Akadēmiskais centrs
Sadarbības partneris: Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf
01.04.2019-31.03.2022
Pētniecības pieteikuma kopējās attiecināmās izmaksas ir 133 805,88 EUR
Eiropas Reģionālās attīstības fonda finansējuma – 113 734,99 EUR valsts budžeta finansējuma – 13 380,58 EUR LU finansējuma – 6 690,31 EUR
Mērķis: Izpētīt jaunu metodi, kas izmanto kombinēto elektromagnētisko lauku ietekmi daļiņu iemaisīšanai šķidros metālos un daļiņu dispersiju ar kavitāciju, priekš metāla matricas kompozītu ražošanas.
Rezultāti:
Sagaidāms, ka šis pētniecības projekts nodrošinās augsta līmeņa pielietojamo pētījumu veikšanu, kuri ir interesanti arī vairākām specifisku materiālu ražošanas nozarēm. Šis pētījums arī palielinās praktisko pētījumu zinātnisko kvalitāti Latvijas Universitātē. . Projekts ļaus iesaistīt pētniecībā arī studentus.
Metāla matricas nanokompozītu (MMNC) ražošanai, izmantojot divpakāpju elektromagnētisko palīdzību, tiek piedāvāts eksperimentāls un skaitlisks pētījums ietverot dažādas fizikālas parādības. Pirmajā solī nano-pulveris tiek iemaisīts alumīnijā daļēji cietā stāvoklī. Paredzams, ka šis solis radīs nanodaļiņu aglomerātu maisījumu metālā, kas pēc tam tiks pakļauts elektromagnētiski ierosinātajai kavitācijai smalkai daļiņu izkliedēšanai. Elektromagnētiski izraisītu kavitāciju var panākt ar uzliktiem DC un AC vai impulsveida magnētiskajiem laukiem. Elektromagnētiskas ierosmes elektromagnētiskās metodes tiks salīdzinātas ar mehāniski ierosinātu ultraskaņu, ko dažām alumīnija sakausējumiem izmanto daļiņu dispersijas nolūkos. Elektromagnētiskās metodes izmanto magnētiskos spēkus, kas rodas inducēto elektrisko strāvu dēļ mijiedarbojoties ar statisko magnētisko lauku. Skaitliskā simulācija tiks veikta, lai aprēķinātu elektromagnētiskā spiediena sadalījumu, strāvas un plūsmas apstrādājamajā materiālā. MMNC stieņa daļēji nepārtrauktas liešanas iekārta ir paredzēta kā projekta turpinājums.
Paveiktais 01.04.2019-30.06.2019
Tika veikta detalizēta literatūras un dažādu esošo tehnoloģiju analīze par dažādiem metāla matricas kompozītmateriāliem, to pielietojumiem un iegūšanas metodēm. Elektromagnētiskas metodes ultraskaņas ierosināšanai šķidros elektrovadītājos ir apskatītas vairākās publikācijās, bet to izmantošana ražošanā vēl nenotiek. Veikti analītiskie novērtējumi un vienkāršoti skaitliskie modeļi spiediena sadalījumam dažādas formas objektos, ko rada vienlaicīgi pielikti AC un DC magnētiskie lauki. Veikti novērtējumi lauku amplitūdas vērtībām, lai būtu iespējams sasniegt literatūrā norādītos sliekšņus akustiskās kavitācijas sasniegšanai. Plānoti eksperimenti vairākos virzienos: 1) Daļiņu iemaisīšana ar pastāvīgo magnētu maisītāju un to disperģēšana ar mehānisko ultraskaņas avotu. 2) Šķidra metāla ar iemaisītiem daļiņu klasteriem apstrāde ar kombinētu DC un impulsveida magnētisko lauku. Tika uzsākti sagatavošanas darbi plānotajiem eksperimentiem ar mehānisko ultraskaņas devēju, kā arī eksperimentiem ar kombinētajiem laukiem un dažāda veida daļiņām izmantojot impulsveida strāvas avotu un kondensatoru izlādi. Veikti izmēģinājuma eksperimenti un raksturīgo parametru mērījumi mehāniskajam ultraskaņas devējam Hielscher 1500. Veikti eksperimenti, lai noteiktu optimālo darba gaitu plānotajiem eksperimentiem ar alumīnija sakausējumiem, izmantojot mehānisko ultraskaņu un pastāvīgo magnētu maisīšanu.
Paveiktais 01.07.2019-30.09.2019.
