Текст книги "Космическая технология и производство"
Автор книги: Леонид Лесков
Соавторы: Виталий Савичев,Сергей Гришин
сообщить о нарушении
Текущая страница: 3 (всего у книги 5 страниц)
Исследование этих процессов на станции «Салют-5» проводилось с помощью прибора «Кристалл». Он представлял собой термостат с тремя кристаллизаторами, в каждом из которых происходило выращивание кристаллов алюмокалиевых квасцов из их водного раствора (см. рис. 6). Алюмокалиевые квасцы были выбраны в качестве исследуемого материала, поскольку их свойства и особенности роста на Земле хорошо изучены. Для того чтобы вызвать процесс кристаллизации, в каждый из растворов вводился кусочек кристалла («затравка»). На его гранях и начинался рост кристалла, материал которого вследствие диффузии поступал из раствора. На рис. 11 показаны образцы кристаллов алюмокалиевых квасцов, выращенных на орбитальной станции «Салют-5».
Эксперимент с кристаллизатором № 1 продолжался в течение 24 суток (с 14 июля по 8 августа 1976 г.). Первая экспедиция на станцию «Салют-5» – космонавты Б. В. Волынов и В. М. Жолобов – доставила на Землю кристаллы из этого кристаллизатора, которые выросли не только на «затравке», но и в объеме кристаллизатора (массовая, или объемная, кристаллизация). Эксперимент с кристаллизатором № 2 продолжался 185 суток (с 9 августа 1976 г. по 11 февраля 1977 г.). Большая часть этого эксперимента происходила в то время, когда станция «Салют-5» находилась в беспилотном управляемом режиме. Вторая экспедиция – космонавты В. В. Горбатко и Ю. Н. Глазков – доставила на Землю большое количество кристаллов, полученных при массовой кристаллизации. Было отмечено интересное явление – срастание отдельных кристаллов в цепочки («ожерелья»). Опыт в кристаллизаторе № 3 проводился 11 суток. На Землю был доставлен кристалл, выросший на «затравке», массовая кристаллизация в этом кристаллизаторе отсутствовала (см. рис. 11).
Изучение кристаллов, выросших в кристаллизаторе № 1, показало, что «космические» кристаллы отличаются от выращенных на Земле как по внешней огранке кристаллов (хорошо развиты те грани кристалла, которые обычно слабо развиты в земных образцах), так и во внутренней структуре (космические образцы содержат повышенное количество газово-жидких включений). Исследование кристаллов, полученных при массовой кристаллизации в кристаллизаторе № 2, показало, что и они содержат газово-жидкие включения. Наблюдаются сростки из четырех – пяти отдельных кристалликов. Для кристалла, выросшего в кристаллизаторе № 3, характерно чередование зон, содержащих газовые включения с зонами, чистыми от включений.
Рис. 11. Кристаллы алюмокалиевых квасцов, выращенные на станции «Салют-5» (а – образцы из кристаллизатора № 1; б – из кристаллизатора № 2; в – из кристаллизатора № 3)
Исследования доставленных из космоса кристаллов показали также, что в них не наблюдается полосчатости, характерной для земных условий и свидетельствующей о колебаниях скорости роста. Этот результат может быть следствием отсутствия конвекции в растворе в космических условиях.
Источником газово-жидких включений в кристаллах являются, очевидно, пузырьки газа, растворенного в жидкости и выделяющегося на фронте кристаллизации. Пузырьки газа захватываются растущим кристаллом и вызывают захват жидкого раствора. Используя в последующих экспериментах обезгаженные растворы, можно будет выращивать в космосе кристаллы, не содержащие таких включений. Сростки кристаллов, наблюдавшиеся в кристаллизаторе № 2, в котором процесс кристаллизации продолжался около полугода, видимо, обусловлены взаимным притяжением кристаллов, растущих в объеме жидкости в течение длительного времени.
Особенности роста кристаллов из расплава также исследовались на примере германия также в эксперименте, проведенном во время полета кораблей «Союз» – «Аполлон». Исследуемые образцы размещались в ампулах, которые устанавливались в электронагреаную печь, где германий подвергался частичному плавлению с последующим затвердеванием в режиме программированного охлаждения со скоростью 2,4 град/мин. Для экспериментального определения скорости роста кристалла каждые четыре секунды проводились метки поверхности раздела фаз путем пропускания через расплав коротких импульсов электрического тока. При послеполетной обработке образцов эти метки были выявлены и по ним была измерена скорость роста кристалла, составившая в конце периода охлаждения около 10–3 см/с. В контрольных экспериментах, поставленных на Земле, эта скорость оказалась приблизительно такой же. Этот результат означает, что как в космосе, так и на Земле теплообмен в расплаве определялся для данного случая, главным образом теплопроводностью, а роль конвекции пренебрежимо мала. Кристаллы, полученные в космосе, были значительно крупнее тех, которые удалось вырастить на Земле в такой же установке.
