Procesamiento de metales por microgravedad: desde líquidos subenfriados hasta vidrios metálicos a granel

npj Microgravity volumen 1, número de artículo: 15003 (2015) Citar este artículo

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Los vidrios metálicos a granel (BMG) son una nueva clase de aleaciones metálicas que están preparadas para una comercialización generalizada. Más de 30 años de financiación de la NASA y la ESA (así como de otras agencias espaciales) para experimentos terrestres y de microgravedad han dado como resultado datos científicos fundamentales que han permitido la producción comercial. Esta revisión se centra en la historia de la investigación de BMG en microgravedad, que incluye experimentos en el transbordador espacial, la ISS, experimentos en tierra, fabricación comercial y esfuerzos financiados actualmente.

Uno de los grandes éxitos de la investigación en microgravedad ha sido el desarrollo y comercialización de vidrios metálicos a granel (BMG), una clase de aleaciones metálicas no cristalinas que ha ampliado la comprensión científica de los líquidos, vidrios y sólidos amorfos.1 En comparación con las aleaciones metálicas cristalinas convencionales Los BMG, como el acero, el aluminio y el titanio, no son materiales bien definidos, ya que las propiedades mecánicas de cualquier pieza son difíciles de evaluar sin pruebas destructivas, incluso cuando se utilizan condiciones de procesamiento similares. Por ejemplo, la mayoría de los metales cristalinos maduros se pueden fabricar utilizando procedimientos bien prescritos para la aleación, el procesamiento, la conformación y el envejecimiento, que dan como resultado microestructuras y propiedades mecánicas repetibles. Por el contrario, los BMG son líquidos subenfriados que han sido "capturados" como un sólido amorfo mediante un enfriamiento rápido desde arriba de la temperatura del líquido hasta debajo de la temperatura de transición vítrea sin que intervenga la cristalización. Este proceso es dinámico y en gran medida incontrolado, lo que da como resultado una disposición atómica única en el vidrio final. Debido a la falta de cristales y granos, los BMG no exhiben la misma plasticidad basada en dislocaciones que los metales cristalinos, lo que implica que no se pueden utilizar técnicas metalúrgicas tradicionales para lograr propiedades mecánicas uniformes y repetibles. En cambio, las propiedades mecánicas de las BMG dependen en gran medida de su historial de procesamiento, y caracterizarlas por encima de la temperatura del líquido es primordial. Ya en la década de 1980, se reconoció que comprender el procesamiento de aleaciones metálicas formadoras de vidrio sería fundamental para su desarrollo como material de ingeniería. Por ejemplo, D. Turnbull de Harvard argumentó que las impurezas en el líquido y el contacto con el recipiente eran responsables de la cristalización en vidrios metálicos y que al fundir aleaciones en una capa de óxido de boro, podían formar vidrios voluminosos con velocidades de enfriamiento más lentas. 3 A partir de estos experimentos quedó claro que se necesitaban métodos para estudiar las aleaciones metálicas formadoras de vidrio, donde la fusión pudiera desacoplarse de los contenedores en un ambiente libre de impurezas. A partir de las aleaciones se podrían obtener propiedades termofísicas fundamentales como el grado de subenfriamiento, el calor específico, la conductividad térmica, la emisividad, la conductividad eléctrica, el volumen específico, la densidad, la viscosidad, la tensión superficial y la cristalización, entre otras.

Para algunas aleaciones formadoras de vidrio, estos datos se obtuvieron en una serie de investigaciones de microgravedad a bordo del transbordador espacial de la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) durante tres misiones durante la década de 1990 (STS-65, STS-83 y STS-94). Este estudio revisa parte de la ciencia fundamental sobre vidrios metálicos que se obtuvo utilizando estos experimentos de microgravedad y cómo esos datos, en paralelo con la experimentación terrestre, sentaron las bases para el campo de investigación más amplio de BMG. También analiza algunos de los primeros experimentos que demuestran la fabricación "en órbita" de espumas BMG de células cerradas en la Estación Espacial Internacional (ISS), revisa los programas BMG actuales financiados por la NASA para experimentos planificados en la ISS (sin incluir muchos no financiados por la NASA programas con objetivos similares), y revisa la historia y el estado actual del arte de la industria comercial de BMG.

En comparación con sus homólogos cristalinos, los BMG son materiales complejos de describir. En resumen, un BMG es una aleación de metal no cristalino que se puede formar en una pieza de más de 1 mm de espesor sin cristalizar. El proceso de enfriar una aleación de metal fundido sin cristalización se llama "vitrificación", por lo que los BMG se describen como "metales vitrificados", lo que ha dado lugar a su nombre comercial más común, "Vitreloy". Los BMG también son aleaciones metálicas que exhiben una estructura atómica amorfa (o no cristalina), lo que ha llevado a que se les denomine "metales amorfos". El proceso de formación de un BMG requiere que un metal fundido se enfríe por debajo de su temperatura de transición vítrea sin cristalizar, lo que también ha llevado a que los materiales se denominen "líquidos subenfriados", aunque la descripción del subenfriamiento se puede utilizar ampliamente para estudiar el fenómeno en cualquier aleación de metal. Los BMG también exhiben notablemente una temperatura de transición vítrea, donde las aleaciones tienen un cambio de viscosidad de un orden de magnitud y un rápido aumento en la capacidad calorífica. Por este motivo, las BMG se denominan "gafas metálicas".

