Перитектика

Перитектика

Шифр эксперимента: Перитектика
Информационная справка: is_peritektika.docx
Направление НПИ: 1. Физико-химические процессы и материалы в условиях космоса
Секция КНТС: Космическое материаловедение
Наименование эксперимента: Высокоскоростная кристаллизация перитектических сплавов в условиях электромагнитного перемешивания
Цель эксперимента:

На основании серии экспериментов по высокоскоростной кристаллизации переохлажденных перитектических сплавов в условиях невесомости выявить зависимость механизма фазового превращения и физико-технических характеристик металлических образцов от условий конвективного перемешивания расплава и разработать технологию получения нового класса магнитных и конструкционных материалов на основе сплавов железа с Ni, Co, Pt и Pd и сплавов Ti-Al-Nb, используемых в промышленности.

Описание эксперимента:

Заявляемый проект посвящен изучению формирования и кристаллического роста стабильных и метастабильных фаз при высокоскоростной безтигельной кристаллизации металлических сплавов. В проекте будет изучено влияние конвективного перемешивания расплава на отбор фаз и кристаллическое структурообразование при фазовых превращениях в перитектических сплавах на основе железа и тройных сплавов титан-алюминий-ниобий, имеющих важное практическое применения.

Целью исследований является создание технологии контроля фазово-структурных характеристик получаемых образцов за счет управления интенсивностью конвективного перемешивания расплава в переменном электромагнитном поле. Влияние конвекции на фазовые превращения и развитие микроструктуры было подтверждено предыдущими исследованиями затвердевания образцов, переохлажденных ниже равновесной температуры кристаллизации, с использованием оборудования для электромагнитной левитации TEMPUS в условиях невесомости. Данные эксперименты проводились для системы Fe-Co в рамках проекта MAGNEPHAS 2004-08 гг. Европейского космического агентства и для Fe-Cr-Ni в рамках КЭ STS-94, финансировавшегося НАСА.

Для проведения на борту МКС безтигельной плавки и кристаллизации образцов будет использоваться печь для электромагнитной левитации MSL-EML. Возможности указанной НА для достижения контролируемого уровня конвективного перемешивания расплава будут использованы для изучения влияния конвекции на скорости зарождения и роста стабильных и метастабильных кристаллических фаз. Основным анализируемым параметром выступает время задержки между зарождением метастабильной фазы и последующим ее превращением в стабильную фазу в процессе высокоскоростной кристаллизации. С этой целью положение, морфология и скорость фронта затвердевания как стабильной, так и метастабильной фаз будут фиксироваться высокоскоростной видеокамерой. Выбор исследуемых сплавов мотивирован возможностью зарождения первичной метастабильной ОЦК фазы и последующим превращением в стабильную ГЦК фазу, которое наблюдается в сплавах железа с Ni, Co, Pt и Pd.

Методы исследования включают как подготовку и проведение КЭ на борту МКС с последующим анализом структуры полученных образцов, так и многостороннее теоретическое моделирование явлений переноса в кристаллизующемся расплаве и их влияния на зарождение и рост фаз.

Проект направлен на решение двух фундаментальных вопросов: «Каково влияние конвекции на формирование микроструктуры кристаллизующихся сплавов?» и «Каков эффект микрогравитации на временные и пространственные масштабы протекания процессов зарождения и роста?». Проект соответствует двум направлениям секции №2 КНТС Роскосмоса: “Процессы получения других материалов” и “Физика жидкости, явления переноса”. Цели, задачи, методы, ожидаемые результаты и распределение работ между российскими и иностранными участниками проекта описаны в техническом задании на КЭ.

Перитектические сплавы относятся к одним из наиболее широко использующихся материалов в промышленном производстве. Следовательно, изучение механизмов кристаллизации подобных систем востребовано для разработки широкого класса изделий. Исследуемые в проекте сплавы Fe - (Ni, Co, Pt, Pd) широко используются для производства магнитомягких магнитных материалов. Создание сплавов в данном классе позволит расширить спектр новых материалов с прогнизируемыми магнитными и электрическими свойствами при сохранении экономически обоснованной стоимости их производства. Вторая группа образцов - интерметаллические сплавы на основе Ti-Al-Nb - относится к жаропрочным легким соединениям, что перспективно при разработке новых конструкционных материалов в аэрокосмической отрасли, в частности, в производстве лопастей турбин и двигателей.

