Микрогравитационная обработка металлов: от недоохлажденных жидкостей до объемных металлических стекол

npj Микрогравитация, том 1, Артикульный номер: 15003 (2015) Цитировать эту статью

10 тысяч доступов

18 цитат

30 Альтметрика

Подробности о метриках

Объемные металлические стекла (BMG) представляют собой новый класс металлических сплавов, которые готовы к широкой коммерциализации. Более 30 лет финансирования НАСА и ЕКА (а также других космических агентств) как наземных экспериментов, так и экспериментов в условиях микрогравитации привели к получению фундаментальных научных данных, которые сделали возможным коммерческое производство. Этот обзор посвящен истории исследований BMG в области микрогравитации, которые включают эксперименты на космическом шаттле, МКС, наземные эксперименты, коммерческое производство и финансируемые в настоящее время усилия.

Одним из крупнейших успехов исследований в области микрогравитации стала разработка и коммерциализация объемных металлических стекол (BMG), класса некристаллических металлических сплавов, которые расширили научное понимание жидкостей, стекол и аморфных твердых тел.1 По сравнению с обычными кристаллическими металлическими сплавами. , такие как сталь, алюминий и титан, BMG не являются четко определенными материалами, поскольку механические свойства любой отдельной детали трудно оценить без разрушающего испытания, даже когда используются аналогичные условия обработки. Например, большинство зрелых кристаллических металлов можно производить с использованием четко прописанных процедур легирования, обработки, формовки и старения, что приводит к получению повторяемых микроструктур и механических свойств. Напротив, BMG представляют собой недоохлажденные жидкости, которые были «захвачены» в виде аморфного твердого вещества путем быстрого охлаждения от температуры выше температуры ликвидуса до температуры ниже температуры стеклования без промежуточной кристаллизации. Этот процесс динамичен и практически неконтролируем, что приводит к уникальному расположению атомов в конечном стекле. Из-за отсутствия кристаллов и зерен BMG не проявляют такой же дислокационной пластичности, как кристаллические металлы, а это означает, что традиционные металлургические методы для достижения однородных и повторяемых механических свойств не могут быть использованы. Вместо этого механические свойства BMG сильно зависят от истории их обработки, и определение их характеристик выше температуры ликвидуса имеет первостепенное значение. Еще в 1980-х годах было признано, что понимание процесса обработки стеклообразующих металлических сплавов будет иметь решающее значение для их развития в качестве инженерного материала. Например, Д. Тернбулл из Гарварда утверждал, что примеси в жидкости и контакт с контейнером ответственны за кристаллизацию металлических стекол и что при флюсовании сплавов в оболочке из оксида бора они могут образовывать объемные стекла с более медленными скоростями охлаждения.2 3 Из этих экспериментов стало ясно, что необходимы методы исследования стеклообразующих металлических сплавов, плавление которых можно было бы проводить отдельно от контейнеров в среде, свободной от примесей. Затем из сплавов можно было бы получить фундаментальные теплофизические свойства, такие как степень переохлаждения, удельная теплоемкость, теплопроводность, излучательная способность, электропроводность, удельный объем, плотность, вязкость, поверхностное натяжение и кристаллизация.

Для некоторых стеклообразующих сплавов эти данные были получены в ходе серии исследований микрогравитации на борту космического челнока Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) во время трех миссий в 1990-е годы (STS-65, STS-83 и STS-94). В этом исследовании рассматриваются некоторые фундаментальные научные данные о металлических стеклах, которые были получены с помощью этих экспериментов по микрогравитации, и то, как эти данные, параллельно с наземными экспериментами, заложили основу для более широкой области исследований BMG. В нем также обсуждаются некоторые ранние эксперименты, демонстрирующие производство «на орбите» пенопласта BMG с закрытыми порами на Международной космической станции (МКС), рассматриваются текущие программы BMG, финансируемые НАСА, для запланированных экспериментов на МКС (не включая многие, не финансируемые НАСА). программы со схожими целями), а также рассматривает историю и современное состояние коммерческой индустрии BMG.