Металлы, применяемые в космической технике

Содержание

1 Основные сведения о металлах, применяемых в космическом кораблестроении

История аэронавтики и астронавтики показала, что определение главных направлений или национальных целей оказывает большое влияние на развитие техники. Основу развития техники составляют знания о свойствах материалов. Решение всей совокупности сложных конструкционных, схемотехнических и технологических задач при разработке, создании и эксплуатации космических средств невозможно без широкого развития и внедрения результатов космического материаловедения. При разработке космических средств требуются новые материалы, которые должны выдерживать нагрузки космических полетов (высокие температура и давление, вибрационные нагрузки на этапе выведения, низкие температуры космического пространства, глубокий вакуум, радиационное воздействие, микрочастицы и т.д.) и иметь достаточно низкую удельную массу. Весь спектр сильных, зачастую с резкими переходами воздействий на металлические и неметаллические конструкции и элементы оказывает существенное влияние на их глубинные структурные свойства и, как следствие, на надежность и долговечность космических средств различного назначения.

Металлы – основные конструкционные материалы для изделий ракетно-космической техники, их масса в массе сухих изделий составляет более 90 %. Поэтому совершенствование тактико-технических характеристик изделий во многом определяется свойствами применяемых сплавов. За последние годы разработано и в дальнейшем получит новое развитие поколение алюминиевых сплавов, легированных литием и скандием. Замена традиционных сплавов новыми позволит снизить массу узлов изделий РКТ на 10...30 % в зависимости от типа конструкции. Технология получения деталей из новых гранулированных сплавов наряду с возможностью повышения рабочих температур до Т=850 °С обеспечит снижение массы узлов на 10...30 %.

Революционные решения в создании перспективных изделий РКТ может обеспечить новый класс конструкционных материалов – интерметаллиды (химические соединения титан – алюминий, никель – алюминий и др.). Эти материалы имеют низкую плотность (ρ=3,7...6,0 г/см3) и обладают высокой жаропрочностью (до Т=1200 °С), высокими характеристиками коррозионной стойкости, жаростойкости и износостойкости.

Разрабатываемый в настоящее время титановый сплав по технологичности в машиностроительном производстве будет равноценен традиционной нержавеющей стали (не требуется оборудования для сварки и термообработки с контролируемой атмосферой). Сплав благодаря легированию главным образом гафнием и ниобием не будет окисляться при нагревах до Т=(850...900) °С. Не потребуется термообработки сварных соединений для снятия остаточных напряжений, что исключает необходимость использования печей для термообработки и камер для сварки с контролируемой атмосферой. При необходимости термообработка сварных узлов для предотвращения поводок от остаточных напряжений (например, крупногабаритных конструкций типа рам, ферм, экранов донной защиты и т.д.) может проводиться в воздушной атмосфере без последующей пескоструйной очистки и травления. Сварку деталей можно осуществлять всего лишь при струйной защите аргоном, не боясь окисления шва. Сплав будет работоспособен в широком интервале температур Т=(–253…+450) °С. Он открывает широкие перспективы для применения титана в ракетостроении взамен нержавеющих сталей, позволит практически втрое улучшить массовые характеристики изделий[1].

Повышение прочности металлических материалов традиционными методами (увеличением содержания легирующих элементов, улучшением технологий термомеханического упрочнения и т.д.) к настоящему времени исчерпало свои возможности. Современные сплавы содержат большое количество дорогостоящих и редких металлов: кобальта, вольфрама, ниобия, молибдена, никеля и др., что резко повышает их стоимость. Кроме того, значительное увеличение количества легирующих элементов в сплавах приводит к зональной и объемной ликвации в слитках и, как следствие, к анизотропии свойств полуфабрикатов и деталей из них. Большой резерв в повышении свойств конструкций РКТ лежит в использовании интерметаллидных соединений. Для разработки жаропрочных конструкционных материалов на основе интерметаллидных соединений наибольший интерес представляют системы титан - алюминий и никель - алюминий, железо - хром - алюминий.

Интерметаллиды (химические соединения металлов) по своей структуре занимают промежуточное положение между металлами и керамикой. Они имеют сложную кристаллическую структуру с наличием в межатомных связях до 30 % ковалентной составляющей, что и определяет их уникальные физико-механические свойства - высокие жаропрочность и жаростойкость, высокую коррозионную стойкость в сравнении с нержавеющими сталями (особенно в кислороде) и высокую износостойкость. Кроме того, интерметаллиды имеют низкую плотность. Интерметаллидные сплавы на основе титана могут работать до температуры Т=850 °С без защитных покрытий, сплавы на основе никеля – до температуры  Т=1500 °С.

