Rátkai László,a Pusztai Tamás,a Gránásy László,a,b
a Wigner Research Centre for Physics, P.O. Box 49, H-1525 Budapest, Hungary
b Brunel Centre of Advanced Solidification Technology, Brunel University, Uxbridge, Middlesex UB8 3PH, UK
Az öntési eljárásokat széles körben alkalmazzák fémalkatrészek előállítására. Az öntőformában megszilárduló öntvény nagyszámú kristályszemcséből álló, ún. polikristályos anyag. Mechanikai és egyéb tulajdonságait a kristályszemcsék méret-, alak- és összetétel eloszlása, az ún. mikroszerkezet határozza meg. Az öntési folyamat során fellépő olvadékáramlás és a kristályszemcsék növekedés közben történő mozgása alapvető szerepet játszik a mikroszerkezet kialakításában: A hőmérséklet térbeli eloszlása és a megszilárdulási sebesség változása átmenetet hoz létre az öntőforma fala felől induló oszlopos növekedési morfológia és a belső tartományokban kialakuló, kristálycsíra-képződés által meghatározott, ún. ekviaxiális morfológia között. Ezt az átmenetet az áramlás részben a megszilárdulási front előtt kialakuló kémiai összetételeloszlás módosításával befolyásolja, másrészt az oszloposan növekvő dendritek (páfrányszerűen elágazó növekedési forma) előtt képződő ekviaxiális dendritek „szállításával” átrendezheti azok eloszlását, amitől az oszlopos növekedés blokkolása más feltételek mellett következik be. Minthogy ezek a folyamatok jelentősen befolyásolják az öntéssel készült alkatrész mikroszerkezetét, s ezen keresztül annak mechanikai tulajdonságait és ellenállóképességét, a folyamat megértése és kontrollálása kiemelkedő gyakorlati jelentősséggel bír. A jelenség számítógépes modellezése várhatóan fontos szerepet játszik ennek megvalósításában.
A Computational Materials című Nature partner folyóiratban (impakt faktor: 9.20) közelmúltban megjelent tanulmányukban Rátkai László, Pusztai Tamás és Gránásy László, a Wigner Fizikai Kutatóközpont fizikusai olyan számítógépes modell kifejlesztéséről számolnak be, mely lehetővé teszi az öntés során zajló oszlopos – ekviaxiális átmenet áramlási vonatkozásainak leírását. A számítógépes modell a megszilárdulás leírására szolgáló fázismező elmélet és a folyadékáramlás szimulációjára használt Lattice-Boltzmann egyenletek kombinációján alapul. Megközelítésük lényege, hogy minden ekviaxiális részecskét külön mobil alrácsra helyeznek. A részecskék növekedését leíró egyenleteket ezen alrácsokon oldják meg, míg a részecskéket a rögzített globális rácson megoldott áramlási egyenleteknek megfelelően mozgatják. Módszerüket a kutatók az oszlopos – ekviaxiális átmenet két lehetséges módjának modellezésére alkalmazták a repülő- és űripari alkalmazások szempontjából fontos Al-Ti ötvözetrendszer esetében.
A modell képességeit az 1. ábra és a számítógépes animációk illusztrálják:
1.ábra: Pillanatfelvételek melyek a sebesség és koncentráció mezők (felső, ill. alsó sor) időfejlődését mutatják növekvő dendrites részecskék Al-Ti olvadékban gravitáció hatására történő ülepedése során. Az idő balról jobbra telik. A nyilak az áramvonalakat, ill. az áramlás irányát mutatják A numerikus szimuláció 2000 × 2000-es (alap-)rácson és egy GPU kártyán történt.
Animációk: Sebesség- és koncentráció mezőket mutató számítógépes animációk (balra és jobbra), melyeken az oszlopos és ekviaxiális morfológiák közti átmenet látható, alulról induló oszlopos növekedés és a szimulációs tartomány felső részében zajló nukleáció esetén.
Link az eredeti cikkre: https://www.nature.com/articles/s41524-019-0250-8
Ez a munka a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal (NKFIH) "Élvonal" kiválósági programjának támogatásával készült a KKP-126748 sz. szerződés keretében. A modellfejlesztés korai szakaszát az NKFIH a K-115959 sz. szerződés, ill. az Európai Űrügynökség “Microgravity Application Programme”-ba tartozó GRADECET projektje támogatta.
