Машина и среда

Много веков назад была построена первая машина из металла. С тех пор все разнообразнее становится мир стальных помощников человека. В процессе их совершенствования люди постоянно изыскивают все новые и новые материалы, необходимые для создания механизмов. В поисках источников сырья они взрывают недра земли, опускаются на дно морей, ежегодно перерабатывают горы земных пород.

В наши дни все химические элементы земной коры используются человеком для создания орудий машинной техники.

Наблюдая десятилетиями за работой стальных механизмов, человек сделал для себя важный вывод: металлические детали не вечны. Под влиянием нагрузок и внешней среды они приходят в негодность: изнашиваются, «устают», подвергаются поверхностному разрушению.

Чтобы продлить жизнь машин, сделать их более надежными, ученые-металловеды, металлурги, физики и химики провели тысячи разнообразных испытаний, терпеливо собирали факты. Стремясь проникнуть в тайны разрушения деталей машин под действием нагрузок и внешней среды, специалисты создали учение о прочности материалов, о защите их от распространенной болезни ржавления — коррозии.

Современная промышленность и техника приобрели огромный опыт создания надежных механизмов, способных работать в самых разнообразных условиях.

Однако в наш космический век машины, созданные человеком, работают не только в пределах земной атмосферы, но и в межпланетном пространстве-в царстве вакуума, метеоритных «дождей», в мире «ливней» сверхбыстрых ядерных частиц, в условиях больших температурных контрастов. Как поведут себя широко известные материалы в этих необычных «неземных» условиях?

Механизмы летательной машины в момент старта работают с невероятно высокими тепловыми, вибрационными и механическими нагрузками. В ракетных двигателях преобразуется огромное количество энергии. Исторгаясь из реактивных сопел, поток тепловой энергии воздействует прежде всего на детали космического корабля. И чем больше мощность двигателей, тем необычнее условия для материалов летательных аппаратов.

Во время взлета и при пробивании плотных слоев воздуха обшивка корабля разогревается до сотен градусов [23]. Раскаленные стенки космических кораблей обтекаются потоком газа, распадающегося от сжатия на отдельные атомы. Ясно, что взаимодействие металла с таким газом будет отличаться от их взаимодействия в условиях обтекания тела обычным воздухом. Чтобы узнать, как поведут себя раскаленные металлы во внеземной обстановке, надо поставить немало опытов.

Еще более необычной будет для материалов окружающая среда в момент обратного входа межпланетного корабля в атмосферу Земли. В результате торможения аппарата большая часть энергии его движения перейдет в тепло. Молекулы воздуха в пограничном слое разрушатся, а осколки — электроны, ионы и ядра атомов-образуют плазму. Соприкасаясь с кораблем, плазма чрезвычайно сильно нагреет его стенку. Корабль на некоторое время окажется в своеобразном огненном мешке. Даже короткое пребывание в нем оставит на летательном аппарате глубокие следы.

Стойкость стенок корабля в этих условиях будет во многом зависеть от качества материала обшивки.

В последние годы в ряде стран широко применяется очистка металлов и сплавов от газов методом плавки в вакууме. Когда над ванной с расплавленным металлом создают безвоздушное пространство, металл начинает бурно «кипеть» — из него выходят газы.

Теперь представьте себе, что носовой конус космического корабля сделан из сплава, содержащего в себе большое количество растворенных газов. При входе в верхние слои атмосферы, где имеется такой же вакуум, как и над ванной в электропечи, сплавившийся носовой конус буквально закипит, освобождаясь от газов. Ясно, что оболочку аппарата лучше изготовлять из материалов, свободных от растворенных газов. Тогда конус будет оплавляться спокойнее и дольше выдержит высокий нагрев.

Но не только вакуум и резкие смены температур характерны для условий космоса. За пределами атмосферы межпланетный корабль попадет под ливень космических частиц — ядер водорода. Зонтом для космонавта от этого ливня явятся прежде всего стены корабля. Но насколько прочными они будут при длительною облучении? Считается, что особенно сильно космическая радиация влияет на полимерные синтетические вещества, прозрачные пластмассы, резину и на некоторые другие материалы.

