Az Európai Űrügynökség (ESA) 2000-ben indította a MICAST (Microstructure Formation in Casting of Technical Alloys under Diffusive and Magnetically Controlled Convective Conditions) programot, amelynek kidolgozására öt ország közel húsz kutatóhelye között meghívta az MTA és a Miskolci Egyetem közös anyagtudományi kutatócsoportjának kristályosodással foglalkozó Solidification and Gravity Miskolc University (SGMU) csoportját is. A csoport tagjai Rónaföldi Arnold, Svéda Mária, Veres Zsolt és Roósz András. A projekt jelenleg is tart.
Az űranyagtudomány alapja
Az űrkutatás kifejezésen három, egymástól merőben eltérő tevékenységet értünk. Lehet magát az űrt kutatni földi és űrbe telepített eszközökkel, ez a csillagászat. Lehet az űrbe telepített eszközökkel a Földet megfigyelni, kutatni, ezt nevezzük távérzékelésnek. Végül lehet az űrben kutatni, kihasználva a Föld körüli pályán mozgó űrállomásokon lévő súlytalanságot (más megfogalmazásban mikrogravitációt), azaz azt a tényt, hogy a Föld vonzásából származó gravitációs gyorsulást (g=9,81 m/s2) ellensúlyozza a körmozgásból származó centrifugális gyorsulás. Másként fogalmazva, a körpályán mozgó űrállomás folyamatosan szabadon esik a Föld felé, csak a Föld elfordul alatta, ezért nem esik le. Sokan tapasztalták már, hogy amikor a gyorslift hirtelen elindul lefelé (gyorsul), akkor úgy érezzük, mintha nem lenne súlyunk, mert szabadon esünk mi is a Föld felé. Az űranyagtudomány ezt a jelenséget használja ki.
Az űranyagtudomány jelentős része a folyékony állapotú rendszerek (folyadékok), olvadékok vagy oldatok kristályosodásával foglalkozik. A kristályosodás meghatározó folyamata a rendszerben lévő atomok diffúzió-ja, az atomok egyedi mozgása az olvadékban. Ha a folyadékot (olvadékot vagy oldatot) tartalmazó darab olyan térfogatrészeket tartalmaz, melyek sűrűsége (földön fajsúlya) egymástól eltér, akkor földi körülmények között kisebb térfogatrészek, azaz sok atom egyszerre történő elmozdulása, áramlása jön létre a folyadékban. Ezen alapszik a lakások fűtése: a kazánban felmelegített víz kisebb sűrűsége folytán felfelé, a hidegebb, nagyobb sűrűségű víz lefelé igyekszik, biztosítva ezzel a víz körforgását a rendszerben. Hasonlóan: a radiátorok által felmelegített, kisebb sűrűségű levegő felfelé, a nagyobb sűrűségű, hidegebb levegő lefelé áramlik, ennek eredménye a közel egyenletes hőmérséklet a lakásban. Fontos megjegyezni, hogy a folyadékokban oldott állapotban lévő atomok, molekulák akkor sem mozognak, nem ülepednek ki vagy nem úsznak a felszínre, ha az atom- (molekula-) tömegük eltér az oldószer atom- (molekula-) tömegétől. Ha ez nem így lenne, akkor a tengerekben a só a tenger-fenéken gyűlne össze, a felszínen pedig édesvizet találnánk, a hajósok nagy örömére.
Ahhoz, hogy egy ötvözet olvadéka megszilárduljon (kristályosodjon), az olvadékban hőmérséklet-különbséget kell létrehozni, a kristályosodás eredményeként pedig a szilárd és olvadékfázis határán egy, az átlagostól eltérő koncentráció alakul ki, a hőmérséklet- és a koncentrációkülönbség hatására pedig az olvadék sűrűsége pontról pontra változni fog. Ennek következtében az olvadékban áramlás alakul ki földi körülmények között. Súlytalansági (vagy közismert kifejezéssel: mikrogravitációs) körülmények között – amit ejtőtoronyban (néhány másodperc), parabola-pályán repülő repülőgépen vagy rakétákkal (néhány perc), űrállomáson (sok óra, akár nap) lehet hosszabb-rövidebb ideig produkálni – az áramlás nem alakul ki. A legtöbb kísérletben a különböző ötvözetek, félvezetők, biológiai anyagok vagy gyógyszeralapanyagok kristályosodását vizsgálták.