Весь комплекс свойств интерметаллидов может оказать революционное влияние на многие области техники и в первую очередь на создание перспективных образцов авиакосмической техники, в том числе летательных аппаратов с гиперзвуковыми скоростями. Использование интерметаллидов в двигательных установках (ротор, статор, крыльчатки, клапанная группа, неохлаждаемые сопла и т.п.) позволит повысить удельную тягу двигателей на 25...30  %,обеспечит снижение массы конструкций до 40 %.

1. Жаропрочность

Жаропрочные стали и сплавы предназначены для изготовления деталей котлов, газовых турбин, реактивных двигателей, ракет, атомных устройств и др., работающих при высоких температурах.

Сопротивление металла ползучести и разрушению в области высоких температур при длительном действии нагрузки называют жаропрочностью. Жаропрочность характеризуется условным приделом ползучести и пределом длительной прочности.

Жаропрочные сплавы для работы при высоких температурах Т=(700…950) °С создаются на основе железа, никеля и кобальта, а для работы при еще более высоких температурах Т=(1200…1500) °С – на основе хрома, молибдена и других тугоплавких металлов.

Рабочие температуры жаропрочных сталей составляют Т=(500…750) °С. При температурах до Т=600 °С чаще используют стали на основе            α-твердого раствора, а при более высоких температурах – на основе               γ-твердого раствора с гранецентрированной кубической решеткой[2, с. 340].

2. Тугоплавкие металлы

Тугоплавкие металлы - класс химических элементов, имеющих очень высокую температуру плавления и стойкость к изнашиванию такие как: молибден, вольфрам, ниобий, тантал, рений с температурой плавления        Т=(2468…3410) °С. Выражение тугоплавкие металлы чаще всего используется в таких дисциплинах как материаловедение, металлургия и в технических науках. Определение тугоплавких металлов относится к каждому элементу группы по-разному. Основными представителями данного класса элементов являются элементы пятого периода — ниобий и молибден; третьего периода — тантал, вольфрам и рений. Все они имеют температуру плавления выше Т=2000 °C, химически относительно инертны и обладают повышенным показателем плотности. Благодаря порошковой металлургии из них можно получать детали для разных областей промышленности.

Интерес к тугоплавким металлам и сплавам на их основе возрос в связи со строительством ракет, космических кораблей, атомных реакторов и развитием энергетических установок, отдельные детали и узлы которых работают при температурах до Т=(1500…2000) °С.

Молибден и вольфрам в чистом виде используют в радио- и электронной промышленности (нити накаливания, листовые аноды, сетки, пружины катодов, нагреватели и т.д.) вследствие малого поперечного сечения захвата нейтронов и отсутствия взаимодействия с расплавленными щелочными металлами ниобий применяют для изготовления теплообменников атомных реакторов.

Температура плавления тугоплавких элементов самая высокая, исключая углерод и осмий. Данное свойство зависит не только от их свойств, но и от свойств их сплавов.

Сопротивление к деформации ползучести  является определяющим свойством тугоплавких металлов. У обычных металлов деформация начинается с температуры плавления металла, а отсюда деформация ползучести в алюминиевых сплавах начинается от Т=200 °C, в то время как у тугоплавких металлов она начинается от Т=1500 °C. Это сопротивление к деформации и высокая температура плавления позволяет тугоплавким металлам быть использованными, например, в качестве деталей реактивных двигателей или при ковке различных материалов.

Общие свойства тугоплавких металлов. Тугоплавкие металлы и их сплавы привлекают внимание исследователей из-за их необычных свойств и будущих перспектив в применении.

Физические свойства тугоплавких металлов, таких как молибден, тантал и вольфрам, их показатели твёрдости и стабильность при высоких температурах делает их используемым материалом для горячей металлообработки материалов как в вакууме, так и без него. Многие детали основаны на их уникальных свойствах: например, вольфрамовые нити накаливания способны выдерживать температуры вплоть до Т=3073 K.

Однако, их сопротивляемость к окислению вплоть до Т=500 °C делает это одним из главных недостатков этой группы. Контакт с воздухом может существенно повлиять на их высокотемпературные характеристики. Именно поэтому их используют в материалах, в которых они изолированы от кислорода.

