Вселенная и мы: человек в космосе

                                                                                        Космическая металлургия

Начиная с первых технологических экспериментов по сварке металлов, осуществленных в 1969 г. на советском космическом корабле «Союз-6» с помощью аппаратуры «Вулкан», космическая металлургия решает две задачи:

1) отработка методов монтажа, сборки и ремонта изделий в космосе

2) производство металлов и сплавов с улучшенными свойствами.

Обе экспериментальные задачи связаны между собой — проведение экспериментов по сварке образцов позволило получить ценную информацию о процессах плавления и затвердевания в невесомости, а исследование межфазных взаимодействий полезно для определения оптимальных условий получения сварных швов.
Вот некоторые особенности металлургических процессов в невесомости, которые могут найти практическое применение в производстве улучшенных образцов металлов в невесомости.

- уменьшение интенсивности конвективного перемешивания расплавов

по тому влиянию, которое оно оказывает на микроструктуру слитка это эквивалентно снижению скорости роста в обычных условиях. Это означает, что для получения материалов с упорядоченной направленной структурой процесс кристаллизации в космосе можно вести с более высокой скоростью, чем на Земле.
- бестигельный процесс кристаллизации металлов

позволяет получить высокой степени чистоты материалы

- переохлаждение расплавов

подавление гомогенного и гетерогенного зародышеобразования, приводящее к улучшению их макроструктуры — возможна более упорядоченная морфология дендритов, более тонкие зерна, более однородное распределение компонентов и т. д. Все это позволяет рассматривать переохлаждение  расплавов как один из практически полезных эффектов космической металлургии. Используя этот эффект, можно, в частности, ставить эксперименты с целью получения металлов не в кристаллическом, а в аморфном состоянии. Необычные свойства аморфных  металлов могут быть использованы для ряда приложений: такие материалы могут обладать высокой прочностью в сочетании о большой пластичностью, низкой коэрцитивной силы и высокой магнитной проницаемостью и т. д.

Однако, говоря о возможности практического использования явления переохлаждения металлов в невесомости, нельзя забывать о ряде других эффектов, которые сопровождают сложный процесс кристаллизации а также оказывают влияние на свойства слитков. Например, интенсивность массообмена  в расплаве определяет ликвацию компонентов вблизи фронта кристаллизации и влияет на скорость роста кристаллов. Интенсивность массообмена в свою очередь зависит от возможности возникновения конвективных течений в расплаве, обусловленных термокапиллярными эффектами.
Фазовый состав и кристаллографическая структура магнитных материалов во многом определяют их свойства. Например, повышенные магнитные характеристики ферромагнитных материалов определяются в первую очередь их магнитной структурой, или структурой доменов. Стабильность постоянных магнитов и величина коэрцитивной силы, вызывающей их размагничиванию, также зависят от структуры доменов, от движения их стенок.

Факторы, затрудняющие движение стенок доменов, способствует повышению стабильности постоянных магнитов. К числу этих факторов относится включения вторых фаз, дислокации и другие несовершенства кристаллической решетки. Между тем на проявление этих

факторов — характер включений вторых фаз, дислокационную структуру слитков, однородность состава и величину зерен — оказывает влияние приготовление соответствующих материалов в условиях невесомости.

- сверхпроводящие соединения

Современные сверхпроводники представляют собой класс сложных композитов с заданными свойствами. Состав сверхпроводящего сплава обычно заранее подбирают, чтобы обеспечить заданный набор свойств (критическая величина плотности тока и магнитного поля, критическая температура, механические свойства). Использование многоэлементных композиций из разных металлов позволяет преодолеть такую