A különböző kristályosítást tartalmazó technológiai folyamatokat ma már szakértői szoftverekkel tervezik. Ezek a szoftverek tartalmazzák a diffúziós folyamatok számításán túl az olvadék hatását is a kialakuló mikroszerkezetre. A fizikai modellek kidolgozásához elengedhetetlenül szükséges a kristályosodási folyamatok részletes ismerete (annak kísérleti vizsgálata) az olvadék áramlása nélkül és az olvadékáramlás figyelembevételével. A mikrogravitációs kísérletek (az olvadékáramlás teljes kikapcsolásával) alkalmasak a diffúziós fizikai modellek ellenőrzésére, a különböző olvadékkeveréses (pl. mágneses keverés) kísérletek pedig az olvadékáramlás hatásának kimutatására.
A mikrogravitációs kísérletek alapvető célja az olvadék/szilárd átmenet (köznapian szólva: a kristályosodás) folyamatainak áramlás kikapcsolásával (tisztán diffúziós folyamatként) való vizsgálata, míg a mágneses keveréssel végrehajtott kísérletek, összehasonlítva azok eredményeit a mikrogravitációs kísérletek eredményeivel, az olvadékáramlás hatásáról adnak információt.
A MICAST projekt
A MICAST (A mikroszerkezet kialakulása technikai ötvözetekben öntés során diffúziós és mágnesesen ellenőrzött áramlási körülmények között) projekt célja a fentiekben leírtakkal összhangban annak kiderítése, hogy az olvadékáramlás hogyan hat az alumíniumötvözetek kristályosodásánál kialakuló mikroszerkezetre.
A kristályosodási folyamatokat alapjában véve az olvadékfázisban lezajló diffúzió (atomi mozgás) és az olvadékban kialakuló hőmérséklet-eloszlás szabályozza. Az olvadék áramlása, ami a földi körülmények között a különböző gyakorlati kristályosítási technológiákban (formaöntés, nyomásos öntés, folyamatos öntés stb.) óhatatlanul kialakul, megváltoztatja mind a koncentráció, mind a hőmérséklet eloszlását, ezáltal jelentősen befolyásolja a kialakuló mikroszerkezetet.
Az áramlás hatásának kiderítésére háromféle modellkísérlet áll rendelkezésre:
• mikrogravitációs kísérletek az áramlás majdnem teljes kikapcsolásával,
• 1 g-s kísérletek a Földön,
• növelt g-s (forszírozott áramlás) kísérletek.
A projekt kapcsán mind a három módszerrel végeztünk kísérleteket. A mikrogravitációs kísérleteket a Nemzetközi Űrállomás (ISS) Microgravity Science Laboratory (MSL) – lásd a nyitóképen – Low Gradient Furnace (LGF) és Solidification and Quenching Furnace (SQF) berendezéseiben hajtottuk végre. Az SQF rendelkezik egy forgó mágneses teret (Rotation Magnetic Field, RMF) gerjesztő indukciós tekerccsel, így mód volt arra, hogy az űrállomáson is végezzünk kristályosítást forszírozott olvadékáramlás mellett. A maximális mágneses indukció 5,4 mT volt, amivel csak korlátozott mértékű, a gyakorlati öntéstechnológiáknál jelentkező áramlási sebességnél jóval kisebbet lehetett elérni. A próbák előkészítését a Deutsche Luft und Raumtechnik (DLR, Köln, Sonja Steinbach, Lorenz Ratke) és az aacheni Access (Gerhard Zimmermann) laboratóriumában végezték.
