Космічна металургія
Металургія має справу з отриманням металів та з процесами, що повідомляють металевим сплавам необхідні властивості шляхом зміни їх складу та структури. До металургії відносяться процеси очищення металів від небажаних домішок, виробництво металів і сплавів, термічна обробка металів, лиття, нанесення покриттів на поверхню виробів і т. д. Більшість цих процесів включає фазові переходи до рідкого або газоподібного станів, для яких вплив величини масових сил складу і структуру кінцевого матеріалу може бути значним. Тому перенесення металургійних процесів у космос відкриває важливі можливості виробництва матеріалів з поліпшеними характеристиками, і навіть матеріалів, які Землі отримати не можна.
Металургійні процеси в космічних умовах можуть бути використані на вирішення наступних завдань.
1. Приготування сплавів, у яких немає сегрегації [6], обумовленої силою Архімеда (отримання композиційних матеріалів, сплавів високої однорідності та чистоти, пінометалів).
2. Приготування сплавів без конвекційних струмів (бездефектні монокристали, покращені евтектики та магнітні матеріали).
3. Безгравітаційне лиття (приготування плівок, дроту, литих виробів складної форми).
4. Безтигельна плавка металів та сплавів (очищення металів та сплавів, їх однорідне затвердіння).
5. Розробка методів отримання нероз'ємних сполук на космічних апаратах (зварювання, паяння тощо).
Розглянемо коротко стан досліджень, вкладених у отримання у космосі матеріалів металургійними методами.
Безефектні кристали та сплави.Для виробництва сплавів вихідні компоненти можуть бути приготовані як у рідкій, так і газоподібній(паровий) фазі з наступною кристалізацією. У невагомості через відсутність поділу фаз можна задавати довільні комбінації компонентів у будь-яких станах. Можна, зокрема, отримати прямий перехід із парової фази до твердого тіла, минаючи розплав. Матеріали, отримані при випаровуванні та конденсації, мають більш тонку структуру, яку зазвичай важко отримати при процесах плавлення та затвердіння (плавку в космічних умовах можна розглядати як спосіб очищення). При цьому в розплаві можливі такі ефекти: випаровування більш летючого компонента, руйнування хімічних сполук (окисли, нітриди тощо).
Найважливіший процес отримання сплавів – затвердіння. Цей процес суттєво впливає на структуру металу. При затвердінні можуть виникати різні дефекти в структурі металу: неоднорідність сплаву за хімічним складом, пористість і т.д. Якщо розплав твердне в умовах коливань температури, виникають локальні коливання швидкості росту кристала, що може призвести до такого дефекту, як полосчатость структури кристала. Для подолання цього дефекту структури необхідні заходи щодо зменшення конвекції.
У космічних умовах відкриваються можливості приготування однорідних сумішей, що складаються з компонентів із різною щільністю та з різними температурами плавлення. На Землі такі суміші неможливо знайти стійкі через сили Архімеда. Особливий клас сплавів такого типу – це магнітні матеріали, у тому числі нові надпровідники.
Раніше зазначалося, що з переваг методу зонної плавки у космічних умовах у тому, що можна одержувати монокристали більших розмірів, ніж Землі. Відсутність сили тяжіннядозволяє також по-новому організувати процеси спрямованої кристалізації. Таким шляхом можуть бути отримані ниткоподібні кристали великої довжини ("вуси", або "уїскери") з підвищеною міцністю.
Розглянемо експерименти, у яких досліджувалися практичні можливості космічної металургії. Так, в експерименті на станції Скайлеб були отримані сплави з компонентів, які погано змішуються в земних умовах. У трьох ампулах були розміщені заготовки зі сплавів золото-германій, свинець-цинк-сурма, свинець-олово-індій. У космічних умовах зразки піддавали переплавці кілька годин, витримувалися при температурі вище за точку плавлення, а потім охолоджувалися. Доставлені на Землю зразки мають унікальні властивості: однорідність матеріалів виявилася вищою, ніж у контрольних зразків, отриманих на Землі, а сплав золота з германієм виявився надпровідним при температурі близько 1,5 К. Аналогічні суміші, отримані з розплаву на Землі, цією властивістю не мають , мабуть, через відсутність однорідності.