Veikta prezentācijas sagatavošana “ELECTROMAGNETIC CONTACTLESS METHOD FOR METAL MATRIX COMPOSITE PRODUCTION” starptautiskajai konferencei PAMIR 2019, konferencē nolasīts referāts. Veikti analītiskie novērtējumi un iekārtas parametru aprēķini plānotajiem kristalizācijas eksperimentiem. Eksperimentālajā iekārtā plānots kristalizēt 10 mm diametra alumīnija sakausējumus (AlSi, AlMg, AlMgSc). Iekārta paredzēta arī lai kristalizācijas laikā iedarbotos uz metālu ar elektromagnētisko iedarbību, tādējādi ietekmējot materiāla struktūru un piemaisījumu sadalījumu tajā. Veikti izmēģinājuma eksperimenti šķidra alumīnija sonicēšanai ar mehānisko ultraskaņas devēju. Tiek gatavota darbam eksperimentālā iekārta metālu kausēšanai un apstrādei ar augstfrekvences magnētisko lauku, ko plānots izmantot eksperimentos ar elektromagnētiski ierosinātu ultraskaņu daļiņu izkliedēšanai šķidros metālos. Sagatavots un iesniegts raksts dalībai konferencē TMS2020, kas notiks 2020 gada 23-27. februārī Sandiego ASV. Raksts SIMULTANEOUSLY APPLIED ELECTROMAGNETIC AND MECHANICAL ULTRASOUND FOR PARTICLE DISPERSION IN LIQUID METALS iesniegts publicēšanai citējamā konferences izdevumā. Rakstā apskatīta iespēja izmantot kombinētu elektromagnētisko un mehānisko ultraskaņu daļiņu izkliedēšanai.
Paveiktais 01.10.2019-31.12.2019.
Veikta skaitlisko modeļu izstrāde, lai aprēķinātu kristalizācijas frontes ātrumu un temperatūras sadalījumu metāliska sakausējuma lietnī. Publicēts raksts žurnālā Magnetohydrodynamics “Experimental investigation of weld pool flow under external DC magnetic field”, kurā apskatīta pastāvīgā magnētiskā lauka ietekme uz šķidrā metāla plūsmu metināšanas procesā. Eksperimentāli un skaitliski parādīts, ka magnētiskais lauks vai dažādas to kombinācijas var būtiski ietekmēt piemaisījumu
transportu un temperatūras sadalījumu. Šo īpašību izmaiņa ietekmē arī materiāla īpašības pēc sacietēšanas. Veikti eksperimenti un paraugu izpēte kristalizētiem metāla sakausējumu paraugiem, kur veikta daļiņu izkliedēšana ar ultraskaņu. Tiek veidota eksperimentāla iekārta ar daļiņām leģētu metālu orientētai kristalizācijai izmantojot dažāda veida elektromagnētisko iedarbību.
Paveiktais 01.01.2020-31.03.2020.
Dalība konferencē TMS2020, kas notika 2020 gada 23-28. februārī Sandiego ASV, kur uzstājos ar referātu “On the conjoint influence of electromagnetic and mechanical ultrasound for particle dispersion in liquid metals” speciālā metāla matricas kompozītiem veltītā sekcijā. Tiek turpināts darbs pie orientētās kristalizācijas eksperimentālās iekārtas, sagatavojot regulējumu vilkšanas sistēmu un paraugu uzpildīšanu keramikas caurulītēs. Tiek veikti skaitliskie modeļi, lai aprēķinātu temperatūras režīmu kristalizācijas iekārtā, kā arī elektromagnētiskā spēka sadalījumu kristalizējamajā paraugā.
Paveiktais 01.04.2020-30.06.2020.
Laika periodā ir veikti orientētas kristalizācijas eksperimenti magnētiskajā laukā, izmantojot zemas temperatūras SnBi un SnPb sakausējumus. Veikta paraugu apstrāde un paraugu mikrostruktūras salīdzināšana dažādos kristalizācijas režīmos. Novērtēta magnētisko spēku ietekme uz struktūras izmaiņām. Uzsākta eksperimentu veikšana ar lēnu alumīnija sakausējumu kristalizāciju 10 mm diametrā. Šajā periodā arī veikti papildinājumi rakstā “Combined Electromagnetic and Mechanical Ultrasound for Particle Dispersion in Liquid Metals”, pēc kā raksts pieņemts publicēšanai žurnālā JOM (The Journal of The Minerals, Metals & Materials Society).
Paveiktais 01.07.2020-30.09.2020.
Šajā laika posmā ir uzsākti eksperimenti veicot daļiņu iemaisīšanu ar mehānisko ultraskaņu alumīnija sakausējumos. Alumīnija sakausējums tiek izkausēts ar indukciju un tad veikta daļiņu ievade un iemaisīšana ar mehānisko ultraskaņas devēju. Devēja pozīciju var mainīt ar soļa motoru, tādējādi atrodot rezonanses režīmus, kuros skaņa ir visstiprākā. Plānots veikt eksperimentu sēriju ar dažādiem sakausējumiem.
Turpināts darbs arī pie alumīnija sakausējumu nepārtrauktas kristalizācijas iekārtas paredzot to stieņa kristalizācijai līdz 20 mm diametrā.