Independientemente de su descripción, las propiedades mecánicas y la capacidad de procesamiento de las BMG las convierten en una clase de aleaciones metálicas muy deseable para muchas aplicaciones comerciales.4 Las BMG generalmente se diseñan en torno a eutécticos profundos, que les permiten enfriarse por debajo de su temperatura de transición vítrea sin nucleación. y crecimiento de cristales. Por lo tanto, los BMG tienen bajas temperaturas de fusión y son propicios para operaciones de fundición a presión para formar piezas. En el caso de los metales cristalinos, la temperatura de fusión y la dureza casi siempre están correlacionadas, lo que implica que los metales con temperaturas de fusión bajas (como el aluminio, el zinc y el magnesio) son blandos. Los BMG son una clase poco común de materiales que tienen la dureza del acero para herramientas (Rockwell C 50-60) y, sin embargo, tienen temperaturas de fusión que les permiten fundirse en moldes no fungibles. Por lo tanto, se pueden fundir piezas metálicas duraderas con alta dureza y acabados superficiales altamente reflectantes utilizando la economía de la fundición generalmente reservada para polímeros o metales de baja temperatura de fusión. Además de los componentes cosméticos, los BMG también tienen propiedades que los hacen adecuados para una variedad de aplicaciones estructurales. Tienen límites elásticos ultra altos en comparación con sus componentes cristalinos, tienen un límite elástico del 2% antes de ceder, son generalmente duros, resistentes a los rayones y a la corrosión, y tienen una tenacidad moderada.5 Los BMG tienen algunas detracciones notables, principalmente una falta total de ductilidad, una tenacidad a la fractura relativamente baja para los metales, límites de fatiga bajos, temperaturas operativas bajas (generalmente por debajo de 500 K) y una restricción en el espesor de la muestra. Para abordar algunos de estos problemas, se han desarrollado BMGMC, que integran una fase cristalina blanda y dúctil en la frágil matriz de BMG para mejorar la ductilidad, la tenacidad y la fatiga.6–9 En la Figura 1 se muestran demostraciones de BMG y BMGMC, junto con dos demostraciones de casting comercial separadas por más de una década. La Figura 1a,b muestra un anillo BMG y rodamientos de bolas desarrollados por el Jet Propulsion Laboratory de la NASA. La Figura 1c, d muestra muestras de BMGMC Charpy y una imagen de microscopio electrónico de barrido de una grieta que crece a través de una microestructura de dos fases. La literatura sobre BMG ahora se divide en gran medida entre la investigación sobre BMG monolíticos y BMGMC, sin embargo, la consideración principal con ambas clases de materiales es cómo se pueden procesar en hardware utilizable que aproveche sus propiedades beneficiosas.10

Procesamiento de BMG y compuestos de matriz de BMG (BMGMC) y fabricación comercial. (a) Un BMG a base de Ti fundido en un anillo de 25 mm de diámetro utilizando técnicas avanzadas de fundición con moldes de cobre. (b) Rodamientos de bolas de 8 mm de diámetro fabricados a partir de una BMG. (c) Varias muestras de impacto Charpy de un compuesto de matriz BMG a base de Zr-Ti-Nb y una que se ha fracturado, lo que demuestra una alta tenacidad. (d) Micrografías SEM de grietas que se propagan a través de un compuesto de matriz BMG a base de Zr-Ti-Nb que muestra una gran acumulación de daños. Las fases más oscuras son dendritas cristalinas blandas que crecen in situ a partir del líquido. La microestructura de dos fases de los BMGMC conduce a una amplia ductilidad a la tracción a temperatura ambiente y a una mayor tenacidad al impacto Charpy. Todas las imágenes de a–d fueron fabricadas por los autores actuales de NASA JPL y Caltech. Los detalles sobre las aleaciones en esta figura se pueden encontrar en las referencias 6 a 10. (e) Liquidmetal Technologies, Rancho Santa Margarita, CA, adoptó una técnica de fundición a presión de BMG para formar carcasas electrónicas a partir de BMG. (f) Piezas BMG de próxima generación fabricadas en 2013 a través de una colaboración entre NASA JPL, Liquidmetal Technologies, Visser Precision Casting y Materion. Utilizando nuevas técnicas de fundición, se pueden producir piezas BMG resistentes y de alta calidad mediante fundición por inyección. Las piezas que se muestran son mecanismos compatibles con BMG (desarrollados conjuntamente por el JPL de la NASA y la Universidad Brigham Young) que muestran potencial de producción en masa. Todas las imágenes son proporcionadas por los autores actuales. BMG, vidrio metálico a granel; JPL, Laboratorio de Propulsión a Chorro; NASA, Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio; SEM, microscopía electrónica de barrido.

El procesamiento comercial de BMG requiere que se conozcan los límites superiores de las propiedades termofísicas, como la capacidad de formación de vidrio y el efecto de las impurezas, para que las piezas fabricadas puedan compararse con un punto de referencia. Desafortunadamente, la mayoría de las BMG se basan en sistemas de aleaciones que son altamente reactivas en la masa fundida, como las BMG de circonio y titanio, y también son susceptibles a un evento de cristalización en cascada en presencia de inclusiones de impurezas o como resultado de interacciones con las paredes de los contenedores. El calentamiento sin recipiente, mediante el uso de enfriamiento por salpicaduras, fue fundamental en el desarrollo de vidrios metálicos por Duwez et. al.11 en Caltech. Se utilizaron campos electromagnéticos para levitar y fundir simultáneamente aleaciones metálicas antes de ser esparcidas entre yunques de cobre, impartiendo una velocidad de enfriamiento inicial de 106 K/s. Aunque el enfriamiento de partículas es un proceso diseñado para minimizar el tiempo posible para la nucleación heterogénea, es muy difícil obtener ciencia significativa de esta técnica, principalmente porque el calentamiento y la levitación están acoplados. Aunque el proceso de fusión no tiene recipiente, el proceso de contacto del fluido con los yunques de enfriamiento no lo es, y las grandes velocidades de enfriamiento impuestas hacen difícil discernir diferencias en la capacidad de formación de vidrio, ya que los formadores de vidrio débiles y fuertes se enfrían al mismo ritmo. . En 1982, MC Lee mejoró la técnica mediante el uso de una torre de caída.12 Los líquidos levitados se fundían y se dejaban caer libremente a través de un gas inerte, en lugar de ser salpicados por placas de cobre. El enfriamiento se ralentizó mediante el uso de radiación y conducción de calor, y en el proceso se vitrificaron completamente esferas de Au-BMG de 2 a 3 mm de diámetro. Aunque las velocidades de enfriamiento podían reducirse utilizando una torre de caída, que era útil para investigar mejores aleaciones formadoras de vidrio, la técnica todavía era limitada para estudiar las propiedades termofísicas del líquido (aunque se obtuvieron estimaciones de la capacidad calorífica). El diámetro de las gotas que podían vitrificarse estaba limitado por la altura física de la torre de caída y aún era difícil obtener información detallada sobre las propiedades del líquido fundido.12