А ведь именно такие эластичные металло-органические материалы и предполагается употреблять для изготовления возвращаемых спутников, способных изменять свой объем — «надуваться» для того, чтобы при входе в атмосферу быстро уменьшить скорость.

Материалы, из которых будут изготовлять корпус межпланетного корабля, помимо всего прочего, должны надежно предохранять экипаж от космического вакуума, хорошо противостоять истиранию при бомбардировке обшивки космической пылью и даже выдерживать удары небольших метеоров.

Какие же материалы окажутся самыми стойкими в этих необычных условиях [24, 25].

 

Жаропрочные сплавы

Среди химических элементов таблицы Д. И. Менделеева имеются металлы, которые плавятся уже при температуре около 3 °C. Но в то же время есть группа тугоплавких металлов, для плавления которых требуется температура 300 °C и выше.

Ясно, что строительные материалы для будущих космических кораблей должны быть или очень теплоемкими, или тугоплавкими. К ним относят пять металлов: бериллий, ниобий, молибден, тантал и вольфрам.

Бериллий в отличие от остальных четырех металлов этого списка не является тугоплавким. В ряду металлов, расположенных по температурам плавления, бериллий занимает скромное место где-то в третьем десятке. Плавится он при температуре 1315 °C. Но это очень легкий по весу и в то же время прочный металл. Он в пять раз легче меди. Жесткость и прочность его мало изменяются при нагреве до 65 °C. Бериллий обладает большой теплопоглощающей способностью. Каждый килограмм его способен поглотить тепла в 15 раз больше, чем такой тугоплавкий металл, как платина. Эти свойства, по мнению некоторых специалистов [24], и позволяют использовать бериллий для постройки корпусов и теплопоглотительных экранов будущих космических кораблей. Интерес к бериллию во многих странах быстро растет. В 1958 году в США было произведено 48 т этого металла, в 1959 году-уже около 120 т. Через несколько лет планируется [24] повысить производство бериллия до 5000 т. Металлурги и технологи стремятся увеличить пластичность этого металла, металловеды изыскивают способы очистки его от примесей.

Бериллий очень дорогой металл. Дороговизна его объясняется не только трудностью получения, но и ограниченностью месторождений бериллиевых руд.

Большое будущее ученые предсказывают редкому металлу ниобию. Его выплавка растет из года в год. В 1958 году в США было произведено 12 т ниобия, в 1959 году-20 т, в 1961 году предполагается произвести 60 т и в 1970 году-8000 т.

Удельный вес ниобия почти такой же, как и меди. Однако этот металл плавится при температуре около 250 °C. В убывающем ряду тугоплавких металлов ниобий занимает пятое место. Считают, что ниобий сохраняет прочность при температурах до 140 °C. А обычные стали, из которых строятся современные «земные» машины, при таких температурах начинают плавиться.

Широкое применение ниобия в настоящее время ограничено прежде всего его высокой стоимостью. Кроме того, пока еще несовершенны методы получения ковкого ниобия. К тому же при высоких температурах (выше 110 °C) он быстро окисляется. Однако последний недостаток ниобия как строительного материала для космических кораблей не снижает его ценности, так как сопротивление ниобия окислению можно повысить, вводя в состав сплава такие химически стойкие металлы, как тантал.

Чистый ниобий-очень пластичный металл. Пруток диаметром менее 20 мм прокатывается без всякого нагрева в фольгу толщиной в папиросную бумагу. Прочность ниобия при температурах, когда обычная сталь становится мягкой, как воск, изменяется незначительно. Все эти ценные качества выдвигают ниобий в первые ряды жаропрочных материалов.

Редкий металл тантал — один из самых тугоплавких элементов. Он переходит в жидкое состояние при 3027 °C. Это серебристо-белый металл, тяжелее меди в два раза. По цвету тантал похож на платину, а сплавы тантала с медью не только по цвету, но и по химическим свойствам напоминают золото.