В эксперименте, который был осуществлен также в рамках программы «Союз» – «Аполлон», изучался рост кристаллов из паровой фазы. Кристаллы типа германий – селен – теллур росли в запаянных ампулах, которые устанавливались в зону с перепадом температуры электронагревной печи. Эксперимент показал, что доставленные из космоса кристаллы более совершенны, чем контрольные образцы, полученные на Земле (более высокая однородность, меньше дефектов кристаллической решетки и т. д.). Одновременно было установлено, что вопреки теоретическим ожиданиям скорость переноса массы превышает величину, рассчитанную в чисто диффузионном приближении, но меньше значения, полученного в контрольных экспериментах на Земле, где значительную роль играла конвекция. Этот результат еще требует теоретического объяснения.
Таким образом, выполненные в космосе эксперименты по выращиванию кристаллов из растворов, расплавов и из паровой фазы показали, что в космических условиях можно получить кристаллические материалы, обладающие более высоким совершенством и однородностью. Вместе с тем установлено, что ряд экспериментально наблюдаемых особенностей роста кристаллов в невесомости не получил пока необходимого теоретического освещения и нуждается в дальнейшем исследовании.
Бесконтейнерное затвердевание в невесомости. Процессы формообразования жидких тел и их затвердевания в условиях, когда на них не действует сила веса, имеют свои особенности. Во-первых, предоставленная в этих условиях самой себе жидкость стремится, как известно, принять форму шара. Однако в действительности при затвердевании жидкости возникает ряд эффектов, усложняющих процесс сфероидизации: свободные колебания объема жидкости, различная скорость остывания жидкости на поверхности и в объеме и т. д. Во-вторых, сами процессы затвердевания и кристаллизации такой жидкости в невесомости также могут протекать по-иному. Прежде всего это касается конвекции, которая в земных условиях сглаживает колебания температуры в расплаве и способствует устойчивости процесса кристаллизации. В-третьих, в случае многокомпонентных сплавов отсутствие тяжести может повлиять на перераспределение компонентов внутри жидкости, а тем самым и на однородность образца.
Совокупность этих вопросов исследовалась в экспериментах на станции «Скайлэб», а также в эксперименте с прибором «Сфера» на станции «Салют-5». В первом из этих экспериментов заготовки из чистого никеля или его сплавов плавились под действием электронного пучка, а затем охлаждались, свободно плавая в вакуумной камере на борту станции «Скайлэб». Наземные исследования полученных образцов показали, что отклонение их формы от сферической составляет около 1 %, а образцы, приготовленные из сплавов, содержат внутренние поры. Цель другого эксперимента состояла в получении в невесомости материалов с однородной пористостью путем переплава серебряных сеток. Таких материалов американским ученым получить не удалось, зато при переплавке в ампулах тонких серебряных сеток наблюдалась сфероидизация жидких капель серебра. Наземные исследования той части затвердевших капель, которые не имели при остывании контактов со стенками ампулы, показали, что их форма далека от совершенства. Поверхность образцов покрыта сеткой желобков, а в их объеме имеются усадочные раковины[5]5
Усадочные раковины – пустоты, образующиеся внутри или на поверхности слитка при переходе металла из жидкого состояния в твердое.
[Закрыть]. Внутренняя структура образцов носила ячеистый характер. Можно предполагать, что именно ячеистое затвердевание и образование раковин помешали образованию более правильных сфер в условиях, близких к невесомости.
С целью получения новой информации о процессах, сопровождающих бесконтейнерное затвердевание жидкого металла на станции «Салют-5», был поставлен эксперимент с прибором «Сфера». В качестве исследуемого вещества был выбран эвтектический сплав Вуда, обладающий минимальной температурой плавления (около 70 °C) и позволяющий поэтому свести к минимуму потребление электроэнергии (10 Вт). Химический состав исследованного сплава (по весу): висмут – 40, свинец – 40, кадмий – 10, олово – 10 %. Прибор «Сфера» представлял собой электрический нагреватель, внутри которого расплавлялась исследуемая заготовка массой 0,25 г, которая затем с помощью штока выталкивалась в лавсановый мешок. Внутри этого мешка отливка охлаждалась и затвердевала, не приходя в соприкосновение со стенками. Время, в течение которого заготовка, помещенная в нагреватель, разогревалась до температуры плавления, составляло на Земле 30 с. В невесомости контакт между заготовкой и стенками нагревателя должен ухудшаться, поэтому время разогрева образца было увеличено до 2 мин.
Доставленный после завершения экспериментов на Землю образец имел эллипсоидальную форму, а его поверхность была покрыта хаотически расположенными волокнами (по свидетельству космонавта В. М. Жолобова, образец имел вид ежа). Как показал анализ, внутренняя структура образца вследствие переплава в космосе также сильно изменилась: нарушилось равномерное распределение компонентов сплава по объему, образовались различающиеся по химическому составу иглообразные кристаллики и т. д. Вероятная причина этих изменений состоит, видимо, в особенностях теплового режима расплава при его затвердевании в условиях бесконтейнерного удержания. Попытки подобрать в лабораторных условиях такой тепловой режим обработки заготовки из сплава Вуда, который привел бы к сходной структуре отливки, не дали положительного результата, очевидно, потому что на Земле невозможно воспроизвести бесконтейнерное удержание образца.