Сплавы тугоплавких металлов — молибдена, тантала и вольфрама — применяются в деталях космических ядерных технологий. Эти компоненты были специально созданы в качестве материала способного выдержать высокие температуры[3].

2  Металлы применяемые в космическом кораблестроении

2.1 Бериллий

Открытый еще в конце XVIII в. бериллий 100 с лишним лет оставался «безработным» элементом, хотя химикам уже были известны его уникальные и очень полезные свойства. Для того чтобы эти свойства перестали быть «вещью в себе», требовался определенный уровень развития науки и техники. В 30-х годах академик А. Е. Ферсман называл бериллий металлом будущего. Сейчас о бериллии можно и должно говорить как о металле настоящего.

Бериллий — относительно твёрдый, но хрупкий металл серебристо-белого цвета. Имеет высокий модуль упругости λ=300 ГПа. На воздухе активно покрывается стойкой оксидной плёнкой BeO.

По многим химическим свойствам бериллий больше похож на алюминий, чем на находящийся непосредственно под ним магний (проявление «диагонального сходства»).

Замедлители и отражатели из бериллия и его окиси позволяют намного уменьшить размеры активной зоны реакторов, увеличить рабочую температуру и эффективнее использовать ядерное топливо. Поэтому, несмотря на высокую стоимость бериллия, его использование считают экономически оправданным, особенно в небольших энергетических реакторах для самолетов и морских судов.

Большая теплопроводность (в четыре раза выше, чем у стали), большая теплоемкость и жаропрочность позволяют использовать бериллий и его соединения в теплозащитных конструкциях космических кораблей. Из бериллия была сделана внешняя тепловая защита капсулы космического корабля «friendship-7», на котором Джон Гленн первым из американских космонавтов совершил (после Юрия Гагарина и Германа Титова) орбитальный полет.

В еще большей мере космическую технику привлекают в бериллии легкость, прочность, жесткость, и особенно – необыкновенно высокое отношение прочности к весу. Поэтому бериллий и его сплавы все шире используются в космической, ракетной и авиационной технике.

Благодаря способности сохранять высокую точность и стабильность размеров бериллиевые детали используют в гироскопах – приборах, входящих в систему ориентации и стабилизации ракет, космических кораблей и искусственных спутников Земли.

2.2 Стали

Железо - незаменимый элемент любых инженерных конструкций. Железо в виде разнообразных высокопрочных нержавеющих сталей – второй по применению металл в ракетах.

Везде, где нагрузка сосредоточена в точке или нескольких точках, сталь выигрывает у алюминия. Сталь гораздо лучше переносит вибрацию, более терпима к нагреву, дешевле, нужна для стартового сооружения.

Сталь - сплав железа с углеродом и с другими элементами. Сталь содержит не более 2,14 % углерода (при большем количестве углерода в железе образуется чугун). Углерод придаёт сплавам железа прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость.

Учитывая, что в сталь могут быть добавлены легирующие элементы, сталью называется содержащий не менее 45 % железа сплав железа с углеродом и легирующими элементами (легированная, высоколегированная сталь).

По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные; в том числе по содержанию углерода – на низкоуглеродистые (до 0,25 % С), среднеуглеродистые (0,25…0,60 % С) и высокоуглеродистые (0,6…2,0 % С); легированные стали по содержанию легирующих элементов делятся на низколегированные – до 4 % легирующих элементов, среднелегированные – до 11 % легирующих элементов и высоколегированные – свыше 11 % легирующих элементов.

Стали, в зависимости от способа их получения, содержат разное количество неметаллических включений. Содержание примесей лежит в основе классификации сталей по качеству: обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные.

Свойства сталей зависят от их состава и структуры, которые формируются присутствием и процентным содержанием следующих составляющих:

– Углерод – составная часть, с увеличением содержания которой в стали увеличивается её твердость и прочность, при этом пластичность уменьшается.

– Кремний и марганец (в пределах 0,5...0,7 %) существенного влияния на свойства стали не оказывают.

– Сера является вредной примесью, образует с железом химическое соединение FeS (сернистое железо). Сернистое железо в сталях образует с железом эвтектику с температурой плавления Т=1258 К, которая обусловливает ломкость материала при обработке давлением с подогревом. Указанная эвтектика при термической обработке расплавляется, в результате чего между зернами теряется связь с образованием трещин. Кроме этого, сера уменьшает пластичность и прочность стали, износостойкость и коррозионную стойкость.

