Directional solidificaiton experiments in materials science laboratory of the international space station

Abstract

Solidification is taking place in industrial applications ranging from casting, welding, soldering to additive manufacturing. Even for materials that are shaped by plastic deformation or machining, the ingotor workpieceis generally produced by casting. Although application of these processesmay modifysolidification microstructure, theinitial cast structure still plays a deterministicrolein chemical and morphological distribution in the material. Material properties are highly dependent on these distributions as well as the microstructural featuresof the material. Therefore, investigatingmicrostructure evolution during solidification is crucial. on Earth, duetoconvection in the liquid during solidification of alloys,two-dimensional (2D)samples, i.e. thicknesses on the order of μm, must be used to avoid convection and obtain quantitativeresults. However, the wall thicknessesof cast componentsusedin industry are at least mm-thick. In order to understand the fundamentals of the solidification processin three-dimensional (3D)samples, and examine the direct effect of experimental parameters on microstructure selection, experiments wereperformed in microgravity conditions. Details of these microgravity experiments performed in the International Space Station as well as the ones performed on Earth in the Microstructure Evolution Laboratory are given in this article. Additionally, objectives of both μg and 1g experiments are summarized. / Katılaşma, döküm, kaynak, lehimleme ve katmanlı imalatgibi endüstriyel uygulamalarda gerçekleşmektedir. Plastik deformasyon veya işleme ile şekillendirilen malzemeler için bile, külçe veya iş parçası genellikle döküm ile üretilir. Bu işlemlerin uygulanması,katılaşma mikroyapısını değiştirebilmesine rağmendöküm sırasında elde edilen yapı,malzemedeki kimyasal ve morfolojik dağılımda belirleyici bir rol oynamaktadır. Malzeme özellikleri, malzemenin mikroyapısal niteliklerininyanı sıra bu dağılımlara oldukça bağımlıdır. Bu nedenle, katılaşma sırasında gerçekleşen mikroyapı evriminin araştırılması çok önemlidir. Yeryüzünde yapılan deneylerde, katılaştırma sırasında sıvıda oluşan konveksiyonu engellemek ve kantitatif sonuçlar elde edebilmek için, iki boyutlu (2B), yani kalınlığı μm mertebesinde olan numunelerkullanılmalıdır. Fakat, endüstride kullanılan döküm parçalarının duvar kalınlığı en az mm seviyelerindedir. Üç boyutlu (3B)numunelerde katılaşma sürecinin temellerini anlamak ve deneysel parametrelerin mikroyapı seçimi üzerindeki doğrudan etkisini incelemek için deneyler mikrogravite koşullarında gerçekleştirilmiştir. Bu makalede, Uluslararası Uzay İstasyonu’nda gerçekleştirilen bu mikrogravite deneylerinin ve yeryüzünde Mikroyapı Evrim Laboratuvarı'nda yapılan deneylerin detayları verilmiştir. Ekolarak, μg ve 1g deneylerinin amaçları özetlenmiştir.