Promocijas darbu aizstāvēs Mihails Birjukovs

Tēma: “Burbuļu un daļiņu plūsmas šķidrā metālā un sakausējumu sacietēšanas izpēte, izmantojot jaunas attēlu un datu analīzes metodes”.

Darba zinātniskais vadītājs: Dr. phys. Andris Jakovičs.

Anotācija:

Daudzfāzu plūsmai ārējā magnētiskā lauka (ML) klātbūtnē ir liela fundamentāla un praktiska nozīme. Burbuļu plūsma šķidrā metālā ir sastopama rūpnieciskos procesos, piemēram, šķidrā metāla maisīšanā, nepārtrauktā liešanā, ķīmiskajos reaktoros utt., kur tā tiek vai principā var tikt kontrolēta ar ML.

Tomēr ir nepieciešama dziļa izpratne par daudzfāzu plūsmām metālu kausējumos, lai varētu kontrolēt un optimizēt šos procesus un izvairīties no nevēlamām plūsmas nestabilitātēm. Šķidrā metāla daudzfāzu plūsma ir plaši pētīta, izmantojot ultraskaņas Doplera velocimetrijas metodi (UDV), ultraskaņas tranzīta laika metodi (UTLM, angl. UTTT), rentgenstaru radiogrāfiju un skaitliskās simulācijas, un daudzas tās īpašības un mehānismi pašlaik ir pietiekami skaidri. Problēma ir tāda, ka daudzi efekti, kas saistīti ar burbuļu kolektīvo dinamiku, vēl nav adekvāti izprasti vai vispār nav pētīti. Tas ir svarīgi, jo efektīvu burbuļu plūsmas modeļu (Eulera-Eulera un Lagranža) un iepriekš minēto rūpniecisko procesu uzlabošana nav iespējama bez skaidrības par to, kā burbuļi mijiedarbojas magnetohidrodinamiskajā (MHD) plūsmā (vai pat bez ML). Burbuļu mijiedarbība ar daļiņām ir svarīga metāla attīrīšanā un putu flotācijā, jo šajos procesos tiek ievadīti gāzes burbuļi, lai no kausējuma noņemtu piemaisījumus, kas rodas cietu daļiņu veidā. Attīrīšana galvenokārt tiek veikta, izmantojot divus mehānismus: pirmkārt, burbuļi, ceļoties augšup, rada turbulentu plūsmu, kas izraisa daļiņu aglomerāciju, palielinot efektīvo daļiņu izmēru un uzlabojot atdalīšanos blīvuma atšķirību dēļ; otrkārt, var notikt tiešas burbuļu-daļiņu sadursmes, pēdējās notverot burbuļu gāzes un šķidruma robežā, kas paceļas uz brīvo virsmu. Šādu burbuļu un daļiņu mijiedarbības izpēte ir ārkārtīgi svarīga. Burbuļu astes plūsma (t.i., plūsma, kas veidojas aiz burbuļa) ir tas, kas galvenokārt nosaka augšupejošo burbuļu trajektorijas, ja to savstarpējā mijiedarbība ir neievērojama. Ir arī pierādīts, ka brīvi kustīgas daļiņas ir iesprostotas astes plūsmas reģionā, palielinot to lokālo koncentrāciju, un sadursmes un aglomerācijas varbūtību. Sacietēšana ir daudzu rūpniecisku lietojumu centrālais aspekts, jo īpaši metalurģijā, piem. niķeļa supersakausējumu, vieglo alumīnija un magnija sakausējumu ražošana utt. Labi zināma un izplatīta problēma ir defektu veidošanās risks šo procesu laikā. Izšķīdušo vielu segregācija rodas mikromērogā, bet izplatās un parādās makromērogā (makrosegregācija), izraisot nevienmērīgu starpmetālu fāžu sadalījumu rūpnieciskajos sakausējumos. Turklāt sakausējumu sacietēšanas laikā to komponenšu sadalīšana noved pie izšķīdušās vielas robežslāņa veidošanās šķidruma un cietās robežas tuvumā. Gadījumos, kad izšķīdušās vielas blīvums var būt vieglāks nekā pamata šķidruma blīvums, peldspējas spēki robežslānī, kas vērsti atpakaļ uz šķidruma zonu, izraisa izšķīdušās vielas strūklu veidošanos, kas izplūst no cietā un šķidruma robežas reģiona.

Noteiktos apstākļos izplūstošā viela var veidot stabilus kanālus, ko sauc par skursteņiem (angl. chimneys). Pēc pilnīgas sacietēšanas tie paliek kā defekti lējumos, kas pazīstami kā freckles (angl.), kas būtībā ir anizotropu sakausējumu sastāva neviendabīgums kanālu veidā, kuru diametrs ir proporcionāls dažiem primāro dendrītu atstatumiem un garums var būt no milimetriem līdz centimetriem. Tāpēc ir vēlams kontrolēt sacietēšanu tā, lai nerastos defekti. Tomēr kontrolei ir nepieciešams saprast pamatā esošā fizika, un sacietēšanas procesi šķidros metālu sakausējumos ir ļoti sarežģīti, ar daudziem iespējamiem dendrītu konfigurāciju veidošanās režīmiem atkarībā no sistēmas parametriem (piemēram, temperatūras gradienta, dzesēšanas ātruma, sakausējuma komponentu masas daļām). Pastāv daudzu fizisku mehānismu mijiedarbība dažādos garuma mērogos: dendrītu augšana, šķidruma un cietās vielas robežas nestabilitāte, dabiskā un forsēta (vispārīgā gadījumā, abi) šķidruma masas plūsma, vielu koncentrācijas pārnese, šķidruma plūsma caur sacietējušām dendrītu struktūrām un to pārkausēšana, globālā un lokālā temperatūras dinamika, utt. Viens no veidiem, kā kontrolēt šādas sarežģītas sistēmas, ir pielikt ML reģionā, kurā notiek sacietēšana, taču tad ir jāņem vērā papildu fizika, piemēram, šķidruma plūsmas slāpēšana vai paātrināšana Lorenca spēka dēļ, ņemot vērā tā termoelektrisko komponenti. Šis un citi faktori, ko ievieš ML, būtiski maina sacietējušās mikrostruktūras.

Recenzenti: 

Dr. phys. Guntars Kitenbergs (Latvijas Universitāte),

Dr. Robert Zboray (Šveices federālās materiālu zinātnes un tehnoloģiju laboratorijas, Šveice),

Dr. Tianshu Liu (Rietumu Mičiganas Universitāte, ASV)

Ar promocijas darbu var iepazīties LU Bibliotēkā, Raiņa bulvārī 19. Dalība sēdē ar iepriekšēju pieteikšanos, rakstot uz sintija.silina@lu.lv līdz 2023. gada 26. septembrim.