Группа физиков из России и Германии провела исследование, в котором сравнила, как происходит кристаллизация сплавов в разных условиях и как это влияет на свойства материалов. Ученые выяснили, что коррозионная стойкость, однородность сплавов, полученных в условиях невесомости, лучше, чем у аналогичных образцов, полученных в земных условиях. Вместе с тем сплавы, созданные при земной гравитации, более плотные, более прочные, с большей теплопроводностью и электропроводностью. Эти сведения помогут создавать материалы с улучшенными свойствами для аэрокосмической и авиационной промышленности, а также для смартфонов. Выводы физики Уральского федерального университета и Йенского университета им. Фридриха Шиллера опубликовали в одном из ведущих мировых научных журналов Physics Reports.
«Мы рассмотрели образование дендритов под воздействием внешних полей — электромагнитного и гравитационного, что позволило понять, как меняется микроструктура материала и как это сказывается на его химических и физических свойствах. Так, изменяя мощность полей или уменьшая ее практически до нуля, как бывает, к примеру, в условиях микрогравитации на Международной космической станции, можно управлять дисперсностью дендритной микроструктуры при кристаллизации материалов, что и будет влиять на характеристики сплава в твердом состоянии», — рассказывает руководитель лаборатории многомасштабного математического моделирования УрФУ Дмитрий Александров.
Такой показатель, как гравитация, влияет и на физические, и на химические свойства материалов, показали в статье ученые. Так, «земной» образец получился более плотным, но с концентрированной усадочной «раковиной» в верхней части. Зато нижняя часть образца имела лучшие (в сравнении с условиями без гравитации) характеристики по прочности, теплопроводности и электропроводности. Аналогичный сплав в условиях невесомости получался более однородным, с повышенной коррозионной стойкостью, но менее плотным.
«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», — поясняет старший научный сотрудник лаборатории математического моделирования физико-химических процессов в многофазных средах УрФУ Любовь Торопова.
В работе ученые исследовали, в частности, сплав из никеля и алюминия. Материалы из таких сплавов широко применяются в смартфонах, планшетах (высокоэлектропроводящие элементы), деталях машин, из них также изготавливаются двигатели для малогабаритной авиации. Кроме того, физики изучили варианты затвердевания титано-алюминиевого сплава.
«Например, 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», — заключает Любовь Торопова.
Уральский федеральный университет — один из ведущих вузов России, расположен в Екатеринбурге. Участник проекта по созданию кампусов мирового уровня — части национального проекта «Наука и университеты», реализуемого Минобрнауки России. Университет — участник государственной программы поддержки российских вузов «Приоритет-2030», выступает инициатором создания и выполняет функции проектного офиса Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня «Передовые производственные технологии и материалы».