En experimentos terrestres, la forma más fácil de lograr una condición de calentamiento/procesamiento sin contenedor es mediante levitación, que se puede lograr mediante levitación electromagnética (EML), levitación acústica o levitación electrostática (ESL). En la técnica EML, como se analizó anteriormente, los efectos de la gravedad deben ser superados por fuerzas electromagnéticas, que acoplan simultáneamente la levitación y la fusión. Esto hace imposible un subenfriamiento de los líquidos. Además, las fuerzas de levitación provocan agitación en la masa fundida, lo que impide muchas mediciones científicas básicas (por ejemplo, difusión). EML requiere procesamiento en atmósfera y también produce agitación de la muestra. ESL requiere que las fuerzas de gravedad se superen mediante fuerzas electrostáticas. Esto limita la masa del líquido levitado y sólo se pueden estudiar gotas esféricas de aproximadamente 2 a 3 mm. En la mayoría de las pruebas terrestres, el principal problema con la fusión sin recipientes es la presencia de flujo de convección, un gradiente de temperatura en el líquido que resulta en convección impulsada por la gravedad y Marangoni. Incluso en el caso de buenas aleaciones formadoras de vidrio, que presentan altas viscosidades en el líquido, los gradientes de temperatura más pequeños en la masa fundida provocan una convección significativa.

La aplicación del calentamiento por impulsos de corriente alterna a la investigación sobre microgravedad realizada por Fecht y Johnson13 permitió una mayor precisión y libertad de medición de las propiedades termodinámicas de las masas fundidas sobreenfriadas. Esta técnica utiliza un sistema EML, al igual que los sistemas EML terrestres, excepto que las condiciones de microgravedad desacoplan el calentamiento de la levitación, ya que las fuerzas necesarias para hacer levitar la muestra esférica son mucho menores en órbita. La muestra se puede colocar utilizando un campo cuadrupolar de radiofrecuencia en el centro de una bobina dipolo de radiofrecuencia, que proporciona calentamiento. La muestra se puede mantener a una temperatura constante modulando la potencia de la bobina para equilibrar la pérdida de calor debido a la radiación (la conducción de calor es insignificante en condiciones de vacío ultra alto). La potencia acoplada a la muestra se puede correlacionar con el voltaje de radiofrecuencia aplicado y, si la potencia se acopla en una geometría simétrica, se pueden reducir los gradientes de temperatura (y, por tanto, la convección de Marangoni). La temperatura se puede medir utilizando un pirómetro bien calibrado, el volumen de la muestra se puede medir directamente mediante video y la conducción de calor y la contaminación se pueden reducir utilizando un vacío ultra alto (<10-8 Torr). Con esta técnica, es posible realizar calorimetría sin contacto (sin recipiente) en líquidos metálicos, lo que da como resultado datos termofísicos de alta calidad. Ahora la capacidad calorífica específica podría medirse en aleaciones formadoras de vidrio, además del grado de subenfriamiento, la emisividad hemisférica total, la conductividad térmica, la expansión térmica, la viscosidad de la tensión superficial y la capacidad de formación de vidrio, entre otros. A principios de la década de 1990, este equipo fue construido por la Agencia Espacial Alemana (DLR, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt eV) y se convirtió en la Instalación de Procesamiento Electromagnético Sin Contenedores llamada TEMPUS (Tiegelfreies Elektro-Magnetisches Prozessieren Unter Schwerelosigkeit).1,13

La instalación TEMPUS voló en órbita terrestre baja tres veces en el transbordador espacial Columbia de la NASA durante la década de 1990. El vuelo inaugural se realizó en 1994 en la segunda misión del Laboratorio Internacional de Microgravedad (IML-2) como parte de STS-65 (consulte los Archivos de la Misión de la NASA, http://www.nasa.gov/mission_pages/shuttle/shuttlemissions/archives/sts- 65.html). La técnica de modulación de corriente alterna se utilizó en varias aleaciones durante IML-2, incluidas Zr puro, Zr76Ni24, Zr64Ni36, Ni60Nb40 y Zr72Fe28 (al menos tres de estas aleaciones, Zr76Ni24, Zr64Ni36 y Ni60Nb40 se pueden formar en vidrios metálicos mediante solidificación rápida). técnicas). Durante el vuelo, las instalaciones de TEMPUS experimentaron problemas con la estabilidad de las muestras, lo que limitó los tiempos de procesamiento, y con un subenfriamiento debido a la contaminación. A pesar de esto, se midieron una serie de propiedades termofísicas, incluida la entalpía de fusión y cristalización, el calor específico, la emisividad hemisférica total y la conductividad térmica efectiva.14–17 En los experimentos, se calentaron esferas de 8 mm de diámetro mediante un generador de 400 kHz. bobina de radiofrecuencia y posicionada con un campo cuadrupolo de 200 kHz. La potencia de calentamiento se moduló sinusoidalmente con frecuencia, ω y amplitud Pω, lo que resultó en una respuesta de temperatura modulada con desplazamiento de fase con amplitud ΔTω. A partir de los experimentos se midieron dos tiempos de relajación, τ1 y τ2, que representan las escalas de tiempo de relajación de la temperatura radiativa en respuesta a la modulación.15 La combinación de la calorimetría de corriente alterna y las mediciones del tiempo de relajación, permitió mediciones precisas de las propiedades termofísicas utilizando el relaciones:

donde f(ω) es una función de corrección, CP es la capacidad calorífica, A es el área de la superficie, R es el radio, κ es la conductividad térmica, ε es la emisividad hemisférica total, σ es la constante de Stefan-Bolzmann y T0 es la temperatura de polarización. La Figura 2 muestra datos obtenidos de TEMPUS en IML-2 en la aleación binaria formadora de vidrio Zr64Ni36.14,16. La Figura 2a muestra una esfera metálica en la bobina TEMPUS y la Figura 2b muestra mosaicos de un video de una muestra que se funde en el aparato TEMPUS. . La Figura 2c es un gráfico de la resistividad eléctrica de la aleación formadora de vidrio Zr64Ni36 medida tanto en estado cristalino como líquido utilizando el equipo del laboratorio espacial IML-2.16 Debido a la falta de una cámara de alta resolución en el IML-2, no se pudo determinarse si la fase líquida de la aleación exhibió un coeficiente de temperatura negativo de la resistividad eléctrica; sin embargo, este problema se abordó posteriormente en una misión futura. La Figura 2d muestra un perfil de temperatura-tiempo para procesar una muestra de Zr64Ni36 en microgravedad, que incluye fusión, sobrecalentamiento, modulación de corriente alterna, tiempos de relajación, recalescencia y subenfriamiento.14 Estos datos se utilizaron para determinar el calor específico en la masa fundida subenfriada.

