미세중력 금속 가공: 과냉각 액체부터 벌크 금속 유리까지

npj 미세중력 1권, 기사 번호: 15003(2015) 이 기사 인용

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벌크 금속 유리(BMG)는 광범위한 상용화를 앞두고 있는 새로운 종류의 금속 합금입니다. 30년 이상 NASA와 ESA(및 기타 우주국)가 지상 기반 실험과 미세중력 실험에 자금을 지원한 결과 상업적 생산이 가능한 기초 과학 데이터가 탄생했습니다. 이 리뷰는 우주 왕복선, ISS, 지상 기반 실험, 상업적 제작 및 현재 자금 지원 활동에 대한 실험을 포함하는 미세 중력 BMG 연구의 역사에 중점을 둡니다.

미세 중력 연구의 가장 큰 성공 중 하나는 액체, 유리 및 비정질 고체에 대한 과학적 이해를 확장한 비결정질 금속 합금의 한 종류인 벌크 금속 유리(BMG)의 개발 및 상용화였습니다.1 기존의 결정질 금속 합금과 비교 강철, 알루미늄, 티타늄과 같은 BMG는 유사한 가공 조건을 사용하더라도 파괴 테스트 없이는 한 부품의 기계적 특성을 평가하기 어렵다는 점에서 잘 정의된 재료가 아닙니다. 예를 들어, 대부분의 성숙한 결정질 금속은 잘 규정된 합금화, 가공, 성형 및 노화 절차를 활용하여 제조할 수 있으며, 이를 통해 반복 가능한 미세 구조와 기계적 특성을 얻을 수 있습니다. 대조적으로, BMG는 결정화를 방해하지 않고 액상선 온도 이상에서 유리 전이 온도 이하로 급속 냉각하여 비정질 고체로 '포획'된 과냉각 액체입니다. 이 공정은 역동적이고 대부분 제어되지 않으므로 최종 유리에 고유한 원자 배열이 생성됩니다. 결정과 입자가 부족하기 때문에 BMG는 결정질 금속과 동일한 전위 기반 가소성을 나타내지 않습니다. 이는 균일하고 반복 가능한 기계적 특성을 달성하기 위한 전통적인 야금 기술을 사용할 수 없음을 의미합니다. 대신 BMG의 기계적 특성은 처리 이력에 크게 의존하며 액상선 온도 이상에서 BMG를 특성화하는 것이 가장 중요합니다. 1980년대 초, 유리 형성 금속 합금의 가공을 이해하는 것이 엔지니어링 재료로서의 개발에 매우 ​​중요하다는 것이 인식되었습니다. 예를 들어, Harvard의 D Turnbull은 액체의 불순물과 용기와의 접촉이 금속 유리의 결정화에 영향을 미치며 산화붕소 껍질에 합금을 용해시켜 더 느린 냉각 속도로 벌크 유리를 형성할 수 있다고 주장했습니다.2, 3 이러한 실험을 통해 불순물이 없는 환경에서 용융이 용기에서 분리될 수 있는 유리 형성 금속 합금을 연구하는 방법이 필요하다는 것이 분명해졌습니다. 과냉각 정도, 비열, 열 전도성, 방사율, 전기 전도도, 비체적, 밀도, 점도, 표면 장력 및 결정화와 같은 기본적인 열물리적 특성을 합금에서 얻을 수 있습니다.

일부 유리 형성 합금의 경우 이러한 데이터는 1990년대 세 번의 임무(STS-65, STS-83 및 STS-94) 동안 미국 항공 우주국(NASA)의 우주 왕복선에 탑재된 일련의 미세 중력 조사를 통해 달성되었습니다. 이 연구에서는 이러한 미세 중력 실험을 사용하여 얻은 금속 유리에 대한 기본 과학 중 일부와 해당 데이터가 지상 기반 실험과 병행하여 더 큰 BMG 연구 분야의 기초를 마련한 방법을 검토합니다. 또한 국제 우주 정거장(ISS)에서 폐쇄 셀 BMG 폼의 '궤도상' 제조를 시연하는 일부 초기 실험에 대해 논의하고, ISS에서 계획된 실험을 위해 현재 NASA가 자금을 지원하는 BMG 프로그램을 검토합니다(NASA가 지원하지 않는 많은 자금은 포함하지 않음). 유사한 목적을 가진 프로그램), BMG 상업 산업의 역사와 현재 기술 상태를 검토합니다.