– Фосфор придает стали хладноломкость (хрупкость при пониженных температурах). Это объясняется тем, что фосфор вызывает сильную внутрикристаллическую ликвацию.

– Феррит – железо с объемноцентрированной кристаллической решеткой и сплавы на его основе — является фазой мягкой и пластичной.

– Цементит – карбид железа, химическое соединение с формулой Fe3C, наоборот, предоставляет стали твердость и хрупкость[4].

2.3 Титановые сплавы

Технический титан — это металл серебристо-серого цвета с едва заметным светло-золотистым оттенком. Он легок, почти в 2 раза легче железа, но все же тяжелее алюминия: 1 см3 титана имеет массу m=4,5 г, железа m=7,8 г, а алюминия m=2,7 г. Плавится технический титан почти при Т=1700 °С, сталь – при Т=1500 °С, алюминий – при T=600° С. Он в полтора раза прочнее стали и в несколько раз прочнее алюминия, очень пластичный: технический титан легко прокатывать в листы и даже в очень топкую  фольгу, толщиной в доли миллиметра, его можно вытягивать в прутки, проволоку, делать из него лепты, трубы. Технический титан обладает высокой прочностью, т. о. хорошо противостоит воздействию ударом и поддастся  ковке, при этом он имеет высокую упругость и отличную выносливость. У технического титана довольно высокий продел текучести, он сопротивляется любым усилиям и нагрузкам, стремящимся смять, изменить форму и размеры изготовленной детали. Это его свойство выше в два с половиной раза, чем у железа, в три раза, чем у меди, и в 18 раз, чем у алюминия. У титана гораздо более высокая твердость, чем у алюминия,  магния, меди, железа и некоторых сортов  стали, однако ниже, чем у инструментальных сталей.

Технический титан — металл очень большой коррозионной стойкости. Он практически не изменяется и не разрушается на воздухе, в воде, исключительно стоек при обычной температуре во многих кислотах, даже в «царской водке», во многих агрессивных средах.

Титан, будучи весьма химически активным  металлом, имеет благоприятные металлохимические свойства для образования прочных соединений — типа непрерывных и ограниченных твердых растворов ковалентных и ионных соединений.

В целом насчитывается более 50 элементов, дающих с титаном твердые растворы, на основе которых можно производить титановые сплавы и их соединения[5].

2.4 Магниевые сплавы

Магний - очень легкий серебристо-белый металл. Его лёгкость могла бы сделать этот металл прекрасным конструкционным материалом. Но, увы, чистый магний - мягок и непрочен. Поэтому конструкторы вынуждены использовать сплавы магния с другими металлами.

Магний имеет температуру плавления Т=650 °С. Магниевые сплавы обладают отличной механической обрабатываемостью, допускающей высокие скорости резания, и сравнительно большой прочностью.

Особенно широко  применяют сплавы магния с алюминием, цинком и марганцем. Каждым из компонентов этого содружества вносит свой "пай" в общие свойства: алюминий и цинк увеличивают прочность сплава, марганец повышает его антикоррозионные свойства. Магний придаёт сплаву лёгкость - детали из магниевого сплава на 20…30 % легче алюминиевых и на 50…75 % легче чугунных и стальных. Сплавы этого элемента все чаще применяются в автомобилестроение, текстильную промышленность, полиграфию.

2.5 Алюминиевые сплавы

Алюминий — один из космических «первопроходцев»: конструкторы первых спутников даже не задавались вопросом, какой именно металл использовать в конструкции своих аппаратов. Легкий и прочный алюминий — точнее, «самолетные сплавы», стали постоянными «участниками» космических проектов. Около половины веса современной ракеты приходится на алюминиевые конструкции, а шаттлы почти на 90 % состоят из алюминиевых сплавов.

Неудивительно, что разработка новых технологий в обработке алюминия, усиление его показателей стойкости к высоким и низким температурам, вибрационным нагрузкам и воздействию радиации сегодня представляет собой не просто приоритетное, а стратегическое направление в металлургии. На сегодняшний день перспективы применения алюминия в космической отрасли связывают, прежде всего, с появлением новых сплавов, позволяющих снизить вес ракет, кораблей и станций, что, в свою очередь, обеспечит значительное сокращение топливных расходов при выводе агрегатов на орбиту и значительно расширит функциональность космических объектов.

