Страница 9 из 15
Космическая металлургия
Металлургия имеет дело с получением металлов и с процессами, сообщающими металлическим сплавам необходимые свойства путем изменения их состава и структуры. К металлургии относятся процессы очистки металлов от нежелательных примесей, производство металлов и сплавов, термическая обработка металлов, литье, нанесение покрытий на поверхность изделий и т. д. Большинство этих процессов включает с себя фазовые переходы к жидкому или газообразному состояниям, для которых влияние величины массовых сил на состав и структуру конечного материала может быть значительным. Поэтому перенос металлургических процессов в космос открывает принципиальные возможности производства материалов с улучшенными характеристиками, а также материалов, которые на Земле получить нельзя.
Металлургические процессы в космических условиях могут быть использованы для решения следующих задач.
1. Приготовление сплавов, в которых нет сегрегации[6], обусловленной силой Архимеда (получение композиционных материалов, сплавов высокой однородности и чистоты, пенометаллов).
2. Приготовление сплавов в отсутствие конвекционных токов (бездефектные монокристаллы, улучшенные эвтектики и магнитные материалы).
3. Безгравитационное литье (приготовление пленок, проволоки, литых изделий сложной формы).
4. Бестигельная плавка металлов и сплавов (очистка металлов и сплавов, их однородное затвердевание).
5. Разработка методов получения неразъемных соединений на космических аппаратах (сварка, пайка и т. д.).
Рассмотрим коротко состояние исследований, направленных на получение в космосе материалов металлургическими методами.
Бездефектные кристаллы и сплавы. Для производства сплавов исходные компоненты могут быть приготовлены как в жидкой, так и в газообразной (паровой) фазе с последующей кристаллизацией. В невесомости из-за отсутствия разделения фаз можно задавать произвольные комбинации компонентов в любых состояниях. Можно, в частности, получить прямой переход из паровой фазы к твердому телу, минуя расплав. Материалы, полученные при испарении и конденсации, обладают более тонкой структурой, которую обычно трудно получить при процессах плавления и затвердевания (плавку в космических условиях можно рассматривать как способ очистки). При этом в расплаве возможны следующие эффекты: испарение более летучего компонента, разрушение химических соединений (окислы, нитриды и т. п.).
Важнейший процесс получения сплавов — затвердевание. Этот процесс существенно влияет на структуру металла. При затвердевании могут возникать различные дефекты в структуре металла: неоднородность сплава по химическому составу, пористость и т. д. Присутствие в расплаве перепадов температуры и концентрации может приводить к возникновению конвекции. Если расплав затвердевает в условиях колебаний температуры, то возникают локальные колебания скорости роста кристалла, что может привести к такому дефекту, как полосчатость структуры кристалла. Для преодоления этого дефекта структуры необходимы меры по уменьшению конвекции.
В космических условиях открываются возможности приготовления однородных смесей, состоящих из компонентов с разной плотностью и с различными температурами плавления. На Земле такие смеси не могут быть устойчивы из-за силы Архимеда. Особый класс сплавов такого типа — это магнитные материалы, в том числе новые сверхпроводники.
Ранее отмечалось, что одно из преимуществ метода зонной плавки в космических условиях состоит в том, что можно получать монокристаллы более крупных размеров, чем на Земле. Отсутствие силы тяжести позволяет также по-новому организовать процессы направленной кристаллизации. Таким путем могут быть получены нитевидные кристаллы большой длины («усы», или «уискеры») с повышенной прочностью.
Рассмотрим эксперименты, в которых исследовались практические возможности космической металлургии. Так, в эксперименте на станции «Скайлэб» были получены сплавы из компонентов, которые плохо смешиваются в земных условиях. В трех ампулах были размещены заготовки из сплавов золото—германий, свинец—цинк—сурьма, свинец—олово—индий. В космических условиях образцы подвергались переплавке несколько часов, выдерживались при температуре выше точки плавления, а затем охлаждались. Доставленные на Землю образцы обладают уникальными свойствами: однородность материалов оказалась выше, чем у контрольных образцов, полученных на Земле, а сплав золота с германием оказался сверхпроводящим при температуре около 1,5 К. Аналогические смеси, полученные из расплава на Земле, этим свойством не обладают, видимо, из-за отсутствия однородности.
В рамках советско-американской программы ЭПАС был проведен такой эксперимент, целью которого было исследование возможности получать магнитные материалы с улучшенными характеристиками. Для исследований были выбраны сплавы марганец—висмут и медь— кобальт—церий. В рабочей зоне электронагревной печи поддерживалась максимальная температура 1075 °C в течение 0,75 ч, а затем в течение 10,5 ч печь остывала. Затвердевание происходило в период сна космонавтов, чтобы снизить нежелательное воздействие вибраций при их перемещениях внутри станции. Наиболее важный результат этого эксперимента состоит в том, что у образцов первого типа, затвердевших на борту космического корабля, величина коэрцитивной силы[7] на 60 % выше, чем у контрольных образцов, полученных на Земле.
Композиционные материалы. Композиционными материалами, или композитами, называют искусственно созданные материалы, которые состоят из основного связующего материала и прочного армирующего наполнителя. В качестве примеров можно привести комбинацию алюминия (связующий материал) со сталью, приготовленной в виде нитей (армирующий материал). Сюда же относятся и пенометаллы, т. е. металлы, в объеме которых содержится большое количество равномерно распределенных газовых пузырьков. По сравнению с образующими их компонентами композиционные материалы обладают новыми свойствами — повышенной прочностью при меньшем удельном весе. Попытка получить в наземных условиях композиты с основой, находящейся в жидком состоянии, приводит к расслоению материала. Приготовление композитов в космических условиях может обеспечить более однородное распределение армирующего наполнителя.
На станции «Скайлэб» был также поставлен эксперимент, цель которого состояла в получении композиционных материалов, армированных «усами» из карбида кремния (удельный вес 3,1). В качестве основного (матричного) материала было выбрано серебро (удельный вес 9,4). Композиционные материалы с металлической основой, армированные «усами», представляют практический интерес ввиду их высокой прочности. Техника их получения основана на последовательных процессах перемешивания, прессовки и спекания.
При проведении космического эксперимента размеры частиц серебряного порошка составляли ~ 0,5 мм, диаметр «усов» из карбида кремния ~ 0,1 мкм и средняя длина ~ 10 мкм. В кварцевой трубке, в которой размещался образец, имелся поршень из графита и кварца с пружиной для сжатия образца после расплавления, чтобы выдавливать из расплава пустоты. Исследование доставленных из космоса композиционных материалов показало, что по сравнению с контрольными образцами они обладают значительно более однородной структурой и более высокой твердостью. В случае материалов, полученных на Земле, четко видно структурное расслоение, происходит всплывание «усов» вверх.
Эвтектики. Эвтектика — это тонкая смесь твердых веществ, кристаллизация которых происходит одновременно при температуре ниже температуры плавления любого из компонентов или любых других смесей этих компонентов. Температура, при которой происходит кристаллизация такого расплава, называется эвтектической. Сплавы этого типа часто образуются из компонентов, сильно отличающихся друг от друга (например, в состав эвтектического сплава Вуда входят висмут, свинец, олово, кадмий). Эвтектические материалы широко применяются в науке и технике: их используют для изготовления лопаток газовых турбин, в качестве сверхпроводящих и специальных оптических материалов.
6
Сегрегацией, или ликвацией, в металлургии называется неоднородность сплава по химическому составу.
7
Коэрцитивной силой называют напряженность магнитного поля, необходимую для полного размагничивания ферромагнетика.