微小重力金属加工: 過冷却液体からバルク金属ガラスまで

npj 微小重力 1 巻、記事番号: 15003 (2015) この記事を引用

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メトリクスの詳細

バルク金属ガラス (BMG) は、広範な商業化の準備が整っている新しいクラスの金属合金です。 30 年以上にわたる NASA と ESA (および他の宇宙機関) の地上実験と微小重力実験の両方に対する資金提供により、商業生産を可能にする基礎的な科学データが得られました。 このレビューは、スペースシャトル、ISS での実験、地上実験、商業的製造、および現在資金提供されている取り組みを含む、微小重力 BMG 研究の歴史に焦点を当てています。

微小重力研究の大きな成功の 1 つは、液体、ガラス、非晶質固体の科学的理解を広げる非晶質金属合金の一種であるバルク金属ガラス (BMG) の開発と商品化です。1 従来の結晶性金属合金との比較鋼、アルミニウム、チタンなどの BMG は明確に定義された材料ではありません。同様の加工条件が使用された場合でも、破壊試験なしでは 1 つの部品の機械的特性を評価するのは困難です。 たとえば、ほとんどの成熟した結晶金属は、合金化、加工、成形、時効処理について十分に規定された手順を利用して製造でき、その結果、再現可能な微細構造と機械的特性が得られます。 対照的に、BMG は、結晶化を介さずに液相線温度より高い温度からガラス転移温度より低い温度まで急冷することによって非晶質固体として「捕捉」された過冷却液体です。 このプロセスは動的であり、ほとんど制御されていないため、最終的なガラスに独特の原子配列が形成されます。 BMG には結晶や粒子が存在しないため、結晶金属と同じ転位ベースの可塑性は示されません。これは、均一で再現性のある機械的特性を達成するための従来の冶金技術が使用できないことを意味します。 代わりに、BMG の機械的特性はその加工履歴に大きく依存しており、液相線温度を超える温度での特性を評価することが最も重要です。 1980 年代には、ガラスを形成する金属合金の加工を理解することが、エンジニアリング材料としての合金の開発にとって重要であることが認識されていました。 たとえば、ハーバード大学の D Turnbull は、液体中の不純物と容器との接触が金属ガラスの結晶化の原因であり、酸化ホウ素のシェル内で合金をフラックスすることにより、より遅い冷却速度でバルクガラスを形成できると主張しました。2、これらの実験から、不純物のない環境で溶融を容器から切り離すことができる、ガラス形成金属合金を研究する方法が必要であることは明らかでした。 その後、特に過冷却度、比熱、熱伝導率、放射率、電気伝導率、比体積、​​密度、粘度、表面張力、結晶化などの基本的な熱物理特性を合金から得ることができます。

一部のガラス形成合金については、これらのデータは、1990 年代の 3 つのミッション (STS-65、STS-83、および STS-94) 中に米国航空宇宙局 (NASA) のスペースシャトルに搭載された一連の微小重力調査で得られました。 この研究では、これらの微小重力実験を使用して得られた金属ガラスに関する基礎科学の一部と、そのデータが地上実験と並行してどのようにしてより大きなBMG研究分野の基礎を築いたかをレビューします。 また、国際宇宙ステーション (ISS) での独立気泡 BMG フォームの「軌道上」製造を実証するいくつかの初期実験についても説明し、ISS で計画されている実験のための現在の NASA 資金による BMG プログラムをレビューします (NASA 以外の資金提供による多くの実験は含まれていません)。同様の目的を持ったプログラム）、BMG 商業産業の歴史と現在の最先端技術をレビューします。