Procesamiento de metales por microgravedad en IML-2. Estas imágenes y datos fueron recopilados durante la misión IML-2 durante la misión STS-65 de 1994 en el transbordador espacial Columbia. (a) Una esfera metálica de 8 mm de diámetro atrapada en un dispositivo de contención de muestras en TEMPUS y (b) mosaicos de un video que muestra la fusión y el posicionamiento de una aleación de metal. Imágenes de la NASA MSFC. (c y d) muestran datos de procesamiento en una aleación de Zr-Ni en microgravedad. (c) Se midieron mediciones de resistividad en la fase cristalina y la fase líquida de la aleación formadora de vidrio. (d) Un historial de procesamiento típico para una aleación en TEMPUS utilizando la técnica de modulación de corriente alterna. La aleación se calienta por encima de la temperatura de fusión y luego se mantiene isotérmicamente mediante modulación de corriente alterna. Después de un período de mantenimiento prescrito, se retira la fuente de calor y se deja que la aleación se enfríe mediante radiación. El grado de subenfriamiento se puede observar utilizando el perfil de enfriamiento. Los datos fueron proporcionados por H Fecht y adaptados de la ref. 16. IML-2, misión del Laboratorio Internacional de Microgravedad; MSFC, Centro Marshall de Vuelos Espaciales; NASA, Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio; TEMPUS, Tiegelfreies Elektro-Magnetisches Prozessieren Unter Schwerelosigkeit.

La instalación TEMPUS voló dos veces más en Columbia, una vez en abril de 1997 en STS-83 y otra en julio de 1997 en STS-97, como parte del Microgravity Science Laboratory-1 (MSL-1) (ver NASA's Mission Archives, http:/ /www.nasa.gov/mission_pages/shuttle/shuttlemissions/archives/sts-83.html http://www.nasa.gov/mission_pages/shuttle/shuttlemissions/archives/sts-94.html). La misión STS-83 fue interrumpida debido a preocupaciones sobre una de las tres celdas de combustible del transbordador espacial, pero rápidamente volvió a volar ese mismo año. En comparación con el IML-2, los datos obtenidos como parte de los dos vuelos del MSL-1 utilizando TEMPUS fueron extraordinarios. Se corrigieron los problemas de contaminación experimentados en IML-2 y TEMPUS produjo la temperatura más alta (2273 K) y el mayor subenfriamiento (340 K) jamás alcanzado en el espacio. Científicos de Alemania y Estados Unidos realizaron diez estudios diferentes sobre metales fundidos subenfriados, lo que dio como resultado una gran cantidad de datos fundamentales.18 Entre estos experimentos, se midieron la viscosidad, la expansión térmica y la tensión superficial en la aleación formadora de vidrio Pd76Cu6Si16. 18-20 Se midió el calor específico en el líquido subenfriado de dos BMG, Zr65Al7.5Cu17.5Ni10 y Zr60Al10Cu18Ni9Co3, y se midió el calor específico de dos BMG, Ti34Zr11Cu47Ni8 (Vitreloy 101) y Zr57Nb5Ni12.6Al10Cu15.4 (Vitreloy 106). .18 En la Figura 3 se muestra una selección de datos obtenidos sobre líquidos formadores de vidrio subenfriados en MSL-1. La tensión superficial en función de la temperatura para Pd76Cu6Si16 se muestra en la Figura 3a, mientras que en la Figura 3b se muestra la viscosidad en función de la temperatura. medido oscilando en varios puntos durante el subenfriamiento. En la Figura 3c se muestra un experimento de subenfriamiento de una aleación que forma Zr65Al7.5Cu7.5Ni10 BMG y en la Figura 3d se muestra una capacidad calorífica normalizada para el BMG Vitreloy 106, lo que demuestra una discontinuidad justo encima del líquido, lo que probablemente representa un cambio de fase debido al cambio de emisividad de la muestra.16

Procesamiento por microgravedad de aleaciones formadoras de vidrio en MSL-1. Datos tomados de una variedad de experimentos de microgravedad que utilizaron la instalación TEMPUS durante las misiones STS-83 y STS-97 MSL-1 de 1997 en el transbordador espacial Columbia. (a) Tensión superficial versus temperatura medida en la aleación formadora de vidrio Pd76Cu6Si18 y (b) viscosidad versus temperatura medida mediante oscilación de gota en la misma aleación comparando los datos obtenidos en MSL-1 con los datos recopilados en la Tierra. (c) Mediciones de subenfriamiento en una aleación formadora de vidrio Zr65Al7.5Cu7.5Ni10 utilizando la técnica de modulación de corriente alterna. (d) Mediciones de calor específico versus temperatura en la mejor aleación formadora de vidrio estudiada durante el programa TEMPUS, Vitreloy 106 (Zr57Nb5AL10Cu15.4Ni12.6), que muestra una anomalía en el calor específico cerca de la temperatura del líquido. Los datos fueron proporcionados por H Fecht y WL Johnson. MSL-1, Laboratorio de Ciencias de Microgravedad-1; TEMPUS, Tiegelfreies Elektro-Magnetisches Prozessieren Unter Schwerelosigkeit.