Основная тенденция в области разработок космических материалов — создание гранулированных алюминиевых сплавов, которые обеспечивают практически тридцатипроцентное снижение веса узловых конструкций. Расширяется и диапазон рабочих температур до Т=850 °С. За последние несколько лет было разработано несколько таких сплавов: специалисты объединяют их в класс интерметаллидов — это, как правило, сплавы титана, причем наиболее перспективными считаются варианты «титан-алюминий». Кроме титановых сплавов в ракетостроении применяются варианты «никель-алюминий» и «железо-хром-алюминий».

Однако есть и более интересные идеи по усилению свойств «ракетного» алюминия. Например, корейские исследователи, применив нанотехнологии, разработали так называемый «умный» алюминий — Smart Aluminum. Название, безусловно, спорно, однако все остальные характеристики нового материала сомнений не вызывают: по словам разработчиков, новый сплав в три раза прочнее обычных «космических» вариантов и примерно в сто раз прочнее стали.

Алюминий и его соединения используются в качестве высокоэффективного ракетного горючего в двухкомпонентных ракетных топливах и в качестве горючего компонента в твёрдых ракетных топливах. Следующие соединения алюминия представляют наибольший практический интерес как ракетное горючее:

• Порошковый алюминий как горючее в твердых ракетных топливах. Применяется также в виде порошка и суспензий в углеводородах.
• Гидрид алюминия.
• Боранат алюминия.
• Триметилалюминий.
• Триэтилалюминий.
• Трипропилалюминий.

Триэтилалюминий (обычно, совместно с триэтилбором) используется также для химического зажигания (то есть, как пусковое горючее) в ракетных двигателях, так как самовоспламеняется в газообразном кислороде.

2.6 Космическое золото

Золото является хорошим проводником тепла и электрического тока, следовательно, широко применяется в электронике. Благодаря свойству отражать световые лучи в области видимого спектра, золото используют в космонавтике и авиации, в качестве защиты от теплового излучения и коррозии. Золотое покрытие защищает космический корабль от инфракрасной радиации.

Золото является металлом с самыми высокими пластичными и ковкими свойствами. Оно легко расплавляется в тончайшие листочки: из одного грамма золота можно изготовить лист площадью в один квадратный метр. Золото легко полируется. Обладает высокой отражательной способностью.

Этот металл обладает высочайшей стойкостью к воздействию агрессивных сред, а в сплавах он проявляет каталитические свойства. Золотое покрытие легко наносят на металлы и керамику. Драгоценный металл легко паяется и сваривается под давлением. Совокупность всех полезных свойств стала причиной разнообразного использования золота в современных отраслях техники: авиационной, космической, аэрокосмической, и в электронике.

На девяносто процентов золото в технике применяют в виде покрытий. В электронике благородный металл используется в соединении схем сваркой под давлением и ультразвуковой сваркой, контактов в радиоаппаратуре, телефонном оборудовании, в качестве проволочных тонких проводников,  для пайки транзисторов, генераторов частот и многого другого.

Металл применяется и для контроля особо низких температур в измерительной технике в виде сплава золота с хромом или кобальтом.           В 1991 г. в Британии начато производство высокоточного гигрометра, для определения влажности воздуха. Основной деталью, которого является тончайший сердечник из металла с поверхностью из пористого золота. Прибор может определить одну миллионную часть процента содержания влаги в воздухе[6].

Библиографический список

1.   Сайт Лаборатория космических исследований [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www. spacephys.ru/raketnye-metally свободный. Загл. с экрана.

2.  Макарова В.И., Мухин Г.Г. и др. Материаловедение [Текст] / Арзамасов Б. Н. – М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. – 648 с.

3. Сайт Тугоплавкие металлы [Электронный ресурс]. – Режим доступа :    http://4108.ru/u/tugoplavkie_metallyi свободный. Загл. с экрана. 

4. Зуев В.М. Материаловедение [Текст] / Адаскин А. М. – М.: Издательский центр «Академия», 2004. – 240 с.

5. Зубков Л. Б. Космический металл: Все о титане [Текст] / М.: Издательство «Наука», 1987. – 128 с.

6. Сайт Космическое золото [Электронный ресурс]. – Режим доступа : http://zoloto.net/glavnaya/zoloto_v_nashej_zhizni/kosmicheskoe_zoloto/ свободный. Загл. с экрана.