Veikti labojumi un publicēts raksts “ELECTROMAGNETIC CONTACTLESS METHOD FOR METAL MATRIX COMPOSITE PRODUCTION” žurnālā “Magnetohydrodynamics”
Paveiktais 01.10.2020–31.12.2020.
Turpināts darbs pie nepārtrauktās kristalizācijas iekārtas, veicot orientētas kristalizācijas eksperimentus dažāda veida alumīnija sakausējumiem ar diametriem 10 mm un 20 mm. Veikta parametru pielāgošana, variējot gāzes spiedienu un kristalizācijas ātrumu, kā arī šķidrā alumīnija temperatūru padeves traukā. Mērķis ir atrast optimālu darba režīmu, lai varētu pievienot leģējošās daļiņas un dažāda veida elektromagnētisko lauku iedarbību, kas plānots turpmākajā projekta gaitā. Veikta skaitlisko modeļu izstrāde magnētiskā lauka sadalījumam, ko iespējams pielietot kristalizācijas laikā. Veikti arī aprēķini, nosakot elektromagnētisko spēku, kas darbojas uz šķidro metālu, ja tiek pielikta elektriskā strāva caur kristalizācijas fronti.
Paveiktais 01.01.2021.-31.03.2021.
Šajā laika periodā veikti nepārtrauktās kristalizācijas eksperimenti un gatavo paraugu mehāniskā testēšana, veicot stiepes testus un nosakot parauga Junga moduli. Veikti eksperimenti, lai noslapinātu SiC daļiņas ar Al-Mg sakausējumu izmantojot zemspiediena slāpekļa metodi. Šajā metodē daļiņas kopā ar metālu tiek ilgstoši turētas augstā temperatūrā slāpekļa atmosfērā. Uzstāšanās ar referātu konferencē The 1st International Electronic Conference on Metallurgy and Metals (IEC2M 2021) un publicēts raksts konferences izdevumā.
Paveiktais 01.04.2021-30.06.2021.
Šajā laika posmā veikti eksperimenti veicot dažāda veida ar daļiņām bagātinātu alumīnija sakausējumu liešanu paraugos un veicot to mehāniskos testus. Mehāniskajos testos konstatēts, ka tā paša materiāla izturība var ļoti būtiski mainīties atkarībā no kristalizācijas apstākļiem. Veikta daļiņu iemaisīšana paraugā lietojot zemspiediena metodi slāpekļa atmosfērā. Šādi sagatavotais materiāls pēc tam tiek kristalizēts orientētās kristalizācijas iekārtā. Tiek gatavots zinātnisks raksts iesniegšanai žurnālā “Metals”.
Paveiktais 01.07.2021-30.09.2021.
Šajā laika posmā veikti eksperimenti iemaisot nanodaļiņas levitējošā šķidra metāla pilienā izmantojot mehānisko ultraskaņas zondi. Šādā veidā iespējams izvairīties no piemaisīto daļiņu nosēšanās gar trauka sienām.
Dalība UIE kongresā Pilzenē ar referātu “Directional solidification of metallic alloys and composites under electromagnetic interaction”.
Mobilitāte Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf Vācijā. Ar projekta sadarbības partneriem veikta publikācijas izstrāde un iegūto rezultātu analīze, kā arī turpmāko darba virzienu apspriešana.
Paveiktais 01.10.2021-31.12.2021.
Veikta mobilitāte Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf Vācijā, kuras laikā apspriesti eksperimentālie rezultāti un tālākās pētījumu iespējas ar sadarbības partneriem. Šajā laika periodā veikta orientētās kristalizācijas iekārtas sagatavošana eksperimentiem ar impulsveida magnētisko lauku dažādiem alumīnija sakausējumiem. Turpināts veikt jau iegūto metālu materiālu paraugu apstrādi un publikācijas sagatavošanu.
Paveiktais 01.01.2022-31.03.2022.
Šajā projekta posmā veikti eksperimenti Alumīnija sakausējumu kristalizācijai ar pastāvīgā magnētiskā lauka un maiņstrāvas iedarbību. Veikti pētījumi arī par impulsveida magnētiskā lauka izmantošanu, lai panāktu kristāliskās struktūras un piemaisījuma daļiņu vienmērīgu izkliedi alumīnija stienī. Dalība starptautiskā konferencē “Advanced Materials Science World Congress” uztājoties ar referātu “Electromagnetic methods for improved production of additive manufacturing materials”. Apstiprināts pieteikums dalībai konferencē PAMIR 2022 “Fundamantal and applied magnetohydrodynamics”, kas notiks 2022 Jūlijā Krakovā, Polijā. Veikta izpēte par iespēju virzīt jauno kristalizācijas tehnoloģiju komercializācijas jomā.