En comparación con IML-2, donde se investigaron predominantemente aleaciones binarias, MSL-1 proporcionó datos sobre una amplia variedad de aleaciones multicomponente, en particular Vitreloy 106, uno de los BMG de mayor relevancia comercial y científica hasta la fecha. Vitreloy 106, un BMG de cinco componentes a base de circonio, es una de las mejores aleaciones formadoras de vidrio basadas en elementos prácticos. Esta aleación, y variaciones similares, han encontrado un uso generalizado en la literatura sobre BMG y en la industria comercial, debido a su capacidad para formar vidrio y a su falta del obsoleto berilio, un componente del BMG más utilizado, el Vitreloy 1.21. De hecho, un Vitreloy 106 La placa variante se convirtió en el primer BMG en ser componente de una nave espacial en 2001 como parte de la misión Génesis de la NASA, donde se utilizó como recolector de muestras para el viento solar (consulte la siguiente sección para obtener más información). A raíz del éxito de TEMPUS, a finales de los años 1990 se planificaron nuevos experimentos con aleaciones formadoras de vidrio en microgravedad. Se planeó un programa de la NASA titulado Propiedades de aleaciones formadoras de vidrio subenfriadas para estudiar el transporte y la difusión atómica en vidrios metálicos, pero nunca se llevó a cabo debido a la pérdida del transbordador espacial Columbia en 2003. Sin embargo, se continuaron financiando experimentos de procesamiento de metales en microgravedad. por la NASA/Agencia Espacial Europea y otras agencias espaciales. Se han puesto a disposición períodos prolongados de gravedad reducida para el procesamiento de metales en vuelos parabólicos (20 s de microgravedad) y cohetes sonda (como los cohetes sonda TEXUS, que se utilizaron para alcanzar hasta 320 s de microgravedad). En la ISS también se han alojado experimentos de microgravedad de larga duración en instalaciones multiusuario. Por ejemplo, ThermoLab es un programa internacional de la ISS en el que participan varias agencias espaciales, incluidas la NASA, la Agencia Espacial Europea, el DLR, la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón y la Agencia Espacial Canadiense, entre otras. Este programa investigará la viscosidad, la tensión superficial, la emisividad, el calor específico, la conductividad eléctrica y térmica y otras propiedades calorimétricas. Los detalles sobre estos esfuerzos se pueden ver en HJ Fecht, et. al, 'Ciencia de laboratorio con datos espaciales, acceso y uso de datos de experimentos espaciales', Springer (2011).

El BMG Vitreloy 106 es un excelente ejemplo de la rápida adopción de vidrios metálicos para aplicaciones espaciales. Desarrollado en Caltech en 1995 con financiación del Departamento de Energía de EE. UU., Vitreloy 106 se destacó inmediatamente por su diámetro de fundición superior a 1 cm, sin la presencia de Be, que era una marca registrada de la serie de aleaciones Vitreloy desarrollada en 1993. también en Caltech.21–23 Apenas 2 años después de su desarrollo, una variante de Vitreloy 106 voló en TEMPUS como parte de MSL-1, donde se midieron mediciones de calor específico en el estado líquido subenfriado (ver Figura 3),18 y solo 6 Años después de su desarrollo, el BMG se integró en la misión Génesis de la NASA como un colector de viento solar.24 En 2001, el ESL del Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la NASA se utilizó para demostrar que una ligera variante del Vitreloy 106, Zr58.5Nb2.8Cu15.6Ni12. 8Al10.3 (llamado Vitreloy 106a), exhibió una velocidad de enfriamiento crítica de 1,75 K/s, sólo aproximadamente el doble que Vitreloy 1.25. Esta aleación fue seleccionada para Génesis porque era la mejor aleación formadora de vidrio sin berilio y podía grabarse uniformemente (Génesis tenía interés en detectar elementos ligeros en el viento solar y, por lo tanto, era necesario excluir el berilio de la aleación). Lanzada en agosto de 2001, Génesis fue la primera misión de la NASA desde el programa Apolo de las décadas de 1960 y 1970 para devolver material a la Tierra, y fue la primera misión en devolver material desde más allá de la órbita de la Luna. Los recolectores de muestras, que fueron diseñados para volar a través del viento solar, eran objetivos de forma hexagonal de una variedad de materiales, incluido un Vitreloy 106a BMG. Las muestras fueron diseñadas para ser grabadas utilizando diferentes productos químicos, lo que permitió detectar una variedad de composiciones del viento solar. Se utilizó BMG porque podía grabarse de forma muy homogénea en ácido nítrico, debido a la falta de límites de grano en la microestructura amorfa. La misión Génesis proporcionó uno de los mejores momentos en la historia de los BMG cuando se estrelló en el desierto de Utah en 2004, debido a un paracaídas defectuoso. La muestra de BMG fue uno de los únicos objetivos que sobrevivió al impacto y luego se utilizó para responder preguntas fundamentales sobre la composición del viento solar (véanse las referencias 26 a 30). La Figura 4a muestra la maqueta de vuelo de Génesis en exhibición en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, Pasadena, CA.

Colector solar Genesis BMG y espuma BMG fabricados en órbita. (a) La maqueta de vuelo del colector de viento solar Génesis en exhibición en el JPL de la NASA, Pasadena CA. La muestra circular en el centro de la imagen era la ubicación del Vitreloy 106 BMG. El panel BMG fue uno de los pocos que sobrevivió al aterrizaje forzoso del Génesis en el desierto y luego se utilizó en varias publicaciones de alto perfil. (b) Una espuma BMG a base de Pd fabricada mediante expansión termoplástica en comparación con un lingote de la misma aleación y masa, pero con 0% de porosidad. (c) Un esquema de cómo se fabricó la espuma BMG en órbita (en la ISS) utilizando una ampolla y el calor proporcionado por la pistola de soldar de un astronauta. El experimento real se muestra en d. Las imágenes son proporcionadas por el Dr. Demetriou. BMG, vidrio metálico a granel; ISS, Estación Espacial Internacional; JPL, Laboratorio de Propulsión a Chorro; NASA, Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio.

