2020 год знаменует собой начало нового десятилетия космических исследований и инноваций, в котором никельсодержащие сплавы играют важную роль во многих областях, включая производство ракет, колес и катализаторов.
SpaceX, компания, занимающаяся производством аэрокосмического оборудования и повторяемыми космическими перевозками, использует никельсодержащую нержавеющую сталь 304 (S30400) для производства звездолетов и сверхтяжелых ракет.
Стоимость ниже по сравнению с углеродным волокном, которое стоит более чем в 60 раз дороже за килограмм. Он также гораздо более термостойкий, чем углеродное волокно или другие металлы, поэтому требует гораздо меньшей, а возможно, даже изоляционной изоляции.
Тем временем НАСА изучает еще одно потенциальное применение никельсодержащих материалов в колесах зондов. Резиновые колеса непрактичны на Луне или Марсе, поэтому оригинальные колеса лунохода «Аполлон» были сделаны из пружинной стали, но колеса из пружинной стали на больших и тяжелых колесах, предназначенных для использования на Марсе, деформировались. Чтобы решить эту проблему, НАСА разрабатывает шину с металлической сеткой из никель-титанового сплава, обладающую свойствами памяти формы и способную выдерживать в 30 раз большую деформацию колеса из пружинной стали.
SpaceX Starship, оснащенный ракетным двигателем Raptor, является одним из первых космических кораблей, работающих на жидком метане и жидком кислороде, и рассчитан на 1000 использования. Метан был выбран для производства ракетного топлива на Марсе для обратного пути. Метан может быть получен с использованием диоксида углерода и водорода посредством реакции Шабатье, в которой водород реагирует с диоксидом углерода через катализатор при высокой температуре (оптимальная температура составляет 300-400 градусов) и высоком давлении с образованием метана и воды. Одним из таких катализаторов, который можно использовать, является никель.
Марсианская атмосфера на 95 процентов состоит из углекислого газа, и НАСА подтвердило наличие на Марсе воды — сырья, необходимого для производства метана и кислорода для ракетных ускорителей и кислорода для дыхания астронавтов. Никельсодержащие материалы также необходимы из-за более низкой температуры окружающей среды на красной планете и низких температур, необходимых для производства сжиженного метана, водорода и кислорода.
Никель-медный сплав К-500 (N05500)обладает отличной пластичностью при низких температурах и устойчив к возгоранию в чистом кислороде. Это делает его предпочтительным выбором для кислородного бустерного насоса, который снабжает кислородом ракетные двигатели.
Благодаря своей высокой прочности и жесткости,Сплав 718 (N07718)представляет собой дисперсионно-твердеющий никель-хромовый сплав, используемый в авиационных турбореактивных двигателях, ракетных двигателях и сосудах под давлением, и может выдерживать низкие температуры до -250 градусов. Сжижает газ и обеспечивает наддув. Но свойства сплава 718 делают его более трудным для обработки и формовки, чем другие материалы. Процессы литья по выплавляемым моделям могут быть проблематичными, поскольку сплав 718 подвержен пористости, сегрегации и чрезвычайно крупному размеру зерна, что требует последующих этапов обработки.
Каково решение? 3D-печать может более эффективно использовать сплавы на основе никеля, такие как сплавы 718, в высокопроизводительных приложениях со сложными конструкциями.
3D-печать облегчает обработку сплава 718 и хорошо сохраняет свойства материала. В этом процессе не используются сварка и механическая обработка, что значительно снижает отходы материала. Преимущества этого метода изготовления были продемонстрированы с помощью 3D-печати прототипа ракетного двигателя из сплава 718. Прототип был разработан полностью с помощью искусственного интеллекта и разработан Hyperganic Software в Германии.
В отличие от обычных ракетных двигателей, которые состоят из индивидуально спроектированных и собранных компонентов, напечатанный на 3D-принтере прототип представляет собой единое целое. Он содержит камеру сгорания, в которой сгорают топливо и окислитель, и поверхностные каналы, по которым топливо циркулирует для охлаждения камеры сгорания и предотвращения перегрева. Метод монолитной конструкции гарантирует наименьший вес и наиболее эффективное охлаждение для достижения наилучших характеристик данной ракеты. Проект ракеты Vulcan II в Калифорнийском университете в Сан-Диего также использует 3D-печать для изготовления ракетного двигателя Ignus II из сплава 718. Для каждого нового применения в будущем никель будет способствовать дальнейшему исследованию космоса.