Наиболее характерной особенностью этого элемента является его необычайно высокая устойчивость против воздействия различных кислот и щелочей. Даже смесь соляной и азотной кислот, так называемая «царская водка», в которой растворяются золото и платина, не оказывает заметного действия на тантал. Но хотя тантал в обычных условиях и не ржавеет, он подобно другим жаропрочным металлам при высоких температурах нуждается в защите от окисления.

В 1958 году в США было получено около 200 т тантала [24]. Полагают, что через несколько лет вследствие усовершенствования технологии его производства тантал станет вдвое дешевле.

Большой интерес проявляют специалисты к танталовольфрамовому сплаву, содержащему около 7 процентов самого тугоплавкого металла — вольфрама. Этот сплав способен противостоять температурам до 190 °C. Другой танталовый сплав, содержащий 10 процентов вольфрама, пригоден для изготовления сопел ракетных двигателей.

Из всех жаропрочных металлов самое большое внимание конструкторов и металлургов западных стран привлекает молибден. Технология его получения в настоящее время разработана лучше, чем технология получения других тугоплавких металлов. Молибденовые сплавы обладают многими качествами, необходимыми для работы в условиях высоких температур.

Известно [24], что уже сейчас молибден и его сплавы имеют промышленное значение и идут на изготовление листов, пластин, полос, проволоки и труб. Стоит молибден в США значительно дешевле, чем другие тугоплавкие металлы.

Однако технология изготовления деталей из молибдена вое еще несовершенна.

Кроме того, подобно большинству других жаропрочных металлов, молибден заметно окисляется уже при температуре 800 °C. Окислы молибдена летучи. Поэтому при длительном высокотемпературном нагревании деталь, изготовленная из молибдена, буквально тает на глазах — испаряется.

Сильная окисляемость молибдена при высоких температурах является самым серьезным препятствием для использования этого металла при постройке носовых конусов ракет, возвращаемых в атмосферу Земли. Поэтому на Западе усиленно разрабатываются способы защиты поверхности молибденовых деталей от окисления.

Молибден без защитных покрытий используют для изготовления сопел ракетных двигателей и других деталей, рассчитанных на короткий срок службы при температурах около 220 °C.

Большое внимание специалисты уделяют вольфраму. Из всех известных металлов он обладает самой высокой температурой плавления-341 °C. Чтобы вольфрам расплавился, нужна температура, лишь в два раза меньшая, чем температура поверхности Солнца.

Из этого металла долгое время вытягивали лишь нити для ламп накаливания, и только сравнительно недавно были разработаны приемлемые способы прокатки и литья деталей из вольфрама [24]. Огромная прочность этого металла сильно затрудняет обработку вольфрамовых деталей.

Вольфрам имеет большой удельный вес. Он в 7 раз тяжелее алюминия и в II раз тяжелее бериллия. Если обшивку корабля сделать из вольфрама, то стартовый вес космического корабля значительно возрастет.

Конечно, список материалов космической техники не ограничивается только пятью тугоплавкими элементами. Для будущих спутников и межпланетных кораблей потребуются сплавы, защищающие человека от космического облучения. Для ажурных и в то же время прочных конструкций космических аппаратов потребуются сплавы, в несколько раз более прочные, чем существующие ныне. Новые научные открытия в физике твердого тела, в металлургии и технологии металлов приводят к созданию новых материалов космической техники. Это будут, очевидно, очень теплоемкие материалы с весьма низкой теплопроводностью, самовозгоняющиеся «жертвенные» пластмассы и т. п.

 

Сверхогнеупорные материалы

Все тугоплавкие металлы имеют существенный недостаток: при высоких температурах они начинают быстро разрушаться в результате окисления. При этом образуется порошкообразное вещество, напоминающее скорее соль, чем металл. Это окислы.

Но окислы многих металлов чрезвычайно огнестойки. Они больше уже не окисляются при нагреве и плавятся при весьма высоких температурах. Так, например, алюминий плавится при температуре 668 °C, а окись алюминия — при 205 °C; окись бериллия становится жидкой при 250 °C, в то время как металл бериллий — при 1315 °C. Металл цирконий расплавляется при температуре 185 °C, а его окись-при 295 °C.

