Космическа металургия
Металургията се занимава с производството на метали и с процеси, които придават необходимите свойства на металните сплави чрез промяна на техния състав и структура. Металургията включва процеси на почистване на метали от нежелани примеси, производство на метали и сплави, топлинна обработка на метали, леене, нанасяне на покритие на повърхността на продуктите и др. на масовите сили върху състава и структурата на крайния материал могат да бъдат значителни. Следователно пренасянето на металургичните процеси в космоса отваря основни възможности за производство на материали с подобрени характеристики, както и материали, които не могат да бъдат получени на Земята.
Металургичните процеси в космически условия могат да се използват за решаване на следните проблеми.
1. Приготвяне на сплави, в които няма сегрегация [6], поради силата на Архимед (получаване на композитни материали, сплави с висока хомогенност и чистота, пяна метали).
2. Подготовка на сплави при липса на конвекционни токове (бездефектни монокристали, подобрена евтектика и магнитни материали).
3. Леене без гравитация (подготовка на филми, тел, отливки със сложна форма).
4. Топене на метали и сплави без тигел (пречистване на метали и сплави, тяхното равномерно втвърдяване).
5. Разработване на методи за получаване на постоянни съединения на космически кораби (заваряване, запояване и др.).
Нека разгледаме накратко състоянието на изследванията, насочени към получаване на материали в космоса чрез металургични методи.
Кристали и сплави без дефекти. За производството на сплави първоначалните компоненти могат да бъдат приготвени както в течна, така и в газообразна (парна) фаза с последваща кристализация. При нулева гравитация, поради липсата на фазово разделяне, произволни комбинации от компоненти могат да бъдат зададени във всякакви състояния. По-специално е възможно да се получи директен преход от паровата фаза към твърдо вещество, заобикаляйки стопилката. Материалите, получени чрез изпаряване и кондензация, имат по-фина структура, която обикновено е трудно да се получи по време на процесите на топене и втвърдяване (топенето в космически условия може да се счита за метод на пречистване). В този случай при стопилката са възможни следните ефекти: изпаряване на по-летлив компонент, разрушаване на химични съединения (оксиди, нитриди и др.).
Най-важният процес за получаване на сплави е втвърдяването. Този процес значително влияе върху структурата на метала. По време на втвърдяването могат да възникнат различни дефекти в структурата на метала: нехомогенност на сплавта по химичен състав, порьозност и др. Наличието на температурни и концентрационни разлики в стопилката може да доведе до конвекция. Ако стопилката се втвърди при условия на температурни колебания, възникват локални колебания в скоростта на растеж на кристала, което може да доведе до такъв дефект като лентата на кристалната структура. За да се преодолее този структурен дефект, са необходими мерки за намаляване на конвекцията.
В космически условия се отварят възможностите за приготвяне на хомогенни смеси, състоящи се от компоненти с различна плътност и с различни точки на топене. На Земята такива смеси не могат да бъдат стабилни поради силата на Архимед. Специален клас сплави от този тип са магнитните материали, включително нови свръхпроводници.
По-рано беше отбелязано, че едно от предимствата на зоновия метод на топене в космически условия е, че е възможно да се получат монокристали с по-големи размери, отколкото на Земята. Липсата на гравитационната сила също позволява да се организират процесите на насочена кристализация по нов начин. По този начин могат да се получат мустаци с голяма дължина („мустаци“ или „мустаци“) с повишена здравина.
Нека разгледаме експерименти, в които са изследвани практическите възможности на космическата металургия. По този начин в експеримента на станцията Skylab са получени сплави от компоненти, които не се смесват добре при земни условия. Три ампули съдържаха заготовки от сплави злато-германий, олово-цинк-антимон, олово-калай-индий. При космически условия пробите се претопяват в продължение на няколко часа, поддържат се при температура над точката на топене и след това се охлаждат. Доставените на Земята проби имат уникални свойства: хомогенността на материалите се оказа по-висока от тази на контролните проби, получени на Земята, а злато-германиевата сплав се оказа свръхпроводяща при температура около 1,5 К. Подобни смеси получени от стопилка на Земята не притежават това свойство, очевидно поради липсата на еднородност.
В рамките на съветско-американската програма EPAS беше проведен такъв експеримент, чиято цел беше да се проучи възможността за получаване на магнитни материали с подобрени характеристики. За изследване са избрани сплави манган-бисмут и мед-кобалт-церий. В работната зона на електрическата нагревателна пещ се поддържа максимална температура от 1075 ° C за 0.75 h и след това пещта се охлажда за 10.5 h. Втвърдяването се извършва по време на съня на астронавтите, за да се намалят нежеланите ефекти от вибрациите по време на движенията им в рамките на станцията. Най-важният резултат от този експеримент е, че пробите от първия тип, втвърдени на борда на космическия кораб, величината на принудителната сила [7] е 60% по-висока от тази на контролните проби, получени на Земята.