У рамках радянсько-американської програми ЕПАС було проведено такий експеримент, метою якого було дослідження можливості отримувати магнітні матеріали з покращеними характеристиками. Для досліджень було обрано сплави марганець-вісмут і мідь-кобальт-церій. У робочій зоні електронагрівної печі підтримувалася максимальна температура 1075 °C протягом 0,75 год, а потім протягом 10,5 год піч остигала. Твердіння відбувалося в період сну космонавтів, щоб знизити небажаний вплив вібрацій при їх переміщеннях усередині станції. Найбільш важливий результат цього експерименту полягає в тому, що у зразків першого типу, що затверділи на борту космічного корабля, величина коерцитивної сили [7] на 60% вище, ніж у контрольних зразків, отриманих наЗемлі.
Композиційні матеріали.Композиційними матеріалами, або композитами, називають штучно створені матеріали, які складаються з основного сполучного матеріалу та міцного армуючого наповнювача. Як приклади можна навести комбінацію алюмінію (зв'язуючий матеріал) зі сталлю, приготовленою у вигляді ниток (армуючий матеріал). Сюди відносяться і пінометали, тобто метали, в обсязі яких міститься велика кількість рівномірно розподілених газових бульбашок. У порівнянні з компонентами, що їх утворюють, композиційні матеріали мають нові властивості — підвищену міцність при меншій питомій вазі. Спроба отримати в наземних умовах композити з основою, що знаходиться в рідкому стані, призводить до розшарування матеріалу. Приготування композитів у космічних умовах може забезпечити більш однорідний розподіл армуючого наповнювача.
На станції «Скайлеб» було також поставлено експеримент, мета якого полягала у отриманні композиційних матеріалів, армованих «усами» з карбіду кремнію (питому вагу 3,1). Як основний (матричний) матеріал було обрано срібло (питома вага 9,4). Композиційні матеріали з металевою основою, армовані «вусами», становлять практичний інтерес через їх високу міцність. Техніка їх отримання заснована на послідовних процесах перемішування, пресування та спікання.
Під час проведення космічного експерименту розміри частинок срібного порошку становили
0,5 мм, діаметр «вусів» з карбіду кремнію.
0,1 мкм та середня довжина
10 мкм. У кварцовій трубці, в якій розміщувався зразок, був поршень з графіту і кварцу з пружиною для стиснення зразка після розплавлення, щоб видавлювати з порожнечі. Дослідження доставлених із космосукомпозиційних матеріалів показало, що в порівнянні з контрольними зразками вони мають значно одноріднішу структуру і більш високу твердість. Що стосується матеріалів, отриманих Землі, чітко видно структурне розшарування, відбувається спливання «усів» вгору.
Евтектики.Евтектика — це тонка суміш твердих речовин, кристалізація яких відбувається одночасно при температурі нижче температури плавлення будь-якого з компонентів або інших сумішей цих компонентів. Температура, за якої відбувається кристалізація такого розплаву, називається евтектичною. Сплави цього типу часто утворюються з компонентів, що сильно відрізняються один від одного (наприклад, до складу евтектичного сплаву Вуда входять вісмут, свинець, олово, кадмій). Евтектичні матеріали широко застосовуються в науці та техніці: їх використовують для виготовлення лопаток газових турбін, як надпровідні та спеціальні оптичні матеріали.
Для приготування евтектик зазвичай використовують метод спрямованого твердіння, тобто твердіння в одному заданому напрямку. Застосування цього методу в космічних умовах представляє безперечний інтерес, тому що через відсутність конвекції можна поліпшити однорідність матеріалу, а виключаючи контакт розплаву зі стінками, можна отримувати вільні від оксидів матеріали, які будуть мати корисні оптичні властивості.