Еще более тугоплавки соединения металлов с углеродом, называемые карбидами. Карбид ниобия плавится при температуре 350 °C, циркония-при 355 °C, а тантала-при 415 °C.

Материалы космической техники, кроме тугоплавкости, должны обладать рядом других качеств, прежде всего пластичностью. Именно благодаря пластичности изделие не разрушается при тепловом ударе, т, е. при сверхбыстром нагреве в момент входа летательного аппарата в атмосферу Земли.

Однако пластичность окислов и карбидов металлов очень низкая. Эти хрупкие материалы, содержащие в основном окислы металлов и другие химические соединения, называются керамическими материалами, или просто керамикой.

Все керамические материалы-плохие проводники тепла. Используя эту особенность керамики, специалисты ряда стран уже теперь применяют ее для защиты важных узлов ракеты от перегрева. Слоем сверхогнеупорной керамики, как защитной рубашкой, не пропускающей тепло, покрываются сопла реактивных двигателей [26]. Теплоизолирующие покрытия будут защищать основную металлическую конструкцию от интенсивного окисления, сохранять ее прочность.

Как же наносится слой керамики на металл? Для этого используется метод горячего напыления. Из своеобразного пульверизатора вылетают мельчайшие расплавленные в сварочной дуге частички керамики. Ударяясь о металл, они остывают и прилипают к детали. Методом горячего напыления наносятся на изделия из металла окись алюминия (так называемое покрытие «РокидА») и двуокись циркония («Рокид2»). Толщина покрытия колеблется в пределах от десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров. Каждый миллиметр покрытия из окиси алюминия снижает температуру защищаемого металла на 13 °C, а из окиси циркония — на 175 °C.

Напыленный защитный слой обычно имеет много мельчайших пор. Эти поры придают покрытию гибкость, необходимую для того, чтобы выдержать изгибы.

Металлические детали, покрытые окисью алюминия, работают при температуре до 165 °C. Окись циркония защищает металл до 230 °C. Оба эти покрытия стойко переносят тепловой удар и не боятся изгибов. Чем толще напыленный слой керамики, тем он менее прочен. Чтобы увеличить толщину покрытия и в то же время сохранить его прочность, керамикой покрывают вначале металлическую сетку, которой придана форма покрываемой поверхности. Затем эта сетка, покрытая керамикой, припаивается или приваривается к защищаемой поверхности. Такое покрытие называется армированным. Тонкие металлические нити сетки, подобно стальным стержням в железобетоне, придают керамике высокую прочность.

Армированные керамические покрытия способны выдерживать температуру до 220 °C и создавать температурный перепад 22 °C на каждый миллиметр толщины покрытия.

Рис. 11. Так керамические покрытия изолируют от тепла силовые элементы корабля

На рис. 11 показано, насколько эффективны теплоизоляционные покрытия, нанесенные на лист жаропрочного никель-хромового сплава толщиной 1,27 мм. Листы без керамической защиты и покрытые слоем керамики нагревались в течение 30 секунд пламенем кислородноацетиленовой горелки. При этом температура листа измерялась. Оказалось, что покрытия «Рокид А» и «Рокид 2» толщиной 0,89 мм уменьшают температуру металлического листа после 15-секундного нагрева примерно на 30 °C, армированное покрытие толщиной 3,45 мм — почти на 90 °C.

Тяжелые тепловые условия входа межпланетного корабля в земную атмосферу требуют новых керамических покрытий и новой технологии нанесения их на металлические поверхности [27]. Если на земле керамические покрытия работают в течение сотен и тысяч часов, то при космических полетах и особенно при возвращении из космоса от покрытий потребуется сохранение стойкости всего в течение нескольких минут, но зато при чрезвычайно высоких температурах.

Как получить в земных условиях сверхвысокие температуры, необходимые для опытной проверки деталей и узлов космической техники? На этот вопрос отвечает следующий раздел брошюры.