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.
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.