Физики узнали, как условия затвердевания сплава влияют на его характеристики
Совместное исследование процесса кристаллизации сплавов в различных условиях и влияние этих условий на свойства материалов провели ученые из Уральского федерального университета (УрФУ) и Йенского университета им. Фридриха Шиллера, 6 августа сообщает пресс-служба УрФУ.
Исследователи установили в том числе, что коррозионная стойкость, однородность сплавов, полученных в невесомости, выше, чем у аналогичных образцов, полученных в земных условиях. Однако полученные при земной гравитации сплавы обладают большими плотностью, прочностью, теплопроводностью и электропроводностью.
Полученные учеными результаты помогут создавать материалы с улучшенными свойствами для аэрокосмической и авиационной промышленности, а также для смартфонов. Выводы проведенного на собственной модели исследования и сравнение полученных результатов с опытными данными коллег ученые опубликовали в журнале Physics Reports.
Руководитель лаборатории многомасштабного математического моделирования УрФУ Дмитрий Александров рассказал о проделанной коллективом работе:
«Мы рассмотрели образование дендритов (древовидных кристаллических образований, представляющих собой агрегаты из сросшихся кристаллов — прим. ИА Красная Весна) под воздействием внешних полей — электромагнитного и гравитационного, что позволило понять, как меняется микроструктура материала и как это сказывается на его химических и физических свойствах».
Ученые, изменяя мощность полей практически до нуля, как в условиях микрогравитации на МКС, установили, что при этом изменялась дисперсность дендритной микроструктуры при кристаллизации материалов, изменяя характеристики сплава в твердом состоянии.
Ученые в своей статье показали, как гравитация влияет и на физические, и на химические свойства материалов. «Земной» образец получился более плотным, но в его верхней части сформировалась концентрированная усадочная «раковина».
Но при этом нижняя часть слитка имела лучшие по сравнению с образцом, полученным без гравитации, показатели прочности, теплопроводности и электропроводности. Сплав, полученный в условиях невесомости, имел более однородную структуру и повышенную коррозионную стойкость, но меньшую плотность.
Старший научный сотрудник лаборатории математического моделирования физико-химических процессов в многофазных средах УрФУ Любовь Торопова добавила:
«Более важным критерием для получения необходимых свойств является температура, а именно скорость охлаждения и градиент температуры в случае направленного затвердевания. К примеру, при переохлаждении в −150 °С (или 123 Кельвина) в сплаве появляется много кристаллов, а при температуре в почти +2 °С (или 275 кельвинов) этих кристаллов немного, но они успевают вырасти. От этого, казалось бы, незначительного факта зависят такие свойства, как микротвердость, хрупкость и другие характеристики конечного изделия».
Ученые исследовали в том числе сплав из никеля и алюминия, который используют при изготовлении смартфонов, планшетов (для их высокоэлектропроводящих элементов), деталей машин, а также двигателей для малогабаритной авиации. Еще одним сплавом, варианты затвердевания которого изучили физики, был титано-алюминиевый сплав.
Как отметила Любовь Торопова, «сплав титан-алюминий перспективен для использования в различных отраслях промышленности, так как он интересен как высокотемпературный материал с высоким пределом текучести и превосходной устойчивости к коррозии. Поэтому он широко используются в аэрокосмической и авиационной промышленности. Кроме того, данный сплав обладает наилучшим комплексом механических, эксплуатационных и коррозионных характеристик, позволяющих конкурировать с традиционными алюминиевыми сплавами и полимерными композиционными материалами».
