Wysokotemperaturowe stanowisko do badań oddziaływania ciekłych metali i stopów

Pełna nazwa: Wysokotemperaturowe stanowisko do badań oddziaływania ciekłych metali i stopów z podłożami ogniotrwałymi w warunkach izotermicznych i nieizotermicznych

Istota wynalazku

Pod względem znaczenia utylitarnego, w odniesieniu do odlewnictwa, wysokotemperaturowe stanowisko do badań oddziaływania ciekłych metali i stopów z materiałami ogniotrwałymi (ciałami stałymi) w warunkach izotermicznych i nieizotermicznych zostało zaprojektowane i skonstruowane w celu wyjaśnienia zjawisk zachodzących podczas kontaktu ciekłego metalu z materiałami tygli i form odlewniczych w myśl koncepcji „zobaczyć niewidzialne”.

W stanowisku zastosowano szereg autorskich rozwiązań, dzięki którym badania z wykorzystaniem małych obiektów odzwierciedlają procesy zachodzące podczas pracy w warunkach rzeczywistych. Stanowisko składa się z kilku kluczowych elementów: próżniowej komory badawczej, systemu manipulatorów stolika badawczego, manipulatorów systemu kroplówkowego oraz komory załadowczej. Specjalnie zaprojektowana próżniowa komora badawcza pozwala na umieszczenie w jej środku dwóch niezależnych systemów nagrzewania, co umożliwia prowadzenie badań w warunkach nieizotermicznych, czyli takich, w których ciekły metal ma inną temperaturę niż podłoże, na którym jest usytuowany. Przyjęte rozwiązanie wzorcowo symuluje procesy zachodzące w procesie odlewania, gdy metal o wyższej temperaturze jest zalewany do form odlewniczych o znacznie niższej temperaturze.

Oba systemy grzania zaprojektowane są w taki sposób, aby możliwa była realizacja badań w szerokim zakresie: od temperatury pokojowej aż do temperatury 2000°C. Badania prowadzone są w super wysokiej próżni rzędu 10-6 mbar (czyli w warunkach, jakie panują w przestrzeni kosmicznej 200 km nad ziemią) lub przy ciśnieniach zbliżonych do atmosferycznych w niereaktywnym gazie przepływowym. Wyposażenie próżniowej komory badawczej we wzierniki umożliwia obserwację zachowania ciekłego metalu w kontakcie z podłożem ogniotrwałym w trakcie badań.

Obraz z komory rejestrowany jest przez wysokorozdzielczą, ultra szybką kamerę (do 1000 klatek/s).

Na podstawie zarejestrowanych obrazów mogą być wyznaczane takie właściwości materiału jak napięcie powierzchniowe ciekłego metalu, kąt zwilżania, szybkość rozpływania oraz może być wizualizowany proces penetracji ciekłego metalu w głąb materiału ogniotrwałego. Te właściwości służą następnie do określenia wytycznych do doboru materiałów na formy i tygle odlewnicze lub do określenia przydatności pary badanych materiałów do wytwarzania struktur zaawansowanych, w tym kompozytów. Służą też do wyznaczania właściwości ciekłych metali i stopów, wykorzystywanych później do symulacji komputerowych procesów zalewania form odlewniczych, krzepnięcia i krystalizacji odlewów.

Wysokotemperaturowe stanowisko wyposażone jest również w system manipulatorów stolika badawczego, pozwalających na: przesuwanie próbki w prawo-lewo i przód-tył oraz góra-dół, obrót próbki, zmian jej pochylenia o 5° lub podniesienie jednego z jej brzegów tak, aby uzyskać kąt nachylenia aż do 30°. Wszystkie te manipulacje próbką można wykonywać zarówno w niskiej temperaturze jak i w temperaturze badań. Manipulacje stolikiem służą do odzwierciedlenia zjawisk zachodzących podczas odlewania metalu, w tym rozpływania ciekłego metalu na podłożu, wyznaczenia pracy adhezji ciekłego metalu do podłoża.

Kolejnym zaawansowanym manipulatorem zastosowanym w wysokotemperaturowym stanowisku jest system manipulatora kroplówkowego. Manipulator ten pozwala na przechwycenie kroplówki z metalem z komory załadowczej, wyciskanie ciekłego metalu na podłoże ogniotrwałe bądź też zasysanie ciekłego metalu. Manipulator kroplówkowy wyposażony jest w przepusty elektryczne w celu prowadzenia badań nad zmianą kąta zwilżania ciekłego metalu podczas przepływu prądu przez badaną próbkę.

Potencjał komercjalizacji

Badania realizowane na wysokotemperaturowym stanowisku do badań oddziaływania ciekłych metali i stopów z materiałami ogniotrwałymi (ciałami stałymi) w warunkach izotermicznych i nieizotermicznych mają na celu odpowiedni dobór materiałów na oprzyrządowanie odlewnicze (tygle i formy odlewnicze), optymalizację parametrów technologicznych procesu odlewania, jak również dobór materiałów do wytwarzania materiałów zaawansowanych, w tym kompozytów metalowo-ceramicznych.

Badania prowadzi się również w kierunku wytwarzania nowej generacji tworzyw gradialnie funkcjonalnych, w tym z wykorzystaniem powłok grafenowych lub materiałów zawierających grafen jako fazę zbrojącą. Można także prowadzić badania materiałów wysokotopliwych (w tym superstopów niklu czy stopów tytanu) o szerokim zastosowaniu w lotnictwie, kosmonautyce, medycynie oraz energetyce.