Різновидом евтектик є двофазні системи типу «усів». Це голчасті монокристали з досконалою структурою, міцність яких завдяки відсутності сторонніх включень наближається до теоретично можливої. У невагомості такі матеріали можна вирощувати та впроваджувати у рідкий метал методами композиційного лиття. Ще один різновид евтектик – тонкі епітаксійні плівки. Такіплівки знаходять широке застосування під час виготовлення транзисторів шляхом нанесення матеріалу на тверду основу - підкладку з рідкої чи парової фази. Прояв конвекції в рідині або газі веде до спотворення решітки епітаксійних плівок, до появи в них небажаних включень та інших дефектів структури.
У космічних умовах поставлено низку експериментів щодо дослідження евтектичних сплавів. Наприклад, в одному експерименті на станції «Скайлеб» досліджувався вплив невагомості на структуру сплаву мідь-алюміній при спрямованому затвердінні. У доставлених із космосу зразках кількість дефектів зменшилась на 12–20 %. В іншому експерименті на станції Скайлеб і МА 131 при спільному польоті кораблів Союз і Аполлон досліджувалося отримання двофазних евтектик галогенідів (NaCl-NaF в першому випадку і NaCl-LiF - в другому). При твердінні такої евтектики одна з фаз (NaF або LiF) може утворити нитки, впроваджені в іншу фазу як матричний матеріал.
Подібні евтектики можуть знайти застосування як волоконні світловоди [8] для інфрачервоної області спектра. Ниткоподібні евтектики, вироблені на Землі, мають велику кількість дефектів, виникнення яких пов'язане з коливальними конвекційними рухами в рідині. Структура евтектик галогенідів, отриманих у космосі, виявилася досконалішою, що призвело до поліпшення їх технічних характеристик. Так, коефіцієнт пропускання світла для зразка першого типу зріс у 40 разів, а другого типу - у 2 рази порівняно з аналогічними зразками, вирощеними на Землі.
Технологія отримання неразъемных соединений.Як зазначалося вище, перші у світі роботи у цій галузі виконані Радянському Союзі 1969 р. на космічному кораблі «Союз-6». На радянській космічній станції«Салют-5» космонавти Б. В. Волинов та В. М. Жолобов продовжили дослідження в цьому напрямку, успішно здійснивши досліди з паяння металів за допомогою приладу «Реакція». Прилад «Реакція» (див. рис. 6) і екзоконтейнер, що розміщується в ньому, по конструкції не були герметичні, і тому для імітації умов пайки в космічному просторі з герметизованої області між муфтою і трубкою було заздалегідь відкачане повітря (див. рис. 9). Трубка і муфта були виготовлені з нержавіючої сталі, а для створення між ними зазорів капілярних на поверхні трубки зроблена накатка глибиною 0,25 мм. Як припой був обраний високотемпературний марганець-нікелевий припій (температура паяння 1200–1220 °C), який характеризується високими механічними властивостями та гарною корозійною стійкістю.
Наземні металографічні дослідження та випробування швів (на вакуумну щільність, на механічну міцність на розривній машині з внутрішнім тиском до 500 атм) показали, що отримані в космосі паяні з'єднання за якістю не поступаються отриманим у земних умовах, а по ряду показників перевершують їх. Зокрема, спостерігається рівномірне заповнення зазорів припоєм, однорідніша мікроструктура металу (див. рис. 10).
Результати випробувань на борту космічних апаратів різних методів зварювання та паяння підтверджують, що при виконанні на перспективних космічних об'єктах монтажно-складальних робіт ці методи отримання нероз'ємних з'єднань знайдуть широке застосування.
Примітки:
Сегрегацією, або ліквацією, в металургії називається неоднорідність сплаву за хімічним складом.
Коерцитивною силою називають напруженість магнітного поля, необхідну повного розмагнічування феромагнетика.