Литейное производство в космосе, развитие науки о литье (Герман Титов)

Введение
1 Физические и технические особенности осуществления технологических процессов в космосе и цель, с которой они применяются
2 Первые космические специалисты которые занимались литейным производством в космосе
3 Опыт получения отливок в космосе
4 Перспективы развития науки о литье
Список использованных источников

Литейное производство в космосе, развитие науки о литье (Герман Титов)

Исследования по космической технологии проводятся также в США и других странах. Различные технологические эксперименты осуществлялись на кораблях «Аполлон-14, -16, -17», на орбитальной станции «Скайлэб», при запусках высотных ракет «Блэк Брант» [4].
3 Опыт получения отливок в космосе
Знание особенностей поведения жидкости на борту космического корабля позволяет развивать как прикладные, так и фундаментальные работы в области литья, плавления и кристаллизации материалов и веществ. Поэтому наряду с технологическими установками на борту устанавливаются приборы и оборудование для продолжения исследований особенностей невесомости. Наиболее известный из них – прибор «Пион-М». Исследования с его помощью проводят следующим образом. В плоской коробочке (кювете) с прозрачными стенками имитируетсяжидкая фаза с инородными включениями – пузырьками газа, алюминиевой пудрой и т. д. С одной стороны кювету подогревают, с другой (через прозрачные стенки) пропускают свет, который затем попадает в объектив фото- или киноаппарата. Результаты съемки анализируют для изучения теплового движения частиц в невесомости.
Для исследования термогидродинамических явлений в невесомости разработана установка «Фаза». В Физико-техническом институте АН СССР разработан комплект голографической аппаратуры (КГА) для изучения физических процессов в невесомости. При изучении прозрачных и отражающих объективов КГА применялась на «Салюте-6 и -7».
Расплав в невесомости, податливый любому воздействию, может принимать различные формы без больших затрат усилий. Это позволяет применить электромагнитные и другие установки для формирования у расплава заданной конфигурации и в таком состоянии – его застывания (рис. 1).
Рис. 1 - Формообразование расплава под действием электромагнитных (а) и инерционных (б) сил: 1 – расплав; 2 – электромагнитные катушки.
Для удаления пузырьков воздуха из расплава в невесомости можно раскрутить расплав с помощью электромагнитных сил, тогда ближе к оси вращения все пузырьки соберутся в единый газовый пузырь. С увеличением угловой скорости расплав примет тороидальную форму, полностью освободится от газового пузыря, а с замедлением вращения расплав, лишенный газовых пузырьков, опять примет сфероидальную форму. Этот метод применим только для материалов с высокими магнитно-индукционными свойствами.
Запатентовано устройство, в котором распределение жидкости в невесомости контролируется приложенными чалыми центробежными силами. Сферический резервуар содержит ротор из нескольких дисков или лопастей. Вращение ротора вызывает вращение жидкости в горизонтальной плоскости, которое может быть использовано для перемещения жидкости в отводные трубы.
Освобождение расплава от газов возможно в поле высокочастотных колебаний, ультразвуковом поле. В этом случае при воздействии на систему жидкость-сосуд высокочастотных периодических возмущений происходит интенсивное выделение растворенного газа из жидкости в виде отдельных быстрорастущих пузырьков, которые затем объединяются в группы вблизи дна сосуда, в последующем всплывающих на поверхность.
При многослойном литье (рис. 2) силы адгезии (при хорошей смачиваемости расплава и поверхности формы) надежно удерживают материалы в соответствующем участке формы [5].
Рис. 2 - Адгезионное многослойное литье: 1 – форма; 2-4 – слои материала
Литье «намораживанием» – один из способов адгезионного литья (рис. 3).
Рис. 3 - Литье «намораживанием» 1 – формоноситель; 2 – намораживающий материал; 3 – расплав.
Форма окунается в расплав, за счет сил адгезии и поверхностного натяжения при извлечении формы из расплава или изменения температурного режима на поверхности формы можно получать детали различной конфигурации.
В невесомости многослойное литье может осуществляться последовательной заливкой в матрицу материалов, отличающихся не только плотностью, но и температурой плавления. Так, можно получить полые сферы, имеющие широкое распространение в технике (рис. 4).
Рис. 4 - Литье многослойных полых сфер: 1 – электромагнитная катушка; 2– последовательно наносимые слон расплава; 3 – питатель с индуктором.
Выталкивание определенных объемов расплава из емкости с последующей магнитной или ультразвуковой подвеской расплава является эффективным способом литья шариков в космосе (рис. 5).
Рис. 5 - Схема литья шариков методом выталкивания
1 — поршень; 2 – индуктор; 3 – расплав; 4 – магнитный подвес; 5 – деталь.
Когда газ вспрыскивается под давлением в расплав, последний раздувается и превращается в сферу. Определенные пропорции между количеством расплавленного материала и количеством поданного газа позволяют получать шары заданных размеров и толщины. Однако в невесомости газовый объем внутри шара занимает не обязательно центральное место, поэтому толщина стенки такого шара может быть неодинакова. Применение системы с двойным отверстием позволяет повысить вероятность центрального расположения газового пузыря и задания толщины стенки полого шара.
Следует отметить, что надежды на получение в космосе идеальных по форме шариков не оправдались: оказалось, что микроускорения, особенности процессов затвердевания шариков в невесомости и другие формы приводят к искривлению их поверхности. В то же время получаемые в невесомости полые шары имеют цельную и однородную микроструктуру, недостижимую на Земле (такие изделия могут быть использованы, например, при производстве баллонов высокого давления). Что же касается получаемых в космосе пленок, лент, мембран, волокон и др., то их толщина соизмерима с величиной молекул – параметры, фантастические для земной технологий [6].
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]. 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.
4 Перспективы развития науки о литье
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.
Первые технологические эксперименты в космосе были выполнены не так давно. И хотя с тех пор прошло совсем немного времени, исследования и космические эксперименты, проведенные в СССР и за рубежом, позволили получить научные и технические результаты, на основании которых можно дать предварительную оценку перспектив производства в космосе новых материалов. Какие же основные выводы можно сделать, анализируя результаты экспериментов, выполненных к настоящему времени?
В целом подтверждены общие представления об особенностях физических процессов в невесомости, но одновременно выявлена недостаточность многих теоретических моделей и показана необходимость проведения специальных исследований, направленных на развитие теоретических основ космического производства. Экспериментально подтверждена возможность получения в космосе полупроводниковых монокристаллов, специальных сплавов, композиционных и других материалов с улучшенными характеристиками, а также таких веществ, получение которых на Земле невозможно. Непосредственно подтверждена возможность улучшить разрешающую способность и повысить производительность установок для электрофоретического разделения биологических препаратов [7].