Az SGMU laboratóriumban hajtottunk végre 1 g-s földi kísérleteket; 5,4 mT-nál nagyobb mágneses indukcióval (nagy olvadékáramlási sebességet biztosítva) csak az SGMU laboratóriumában épített egyedi berendezésekben lehetett elvégezni. Az SGMU két világszínvonalú, saját tervezésű és építésű berendezésében mind forgó (RMF), mind haladó (Traveling Magnetic Field, TMF) mágneses térrel végeztünk egyirányú hőelvonással kristályosítási kísérleteket. A próbák átmérője 8 mm, hossza 100 mm, a maximális mágneses indukció 150 mT volt. A próbák mozgatási sebessége (ezzel a szilárd/olvadék határ mozgásának sebessége) 0,02 és 1 mm/s között, a szilárd/olvadék fázisok határán a hőmérséklet-gradiens 2 és 10 K/mm között változott.
A forgó mágneses tér hatására az olvadékban a próba tengelyére merőleges síkban jön létre a primer áramlás, ami sokkal nagyobb sebességű, mint a próba tengelyével párhuzamos szekunder áramlás.
A primer áramlás hatására az oszlopos mikroszerkezet (egy irányban növekedő, nagy méretű szemcsék, azonos kristálytani orientációval, amelyek anizotróppá teszik a gyártmányt) megszűnik, úgynevezett ekviaxiális (közel gömbszerű), véletlenszerű kristálytani orientációjú szemcsék kristályosodnak, biztosítva a gyártmány izotróp (minden irányban közel azonos) mechanikai tulajdonságait. Egy másik hatása a keverésnek, hogy a szilícium dúsul a próba közepén, míg a próba szélén lecsökken a szilícium koncentrációja. Mindkét hatás jól ismert a folyamatos acélöntés esetében. A mágneses keverés hatására a buga szélén kialakuló oszlopos szerkezetet a mágneses keverés hatására létre-jövő olvadékáramlás „széttördeli”, a buga mikroszerkezete ekviaxiális lesz.
A bugák középvonala körül az öt-vözők (C, Si, Mn, Cr, Ni stb.) és a szennyezők (S, P) a bugák közepén dúsulnak. Ha a keverőberendezés jó helyen van elhelyezve, a kristályosodó szálon a dúsulás jelentősen csökkenthető, míg egy rossz helyen lévő keverő ezt a hatást fokozni képes.
Haladó mágneses tér hatására a primer áramlás a próba tengelyével párhuzamosan, a próba egyik oldalán felfelé, a másik oldalán lefelé alakul ki. A szekunder áramlás mértéke elhanyagolható. Az olvadékkeverés hatása hasonló az előbbiekhez, a mágnes bekapcsolása után az oszlopos mikroszerkezet megszűnik, ekviaxiális szemcsék kristályosodnak. A szemcsék mérete sokkal kisebb. Nagy előnye ennek a keverési módnak, hogy középvonali dúsulást nem hoz létre.
Az SGMU feladata a nagy mágneses térrel végrehajtott kísérleteken kívül az űrkísérletek előkészítéséhez szükséges földi (1 g-s) kísérletek elvégzése, valamint az űrkísérletek végrehajtását követően azok tükör- (azonos paraméterekkel történő) kísérleteinek végrehajtása volt.
A három különböző típusú kísérlet eredményeit összehasonlítva jobban megértjük a kristályosodási folyamatokat, precízebb fizikai modell alkotható, amelynek felhasználásával pontosítható a gyakorlatban is hasznosítható tervezőszoftver.
Hangsúlyozni kell, hogy az űrben csak kísérletek folynak, új anyagok gyártása az igen jelentős költségek miatt a közeljövőben biztosan nem lesz.
Dr. Roósz András
akadémikus, professor emeritus
Miskolci Egyetem
Cikkünk a Külgazdasági és Külügyminisztérium támogatásával készült
Fotó: ESA, Miskolci Egyetem