоков питания и водяного охлаждения;

• блока обеспечения газа в экспериментальной камере;

• кассетного контейнера для хранения образцов;

• блока загрузки образцов в контейнер.

Предназначенная для проведения КЭ экспериментальная научная аппаратура ЭМЛ состоит из следующих агрегатов: операционной камеры; камеры с образцом; системы двух индукторов в виде спиралей особой геометрии для позиционирования и нагрева образца; системы обратной связи; аксиальных (фронтальных) видеокамеры и пирометра; цифровой видеосистемы; радиальной (боковой) видеокамеры; фронтальных и боковых защитных экранов; подсветки; турбомолекулярного вакуумного насоса; системы рециркуляции газа с пылевым фильтром; системы продувки камеры. Система высокоскоростной видеосъемки ЭМЛ функционирует в двух режимах: с высоким сжатием видеоданных и передачей данных по каналу связи в режиме реального времени; с низким сжатием видеоизображения, записью на устройства хранения данных и передачей данных по каналу связи после завершения КЭ. Блок загрузки образцов ЭМЛ сконструирован для одновременной загрузки 18 образцов диаметром до 10 мм из внешнего контейнера через герметичный бокс, наполненной аргоном с содержанием кислорода менее 5 частиц на миллион (<10-4 %), для исключения контакта образцов с окружающей средой. Внешний контейнер ЭМЛ для доставки на МКС 18 образцов имеет габаритные размеры 411х408х240 мм и массу 18,5 кг.".

 

Ожидаемые результаты:

Основными результатами КЭ будут:

На основе полученных результатов КЭ и их интерпретации будет завершен полный анализ влияния конвекции на фазовые переходы при эвтектическом и многофазном затвердевании, спинодальном распаде жидкостей и процессов стеклования.

Описание неравновесных эффектов захвата примеси (solute trapping) и перехода к беспорядку (disorder trapping) при сильно неравновесных условиях кристаллизации и их влияния на фазовые переходы кристаллизующихся систем.

Разработка, уточнение и апробация теоретических моделей дендритного и эвтектического роста и в сильно-неравновесных условиях кристаллизации, модели спинодального распада, учитывающие влияние конвекции в переохлажденных жидкостях.".

 

Сроки проведения: 2016-2024 гг.
Состояние эксперимента: Реализуется
Организация постановщик: "Удмуртский государственный университет" (УдГУ)
Организации участники: Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе РАН, Филиал ФГУП ЦЭНКИ – НИИСК; Institute of Materials Physics in Space, Cologne, Germany; Ruhr-University Bochum, Bochum Germany
Научный руководитель: Харанжевский Е. В., Удмуртский государственный университет, к.т.н, доцент
Последнее обновление: 05.06.2019
Страна: Россия