La investigación sobre el procesamiento de BMG se realizó en microgravedad en 2004, con espuma termoplástica de un BMG Pd40Ni40P20 en órbita (consulte la página de investigación y tecnología de la Estación Espacial Internacional de la NASA http://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/experiments/259. html).31 Aunque la intención de los experimentos era científica, los autores, sin saberlo, realizaron una de las primeras demostraciones de fabricación de metales en órbita, un concepto que recientemente se ha convertido en uno de los objetivos más visibles de las futuras investigaciones de la ISS. Por ejemplo, el Centro de Investigación Langley de la NASA y empresas comerciales, como Made in Space, se han esforzado por colocar impresoras metálicas tridimensionales en la ISS para realizar la fabricación en órbita (consulte, por ejemplo, la página de características tecnológicas de la NASA: Fabricación de forma libre con haz de electrones). http://www.nasa.gov/topics/technology/features/ebf3.html) (ver, por ejemplo, Made in Space http://www.madeinspace.us). Los experimentos de espuma de BMG en 2004 fueron en realidad diseñados para demostrar los beneficios del uso de espumas de BMG en la Tierra, a diferencia de las espumas de aluminio, por ejemplo. En sus respectivas ventanas de procesamiento para la formación de espuma, los BMG exhiben una viscosidad más de 10 órdenes de magnitud mayor que la del aluminio, lo que implica que la velocidad de sedimentación de las burbujas, que se utilizan para fabricar la espuma, es del orden de 1 nm/s. en el BMG frente a 1 m/s en el aluminio. Por lo tanto, una espuma de BMG producida por gravedad no se ve marcadamente afectada por la sedimentación, que es un desafío importante en el procesamiento de espumas metálicas cristalinas. Por lo tanto, la investigación sobre microgravedad en la ISS tenía como objetivo demostrar que las espumas BMG se podían fabricar en la Tierra, sin los efectos negativos de la sedimentación de burbujas que se produce en las espumas más utilizadas.

El experimento de formación de espuma se desarrolló preparando primero un precursor de espuma amorfa de 1,4 g, al que se le incorporó una burbuja de gas Ar del tamaño de una micra a 1 atm. Los precursores se sellaron en una ampolla de cobre con un volumen inicial 12 veces mayor que el volumen del precursor de espuma amorfa. Utilizando una punta de soldadura existente (que ya era un componente del kit de herramientas del astronauta), la ampolla se calentó a 633 K y se mantuvo durante 5 minutos. Posteriormente, el BMG se calentó hasta su región líquida sobreenfriada, por encima de su temperatura de transición vítrea, y se le permitió expandirse libremente dentro de la ampolla de cobre. Esto fue similar a la forma en que se prepararon las mismas espumas BMG en la Tierra.32,33 En la Figura 4b se muestra una muestra de una espuma BMG a base de Pd junto con una muestra no porosa de la misma masa. La Figura 4c muestra un esquema del procesamiento de la espuma BMG en microgravedad y la Figura 4d muestra la ampolla de cobre utilizada para el procesamiento de la espuma en la ISS. Las imágenes son del MD Demetriou y del Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la NASA.

Los experimentos de formación de espuma de BMG fueron una demostración impresionante de la fabricación de metales en órbita. Se calentó una preforma de BMG de pequeño volumen (utilizando técnicas disponibles en órbita) y se le permitió expandirse libremente hasta 10 veces su volumen inicial. La temperatura relativamente baja asociada con la formación de espuma termoplástica en los BMG hace que el proceso sea accesible para futuras aplicaciones de fabricación espaciales. Por ejemplo, ya se ha demostrado que las estructuras celulares de BMG tienen un rendimiento excelente como escudos de naves espaciales para la protección de desechos orbitales.34,35 Tener un material que pueda empaquetarse en un pequeño volumen de lanzamiento y luego desplegarse en órbita, ya sea para llenar un molde o en libre expansión, manteniendo al mismo tiempo una alta resistencia y una excelente capacidad de absorción de energía, es un avance importante para la fabricación espacial.

Una de las principales razones por las que el desarrollo de BMG se produjo tan rápidamente durante la década de 1990 fue la implementación de experimentación tanto terrestre como espacial. Paralelamente a las investigaciones de microgravedad que se estaban planificando para TEMPUS, la financiación de la NASA dio como resultado el desarrollo de equipos ESL terrestres en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en 1993.36 Como se analizó anteriormente, los sistemas EML terrestres requieren que la levitación y el procesamiento de las muestras estén acoplados y en remolino. Las corrientes inducidas en las muestras evitan que leviten materiales no conductores de electricidad. Por el contrario, ESL utiliza control de retroalimentación para hacer levitar una muestra entre placas de electrodos paralelas, donde la fuerza gravitacional del cuerpo de la muestra se puede compensar con una carga inducida por un voltaje aplicado. En el ESL, el calentamiento y la levitación de la muestra están desacoplados, lo que permite utilizar el calentamiento externo (por ejemplo, a través de una lámpara de arco o láser) para los procesos de fusión y solidificación. También proporciona una vista abierta de la muestra para que se puedan realizar diagnósticos sin contacto, como análisis térmico y vídeo, in situ durante el procesamiento. ESL puede fundir muestras de aleaciones metálicas, semiconductores y aislantes, mientras que EML solo puede procesar materiales eléctricamente conductores.

Aunque el ESL solo podía levitar muestras de BMG de hasta 3 mm de diámetro, en comparación con las muestras de 8 mm utilizadas en TEMPUS, ofrecía una amplia variedad de ventajas para procesar BMG que eran fundamentales para su implementación comercial. La ventaja más obvia fue que el ESL podría usarse para generar datos sobre una gran cantidad de aleaciones a una pequeña fracción del costo de realizar el mismo experimento en microgravedad. El ESL estaba originalmente equipado con una lámpara de arco de xenón para proporcionar calefacción, pero luego se equipó con calefacción por láser tetraédrico para reducir los gradientes térmicos. Se lograron condiciones de vacío ultraalto de 5 × 10 −8 mtorr para evitar la contaminación de la muestra y se utilizó un control de retroalimentación avanzado para un posicionamiento preciso de la muestra (para experimentos de volumen específico y tensión superficial). Por estas razones, la instalación del Laboratorio de Propulsión a Chorro pasó a llamarse instalación de levitación electrostática de alta temperatura y alto vacío o HTHVESL. A principios de la década de 1990, el objetivo principal del HTHVESL era estudiar el comportamiento de un BMG recién creado, Vitreloy 1 (Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10.0Be22.5), que fue promocionado por su diámetro de fundición de más de 25 mm. . A Vitreloy 1, que más tarde se convertiría en la base de la industria comercial BMG de EE. UU., no se le permitió formar parte del programa de microgravedad de la NASA, principalmente porque contenía 22,5 at. % de berilio. El HTHVESL era un sistema terrestre que podía funcionar sin poner en peligro el entorno respiratorio de los astronautas, lo que permitió utilizarlo para desarrollar las propiedades termofísicas fundamentales del Vitreloy 1, que finalmente se utilizaron como parámetros para el procesamiento industrial.