Новизна эксперимента:

В отличие от экспериментов, выполненных на ОС «Мир», исследуемая жидкость помещается в ячейки разной геометрии: цилиндрическую ячейку с подогревом части боковой поверхности цилиндра, прямоугольную ячейку с подогревом боковой поверхности, цилиндрическую ячейку с подогревом торцов и цилиндрическую ячейку с точечным подогревом внутри жидкости, что позволяет проводить исследования с точно определенными граничными условиями, позволяющими проверять и уточнять математические модели, связанные с тепломассопереносом в критических и околокритических жидкостях.

Научная аппаратура:

КЭ проводится с использованием научной лаборатории MSL для проведения исследований в области материаловедения, расположенной на модуле МКС Коламбус. В 2012 г. будет закончено дополнительное комплектование лаборатории новым НА - печью для изучения кристаллизации металлических образцов в условиях микрогравитации MSL-EML.

Печь MSL-EML с устройством позиционирования и нагрева образцов переменным электромагнитным полем высокой частоты позволяет проводить КЭ по бесконтейнерной кристаллизации металлических расплавов в условиях достижения значительных переохлаждений. Изготовеление НА производится компанией EADS/Astrium по независимому от данного проекта контракту с ESA. Печь MSL-EML состоит из набора блоков, размещенных внутри комбинированного модуля, включающего несколько видов оборудования и имеющего унифицированную систему подключения НА. Печь состоит из:

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

• блока электронного управления КЭ и интерфейса с системами передачителеметрических данных,

• высокоскоростной видеокамеры с системой сжатия и хранения изображений;

• блоков питания и водяного охлаждения;

• блока обеспечения газа в экспериментальной камере;

• внешнего контейнера для доставки на МКС и спуска 18 образцов;

• блока загрузки образцов в контейнер. Экспериментальный модуль сконфигурирован из следующих агрегатов: операционной камеры; камеры с образцом (образцедержателя); 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 видеосъмки функционирует в друх 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 сконструирован для одновременной загрузки 18 образцов 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 для доставки на МКС и спуска 18 образцов имеет цилиндрическую форму диаметром 200 мм и длиной 170 мм. Масса внешнего контейнера, включая массу 18 образцов равна 4 кг.

Ожидаемые результаты:

Получение фундаментальных знаний об особенностях переохлаждения, скорости охлаждения, микро- и макроконвекции в расплаве для изучаемого процесса позволит составить единое разностороннее описание перитектической кристаллизации при высоких скоростях охлаждения, что является насущной научной и технологической проблемой. Эксперименты по электромагнитной левитации образцов в наземных условиях не позволяют изучить весь диапазон условий перитектической кристаллизации, что становится возможным при проведении дополнительно космических экспериментов. Наземные эксперименты по электростатической и электромагнитной левитации позволяют достичь предельных условий перемешивания расплава, когда электромагнитное перемешивание отсутствует или, соответственно, является очень сильным. Условия невесомости позволяют изменять и контролировать скорости течения в широком диапазоне. Таким образом, ключевым результатом проведения КЭ являются научные данные, полученные при создании различных условий конвективного перемешивания и контролируемых условий кристаллизации.

Сроки проведения: 2014-2024 гг.
Состояние эксперимента: Реализуется
Организация постановщик: Удмуртский государственный университет (УдГУ)
Организации участники: Institut fur Materialphysik im Weltraum Deutsches Zentrum fur Luft- und Raumfahrt (DLR) Koln, Germany, Institut fur Festkorperforschung Leibnitz-Institut fur Festkorper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW), Dresden, Germany Department of Metallurgy and Materials Engineeing Katholieke Universiteit Leuven (KUL) Leuven, Belgium School of Computing and Mathematics University of Greenwich Greenwich, United Kingdom Mechanical Engineering Department Tufts University Medford, United States Department of Mechanical and Industrial Engineering University of Massachusetts, Amherst, United States
Научный руководитель: Кривилев М.Д., ВПО «Удмуртский государственный университет», к.ф.-м.н., доцент
Публикации по эксперименту:

1. D. M. Herlach, P. K. Galenko, D. Holland-Moritz: Metastable Solids from Undercooled Melts, (Ed. R. Cahn), ISBN 978-0-08-043638-8, Pergamon Materials, 2007.

2.  M. Krivilyov and J. Fransaer, Proc. of ICCFD4, 2006

3.  М.Д. Кривилёв, П.К. Галенко. Моделирование перехода к бездиффузионному затвердеванию при высокоскоростной кристаллизации бинарных сплавов // Вестник УдГУ, 2008, выпуск 1, стр. 129-140.

4. P.K. Galenko and M.D. Krivilyov, Modeling of a transition to diffusionless dendritic growth in rapid solidification of a binary alloy // Computational Materials Science, vol. 45(4) (2009), pp. 972-980.

Последнее обновление: 18.06.2019
Страна: Россия