Lavorazione dei metalli in microgravità: dai liquidi sottoraffreddati ai vetri metallici sfusi

npj Microgravity volume 1, Numero articolo: 15003 (2015) Citare questo articolo

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I vetri metallici sfusi (BMG) sono una nuova classe di leghe metalliche pronta per una commercializzazione su vasta scala. Oltre 30 anni di finanziamenti della NASA e dell’ESA (così come di altre agenzie spaziali) per esperimenti sia a terra che in microgravità hanno prodotto dati scientifici fondamentali che hanno consentito la produzione commerciale. Questa recensione si concentra sulla storia della ricerca BMG in microgravità, che comprende esperimenti sullo Space Shuttle, sulla ISS, esperimenti a terra, fabbricazione commerciale e sforzi attualmente finanziati.

Uno dei grandi successi della ricerca sulla microgravità è stato lo sviluppo e la commercializzazione di vetri metallici sfusi (BMG), una classe di leghe metalliche non cristalline che ha ampliato la comprensione scientifica di liquidi, vetri e solidi amorfi.1 Rispetto alle leghe metalliche cristalline convenzionali , come acciaio, alluminio e titanio, i BMG non sono materiali ben definiti, in quanto le proprietà meccaniche di qualsiasi parte sono difficili da valutare senza test distruttivi, anche quando vengono utilizzate condizioni di lavorazione simili. Ad esempio, la maggior parte dei metalli cristallini maturi può essere fabbricata utilizzando procedure ben prescritte per la lega, la lavorazione, la formatura e l'invecchiamento, che si traducono in microstrutture e proprietà meccaniche ripetibili. Al contrario, i BMG sono liquidi sottoraffreddati che sono stati "catturati" come un solido amorfo mediante un rapido raffreddamento da una temperatura superiore alla temperatura del liquidus a una temperatura inferiore alla temperatura di transizione vetrosa senza l'intervento della cristallizzazione. Questo processo è dinamico e in gran parte incontrollato, il che si traduce in una disposizione atomica unica nel vetro finale. A causa della mancanza di cristalli e grani, i BMG non mostrano la stessa plasticità basata sulle dislocazioni dei metalli cristallini, il che implica che non è possibile utilizzare le tecniche metallurgiche tradizionali per ottenere proprietà meccaniche uniformi e ripetibili. Invece, le proprietà meccaniche dei BMG dipendono fortemente dalla loro storia di lavorazione e caratterizzarli al di sopra della temperatura del liquidus è fondamentale. Già negli anni ’80 si riconosceva che la comprensione della lavorazione delle leghe metalliche per la formazione del vetro sarebbe stata fondamentale per il loro sviluppo come materiale tecnico. Ad esempio, D Turnbull di Harvard ha sostenuto che le impurità nel liquido e il contatto con il contenitore erano responsabili della cristallizzazione nei vetri metallici e che facendo fondere le leghe in un guscio di ossido di boro, potevano formare vetri sfusi con velocità di raffreddamento più lente.2, 3 Da questi esperimenti era chiaro che erano necessari metodi per studiare le leghe metalliche per la formazione del vetro, dove la fusione potesse essere disaccoppiata dai contenitori in un ambiente privo di impurità. Dalle leghe potrebbero quindi essere ottenute proprietà termofisiche fondamentali come l'entità del sottoraffreddamento, il calore specifico, la conduttività termica, l'emissività, la conduttività elettrica, il volume specifico, la densità, la viscosità, la tensione superficiale e la cristallizzazione.

Per alcune leghe per la formazione del vetro, questi dati sono stati ottenuti in una serie di indagini sulla microgravità a bordo dello space shuttle della National Aeronautics and Space Administration (NASA) durante tre missioni negli anni '90 (STS-65, STS-83 e STS-94). Questo studio esamina alcuni degli aspetti scientifici fondamentali sui vetri metallici ottenuti utilizzando questi esperimenti di microgravità e il modo in cui tali dati, parallelamente alla sperimentazione a terra, hanno gettato le basi per il più ampio campo di ricerca BMG. Vengono inoltre discussi alcuni dei primi esperimenti che dimostrano la produzione "in orbita" di schiume BMG a cellule chiuse sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS), vengono esaminati gli attuali programmi BMG finanziati dalla NASA per gli esperimenti pianificati sulla ISS (esclusi molti progetti non finanziati dalla NASA). programmi con obiettivi simili) e passa in rassegna la storia e lo stato attuale dell'arte del settore commerciale BMG.