Muchas de las primeras publicaciones que utilizaron el Laboratorio de Propulsión a Chorro HTHVESL fueron estudios de la formación de vidrio de la aleación Vitreloy 1, que utilizó los efectos de microgravedad simulados de ESL para el procesamiento sin contenedores. En 1994, el sistema se utilizó para vitrificar esferas de Vitreloy 1 de 3 mm de diámetro, lo que demostró que la velocidad de enfriamiento crítica para la formación del vidrio era de 0,9 a 1,2 K/s, lo que convertía a la aleación en el formador de vidrio más conocido de la época.37 Críticamente , los experimentos también demostraron que cuando la muestra se mantenía por encima de su temperatura de fusión durante un tiempo suficiente para disolver los óxidos, podía enfriarse a una velocidad de enfriamiento crítica más lenta. Estos datos fueron extremadamente útiles para desarrollar equipos comerciales de fundición a presión, donde se utilizó el conocimiento sobre la cristalización para "sobrecalentar" los líquidos formadores de vidrio antes de la fundición. Posteriormente, el HTHVESL se utilizó para una gran cantidad de estudios de Vitreloy 1 y otros BMG, para desarrollar diagramas de transformación tiempo-temperatura,38 desarrollar una velocidad de enfriamiento crítica para evitar la cristalización,39 estudiar los efectos de la contaminación y la temperatura en la velocidad de enfriamiento,40 descomposición , y cristalización de BMG,41 volumen específico, tensión superficial y viscosidad,38 diagramas de calentamiento y enfriamiento continuo,42 y cristalización dependiente de la historia,39 entre muchos otros. La tecnología HTHVESL también fue adoptada por el Centro Marshall de Vuelos Espaciales de la NASA en Huntsville, Alabama, donde se han realizado importantes mejoras para mejorar la producción científica. El HTHVESL del Centro Marshall de Vuelos Espaciales se utilizó en 1999 para determinar la capacidad de formación de vidrio del Vitreloy 106a, el primer BMG sin berilio que vitrificó completamente bajo las condiciones de enfriamiento radiativo del aparato.25 El HTHVESL continúa utilizándose hoy en día para Estudiar la formación y procesamiento de dendritas en BMGMC. Algunos detalles sobre estos experimentos se muestran en la Figura 5. Los autores actuales han utilizado recientemente el HTHVESL con financiación de la NASA para estudiar la solidificación de dendritas en BMGMC.43 La Figura 5d muestra una curva típica de calentamiento y enfriamiento para un BMGMC, que es similar a los datos obtenido de TEMPUS. El ESL se utilizó para procesar semisólidamente los BMGMC para estudiar el engrosamiento de las microestructuras. El ESL también se ha utilizado para determinar las primeras mediciones de viscosidad y tensión superficial de BMGMC, como se muestra en la Figura 5e, f.43.

Procesamiento sin contenedores utilizando JPL/Caltech HTHVESL. (a) Imagen de un HTHVESL. Al realizar experimentos terrestres, las aleaciones que no se pueden probar en órbita se pueden observar en un entorno de microgravedad simulado. (b) Imagen de una esfera metálica de 3 mm de diámetro levitada. El ESL desacopla la fusión y el calentamiento, lo que permite la replicación de las condiciones de microgravedad en la Tierra. Imagen de la NASA MSFC. (c) Una sombra bidimensional de un lingote fundido que se procesa en el HTHVESL de Caltech, que se utiliza para mediciones de cambios específicos de volumen y radio. ( d – f ) Datos obtenidos en dos BMGMC utilizando el HTHVESL para estudiar el crecimiento de dendritas y el procesamiento de semisólidos en un entorno sin contenedores. (d) Un perfil típico de calentamiento y enfriamiento del ESL parece casi idéntico a los perfiles obtenidos en órbita utilizando la instalación TEMPUS. En los recuadros se muestra el engrosamiento de las dendritas en el HTHVESL mediante la realización de una retención isotérmica. (e) Datos de viscosidad obtenidos en BMGMC por encima del líquido y (f) tensión superficial en función de la temperatura de procesamiento para dos BMGMC. Todos los datos son proporcionados por los autores actuales. BMGMC, compuesto de matriz de vidrio metálico a granel; ESL, levitación electrostática; HTHVESL, instalación de levitación electrostática de alto vacío y alta temperatura; JPL, Laboratorio de Propulsión a Chorro; MSFC, Centro Marshall de Vuelos Espaciales; NASA, Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio.

El procesamiento comercial de vidrios metálicos ya tiene décadas de antigüedad, y fue introducido por primera vez por lo que hoy es Allied MetGlas para su uso en bobinas de transformadores magnéticos (www.metglas.com). Poco después del desarrollo de Vitreloy 1 en Caltech en 1992, se lanzó Amorphous Technologies International de Laguna Niguel, CA, para comercializar el nuevo campo de BMG, aquellas aleaciones que pueden formarse en partes amorfas con un espesor superior a 1 mm. Amorphous Technologies International más tarde se convirtió en Liquidmetal Technologies (www.liquidmetal.com), que introdujo BMG en el mercado comercial con una empresa filial, Liquidmetal Golf, en 1997. Se vendieron las aleaciones comerciales denominadas Liquidmetal Alloys o LM, que se fabricaban en gran parte a partir de Vitreloy 1. como palos de golf de alto rendimiento y se fabricaron utilizando tecnología de fundición a presión. A principios de la década de 2000, Liquidmetal lanzó una línea de productos de componentes para carcasas electrónicas para teléfonos móviles, incluidos materiales que se integraban en dispositivos de Motorola, Samsung, LG, Sandisk y Apple. En 2010, Apple adquirió la propiedad intelectual de Liquidmetal, lo que sugiere fuertemente que el material se convertirá en un producto fundamental en la industria de la electrónica de consumo (ver, por ejemplo, ¿Por qué Apple otorga licencias a Liquidmetal? Por Jason Ogrady. The Wall Street Journal, 9 de agosto 2010).