трудность, как высокая хрупкость сверхпроводящих материалов. Другая трудность связана с том, что при переходе материала с понижением температуры из нормального  состояния в сверхпроводящее его теплопроводность резко уменьшается, что может привести к перегреву и разрушению образца (проблема деградации токов). Эту проблему решают, используя специальное медное или серебряное покрытие сверхпроводящего проводника. Во всех указанных случаях необходимо хорошее перемешивание компонентов.
По своим магнитным свойствам сверхпроводящие материалы делятся на сверхпроводники первого и второго рода. Основное различие между ними состоит в том, что в сверхпроводники первого рода магнитное поле не проникает ни при каких обстоятельствах, а в сверхпроводники второго рода оно может проникать, хотя и по своеобразному закону. Преимущество сверхпроводников второго рода состоит в том, их критические температуры, магнитные поля и плотности тока значительно выше. Существуют даже такие сверхпроводящие сплавы, например NЬ₃Gе, критическая температура которых достигает 21 — 24 К, что позволяет для их охлаждения использовать в несколько раз более экономичную систему на основе жидкого водорода (температура кипения 20,4 К), чем применяемая в настоящее время система охлаждения на жидком гелии.
Конструктивная особенность сверхпроводников второго рода состоит в том, что величина их критических параметров зависит от возможности программированного управления составом, включениями вторых фаз, дефектов и деформаций кристаллической решетки. Поэтому для их приготовления требуется достаточно сложная технология.
Для многих практических применений сверхпроводящих материалов технология их производства должна быть ориентирована на приготовление на их основе многожильных проводов, а также лент или шин.
Производство сверхпроводящих материалов в космосе может открыть перед технологами новые перспективы, поскольку в условиях невесомости можно реализовать новые способы управления фазовым составом материалов, степенью их однородности, характером и плотностью  дефектов кристаллической решетки. К этому следует добавить, что космические системы, на борту которых можно реализовать условия с глубоким вакуумом и достаточно низкими температурами, сами по себе представляют естественную сферу практического применения сверхпроводников.
Перспективные сверхпроводящие материалы (в том числе полученные методами космической технологии) найдут широкое применение в комических энергоустановках различного типа. Можно указать на использование сверхпроводников в бортовых магнитогидродинамических генераторах, накопителях энергии, а в более отдаленной перспективе в космических термоядерных энергетических установках. Для космических систем представляет также интерес использование диамагнитных и тепловых свойств сверхпроводников. Первые проявляются в том, что из сверхпроводника может быть полностью вытеснено магнитное поле, а вторые — в том, что теплопроводность сверхпроводника близка к нулю.

Внешний вид установки "Корунд"

Установка - ампульная электронагревная печь

Назначение - выполнение экспериментальных и технологических операций с материалами различных классов

                        (полупроводники, металлы, сплавы, стеклообразные среды и т.п.)

Базирование - орбитальные станции

Масса - 130 кг

Число контейнеров для загрузки ампул с образцами - 12

Диапазон рабочих температур - от 200⁰С до 1270⁰С

Потребляемая мощность - до 720 Вт

Скорость охлаждения расплавов - регулируемая, от 1 до 20 град./час; от 0,1 до 10 град./час

Скорость протяжки ампул - регулируемая, от 1 до 30 мм/час; от 1 до 30 мм/сутки

- сплавы с областью несмешиваемости

 Известно около 500 двойных металлических систем такого рода (Pb—Zn, А1—Рb, Ga—Bi, Cu—Pb и др.) и

большое количество стеклообразных систем такого типа. Подобные материалы могут обладать уникальными свойствами:

высокой прочностью, износоустойчивостью, сверхпроводящими характеристиками и т. д.

Практическая возможность получения таких систем в условиях невесомости определяется соотношением скоростей двух процессов — охлаждения  и кристаллизации и разделения компонентов за счет межфазных эффектов.

Третий процесс, также ведущий к разделению компонентов и обусловленный силами плавучести, в невесомости отсутствует.
- композиты

Основное преимущество этих материалов состоит в том, что они составлены из веществ, физико-химические, механические и другие свойства которых дополняют друг друга.
В последние годы в связи с развитием ряда отраслей  техники потребовались материалы, которые одновременно обладают малой плотностью (не более 3 г/см³), высоким модулем упругости (до 2 x 107 Н/см²) и низким коэффициентом, линейного расширения (около 2 x10^-6 К^-1). С помощью обычных сплавов обеспечить такое сочетание параметров невозможно. Композиционные материалы в принципе позволяют решить эту проблему.

- повышение жаропрочности при одновременном  сохранении технологических характеристик (сопротивление разрушению, приемлемые пластические свойства и др.)

Подобные материалы имеют большое значение, в частности, для ракетно-космической техники, например, при изготовлении перспективных энергодвигательных установок разных классов.
- создание сверхвысокопрочных материалов, одновременно обладающих приемлемыми значениями пластичности и вязкости разрушения. Такие материалы в случае их создания также найдут широкое применение в ракетно-космической технике, например, при сооружении в космосе крупногабаритных конструкций различного назначения.
Не рассматривая здесь различные классы композиционных материалов, отметим, что их качество во многом определяются однородностью распределения армирующих элементов в материале матрицы, относительной ориентацией упрочняющих частиц и т. п. Приданию материалам этих свойств в земных условиях часто препятствуют силы плавучести и эффекты конвекции гравитационного типа. Методы космической технологии, позволяющие исключить эти факторы, представляют поэтому практический интерес с точки зрения производства

композиционных систем с улучшенными свойствами.