Таким образом, выполненные к настоящему времени исследования в области физических основ космического производства, включая опыты, проведенные на различных космических аппаратах, подтвердили правильность общих представлений об особенностях физических процессов в невесомости и дали непосредственные экспериментальные доказательства возможности получения в космосе материалов с улучшенными характеристиками. Вместе с тем эксперименты показали недостаточность существующих количественных теорий этих процессов и выявили необходимость проведения специальных исследований, направленных на развитие теоретических основ производства в космосе новых материалов.
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]6
Сегрегацией, или ликвацией, в металлургии называется неоднородность сплава по химическому составу.
[Закрыть], 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]7
Коэрцитивной силой называют напряженность магнитного поля, необходимую для полного размагничивания ферромагнетика.
[Закрыть] 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.
Для приготовления эвтектик обычно используют метод направленного затвердевания, т. е. затвердевания в одном заданном направлении. Применение этого метода в космических условиях представляет несомненный интерес, потому что из-за отсутствия конвекции можно улучшить однородность материала, а исключая контакт расплава со стенками, можно получать свободные от окислов материалы, которые будут обладать полезными оптическими свойствами.
Разновидностью эвтектик являются двухфазные системы типа «усов». Это игольчатые монокристаллы с весьма совершенной структурой, прочность которых благодаря отсутствию посторонних включений приближается к теоретически возможной. В невесомости такие материалы можно выращивать и внедрять в жидкий металл методами композиционного литья. Еще одна разновидность эвтектик – тонкие эпитаксиальные пленки. Такие пленки находят широкое применение при изготовлении транзисторов путем нанесения материала на твердую основу – подложку из жидкой или паровой фазы. Проявление конвекции в жидкости или в газе ведет к искажению решетки эпитаксиальных пленок, к появлению в них нежелательных включений и других дефектов структуры.
В космических условиях поставлен ряд экспериментов по исследованию эвтектических сплавов. Например, в одном эксперименте на станции «Скайлэб» исследовалось влияние невесомости на структуру сплава медь– алюминий при направленном затвердевании. В доставленных из космоса образцах количество дефектов уменьшилось на 12–20 %. В другом эксперименте на станции «Скайлэб» и МА 131 при совместном полете кораблей «Союз» и «Аполлон» исследовалось получение двухфазных эвтектик галогенидов (NaCl—NaF в первом случае и NaCl—LiF – во втором). При затвердевании такой эвтектики одна из фаз (NaF или LiF) может образовать нити, внедренные в другую фазу как в матричный материал.
Подобные эвтектики могут найти применение в качестве волоконных световодов[8]8
Волоконный световод – прозрачный диэлектрический стержень или нить (волокно), используемые в оптических системах для передачи света.
[Закрыть] для инфракрасной области спектра. Нитеподобные эвтектики, произведенные на Земле, обладают большим количеством дефектов, возникновение которых связано с колебательными конвекционными движениями в жидкости. Структура эвтектик галогенидов, полученных в космосе, оказалась более совершенной, что привело к улучшению их технических характеристик. Так, коэффициент пропускания света для образца первого типа возрос в 40 раз, а второго типа – в 2 раза по сравнению с аналогичными образцами, выращенными на Земле.
Технология получения неразъемных соединений. Как отмечалось выше, первые в мире работы в этой области выполнены в Советском Союзе в 1969 г. на космическом корабле «Союз-6». На советской космической станции «Салют-5» космонавты Б. В. Волынов и В. М. Жолобов продолжили исследования в этом направлении, успешно осуществив опыты по пайке металлов с помощью прибора «Реакция». Прибор «Реакция» (см. рис. 6) и размещаемый в нем экзоконтейнер по конструкции не были герметичны, и поэтому для имитации условий пайки в космическом пространстве из герметизированной области между муфтой и трубкой был заблаговременно откачан воздух (см. рис. 9). Трубка и муфта были изготовлены из нержавеющей стали, а для создания между ними капиллярных зазоров на поверхности трубки сделана накатка глубиной 0,25 мм. В качестве припоя был выбран высокотемпературный марганец-никелевый припой (температура пайки 1200–1220 °C), который характеризуется высокими механическими свойствами и хорошей коррозионной стойкостью.
Наземные металлографические исследования и испытания швов (на вакуумную плотность, на механическую прочность на разрывной машине с внутренним давлением до 500 атм) показали, что полученные в космосе паяные соединения по качеству не уступают полученным в земных условиях, а по ряду показателей превосходят их. В частности, наблюдается равномерное заполнение зазоров припоем, более однородна микроструктура металла (см. рис. 10).
Результаты испытаний на борту космических аппаратов различных методов сварки и пайки подтверждают, что при выполнении на перспективных космических объектах монтажно-сборочных работ эти методы получения неразъемных соединений найдут широкое применение.
