Высокоскоростная кристаллизация перитектических сплавов в условиях электромагнитного перемешивания (ПЕРИТЕКТИКА)
Постановщик:
, к. ф.-м. н., доцент, заведующий лабораторией физики конденсированных сред, ФГБОУ ВПО «Удмуртский государственный университет»
Экспедиция № 40/41, продолжается
- Доставка на МКС НА MSL-EML с устройством позиционирования и нагрева образцов переменным электромагнитным полем высокой частоты средствами транспортного корабля ATV; Экспедиция №40. Проведение космического эксперимента по высокоскоростной кристаллизация перитектических сплавов в условиях электромагнитного перемешивания для 3-х образцов для сплавов Fe – 55 ат.% Co (образец №6), Fe – 50 ат.% Co (образец №7), сплав Fe – 18 ат.% Nd – 9 ат.% B (образец №22); Экспедиция №41.
Область исследования
Космический эксперимент посвящен изучению формирования и кристаллического роста стабильных и метастабильных фаз при высокоскоростной безтигельной кристаллизации металлических сплавов. В проекте изучено влияние конвективного перемешивания расплава на отбор фаз и кристаллическое структурообразование при фазовых превращениях в перитектических сплавах на основе железа, 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.
Исследование 1.
Анализ физических механизмов, контролирующих кинетику фазового превращения кристаллической решетки типа ОЦК в решетку типа ГЦК, и их зависимости от интенсивности вынужденной конвекции в переменном электромагнитном поле.
Исследование 2
Изучение влияния уровня вынужденной конвекции на время задержки между образованием стабильной и метастабильной фазы в условиях микрогравитации.
Исследование 3
Разработка вычислительных моделей высокоскоростной кристаллизации, включающих учет влияния конвекции, для математического описания и моделирования развития микроструктуры.
Исследование 4
Анализ критических значений переохлаждений, при достижении которых доминирует образование метастабильных фаз при заданном химическом составе.
Использование результатов эксперимента на Земле
Результаты КЭ «Перитектика» позволили изучить условия, необходимые для разработки новых магнитных материалов на основе железа с повышенным значением остаточной намагниченности до 1,6 Тл. Ключевыми фактором являются достижение значительных переохлаждений ниже температуры ликвидуса при безконтейнерной кристаллизации и увеличение времени задержки между формированием метастабильной и стабильной фаз. Создание подобной технологии в условиях гравитации Земли необходима разработка электромагнитных левитаторов с пониженным уровнем конвективного перемешивания. Теоретические результаты проекта были использованы при разработке технологии высокоскоростного лазерного синтеза функциональных покрытий.
Использование результатов эксперимента для освоения космоса
Перитектические сплавы на основе титана, запланированные во второй серии экспериментов, относятся к легким конструкционным жаропрочным сплавам. Применение этих материалов для освоения космоса целесообразно в части изготовления элементов конструкции космических и лунных станции.
Результаты
Анализ результатов эксперимента позволил установить, что скорость конвективного перемешивания влияет на способность образцов к достижению глубокого переохлаждения. Ключевым фактором является увеличение времени задержки между образованием метастабильной и стабильной фазы до 1-10 мс. Увеличение скорости перемешивания приводит к уменьшению задержки, что приводит к одновременному росту фаз, формирующих дендритную микроструктуру. Уменьшение скорости конвективного течения способствует увеличению времени задержки, и, как следствие, увеличению полезной фазы. В КЭ исследовались сферические образцы металлических сплавов на основе железа, относящиеся к классу перитектических сплавов, широко используемых в промышленности, включая:
- образец №6, сплав Fe – 55 ат.% Co, магнитомягкий сплав с высокой индукцией магнитного насыщения,
- образец №7, сплав Fe – 50 ат.% Co, магнитомягкий сплав с высокой индукцией магнитного насыщения,
- образец №22, сплав Fe – 18 ат.% Nd – 9 ат.% B, магнитожесткий сплав с высокой остаточной намагниченностью.
Публикации
W. Loser, R. Hermann, T. G. Woodcock, J. Fransaer, M. Krivilev, L. Granasy, T. Pusztai, D. M. Herlach, M. Kolbe, D. Holland-Moritz, T. Volkmann, Nucleation and Phase Selection in Undercooled Melts: Magnetic Alloys of Industrial Relevance (MAGNEPHAS) // Proc. of the Third International Symposium on Physical Sciences in Space (ISPS2007, 22-26 October 2007, Nara, Japan). W. Loser, R. Hermann, T. G. Woodcock, J. Fransaer, M. Krivilyov, L. Granasy, T. Pusztai, G. Toth, D. M. Herlach, D. Holland-Moritz, M. Kolbe, T. Volkmann, Nucleation and Phase Selection in Undercooled Melts: Magnetic Alloys of Industrial Relevance (MAGNEPHAS) // Journal of the Japan Society of Microgravity Application, vol. 25(3), 2008, pp. 495-500. 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, doi:10.1016/matsci.2008.12.021. M. Krivilyov, J. Fransaer. Numerical simulation of unsteady flow inside an impulsively started liquid drop // In "Computational Fluid Dynamics 2006", eds. H. Deconinck, E. Dick, ISBN: 978-3-540-92778-5, Springer (2009), pp. 649-654. М. Кривилёв, Я. Франсаер. Нестационарный тепломассоперенос при высокоскоростной кристаллизации методом распыления расплава // Вестник УдГУ, серия «Физика. Химия», вып. I, 2009, p. 43-52. , , Управление лазерным спеканием металлических порошковых смесей / Управление большими системами. Выпуск 31. М.: ИПУ РАН, 2010. С.299-322. , . Лазерное спекание нанокомпозитов Fe-Ni // Физика металлов и металловедение, т. 111, №1, 2011, с. 54-63. Krivilyov M., Volkmann T., Gao J., Fransaer J., Multiscale analysis of the effect of competitive nucleation on phase selection in rapid solidification of rare-earth ternary magnetic materials // Acta Materialia, 60 (2012) 112-122, DOI: 10.1016/j. actamat.2011.09.009. , , Многомасштабное теоретическое описание структурообразования в ультрадисперсных системах // Материаловедение, №1 за 2012, c. 2-6. Krivilyov M, Fransaer J., Effects of Transient Heat and Mass Transfer on Competitive Nucleation and Phase Selection in Drop Tube Processing of Multicomponent Alloys // In: Solidification of Containerless Undercooled Melts, Wiley-VCH, Eds. D. M. Herlach and D. M. Matson, pp. 139-160. 2012. G. A. Gordeev, V. E. Ankudinov, M. D. Krivilyov and E. V. Kharanzhevskiy. Optimization of processing parameters in laser sintering of metallic powders // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2012, Vol. 27, 012079, 7 p. doi:10.1088/1757-899X/27/1/012079. , , . Синтез композитных покрытий при высокоскоростном лазерном спекании металлических порошковых смесей // Физика металлов и металловедение, Т. 114, № 10, с. 871-893.