Además de Liquidmetal, varias otras empresas comerciales han explorado los BMG como productos. Entre ellos, Howmet Corporation (Whitehall, MI), fabricó las placas más grandes conocidas de Vitreloy 1 como parte de su 'División de Moldes de Metal', a finales de los años 1990. Más recientemente, Materion (www.materion.com) ha comenzado la fabricación comercial de materia prima de BMG, Visser Precision Casting (www.visserprecisioncast.com) ha producido productos de BMG bajo contrato y una nueva empresa emergente de Caltech, Glassimetal Technologies, ha explorado una nueva Tecnología de fabricación de BMG. El grupo japonés del profesor A Inoue también comercializa BMG en Japón desde los años 1990.44,45

A pesar de las dos décadas de esfuerzo en la comercialización de BMG, los materiales aún no han logrado una comercialización generalizada. Las razones de esto se remontan en gran medida a los experimentos que se realizaron en microgravedad en TEMPUS y en HTHVESL. Todos los BMG a base de circonio y titanio son extremadamente reactivos cuando entran en contacto con crisoles u oxígeno, se ven afectados en gran medida por impurezas, tienen una cristalización dependiente de la historia que debe superarse para fabricar componentes de manera confiable y tienen una tenacidad a la fractura que está altamente acoplada al procesamiento. y composición. La producción comercial inicial estuvo plagada de problemas derivados de material de baja calidad, interacciones con crisoles de fundición a presión de grafito, efectos de temperatura desconocidos, problemas de llenado de moldes y vacío deficiente.10,46 El primer modelo de negocio para la comercialización de BMG se basó en reemplazar plásticos en carcasas electrónicas, lo que requiere que los BMG compitan con los plásticos en costos. Este modelo enfatizaba la fabricación rápida por encima de las propiedades mecánicas, lo que finalmente fue la ruina de la industria. Las primeras piezas de Vitreloy 1 se fabricaban fundiendo a presión palanquillas con alto contenido de oxígeno en crisoles de grafito antes de fundirlas en moldes de acero. La rápida fabricación de piezas provocó líneas de flujo en muchas piezas debido a la turbulencia en el líquido, la cristalización y la fragilidad eran comunes entre las piezas fundidas.46 Como testimonio de la capacidad de formación de vidrio de Vitreloy 1, los tochos de material se podían reciclar una y otra vez y aún todavía podrían procesarse en partes amorfas, aunque las partes contengan cada vez más oxígeno. Sólo años después se conoció bien el efecto del contenido de oxígeno sobre la resistencia a la fractura de los BMG. Por ejemplo, los primeros conductores de golf de BMG eran bien conocidos por su excelente rendimiento, pero a menudo se fracturaban después de unos cientos de golpes. Los datos de microgravedad y HTHVESL que se obtuvieron resaltaron la importancia de comprender cómo el procesamiento afecta la formación y las propiedades de las BMG. Los materiales deben fabricarse con elementos de alta pureza libres de oxígeno, deben producirse en ambientes de gas inerte, deben procesarse a una temperatura suficientemente alta para borrar el historial de cristalización y deben fabricarse en moldes utilizando la menor cantidad posible. de interacción posible. Siguiendo estas reglas, se podrían mejorar notablemente tanto la capacidad de formación del vidrio como la tenacidad a la fractura. En los años transcurridos desde los primeros experimentos de microgravedad, muchos estudios han demostrado el efecto del procesamiento sobre las propiedades mecánicas.

A partir del año 2000, cuando se descubrió más información sobre las propiedades fundamentales de las BMG, se hizo evidente por qué fracasaron los primeros intentos de comercializar las BMG. La literatura científica sobre BMG muestra esta tendencia, con artículos que discuten cada vez más cómo mejorar la tenacidad y ductilidad de los vidrios metálicos, en comparación con los artículos sobre la mejora de la capacidad de formación del vidrio, que dominaron la literatura en la década de 1990. Durante este período se desarrollaron una serie de avances en las propiedades mecánicas de las BMG, incluida la capacidad de formar BMG termoplásticamente,47,48 la mejora de las propiedades mediante composición,49 el moldeo por soplado,50 el moldeo por inyección,46 la descarga capacitiva rápida,51 la tecnología semisólida. procesamiento de BMGMC,8,9 nanoformación,52 entre muchos otros. Desde una perspectiva de procesamiento y comercialización, los mayores avances relacionados con la limitación de la contaminación en el BMG se funden antes de la fundición. Los crisoles de grafito con poco vacío de la época de la fundición a presión fueron reemplazados en gran medida por ambientes inertes y crisoles de pared fría (o de baja reacción).46 Actualmente se están investigando máquinas de moldeo por inyección de plástico reconvertidas con crisoles de pared fría para la fabricación comercial. . Además, se ha comercializado una nueva tecnología de descarga capacitiva rápida en una nueva start-up, Glassimetal Technologies. El proceso implica el calentamiento volumétrico de BMG mediante una descarga capacitiva, lo que elimina el uso de crisoles de fusión.51 En resumen, el interés comercial de las BMG ha resurgido, impulsado en gran medida por la comprensión ahora comprobada de cómo las propiedades se ven afectadas por el procesamiento. Los detalles sobre las tendencias recientes en el procesamiento de BMG se pueden encontrar en la ref. 10, un artículo de revisión de uno de los autores actuales.

Actualmente se están planificando experimentos con BMG para la ISS, basados ​​en nuevos equipos que fueron instalados recientemente por los astronautas. En 2009, el transbordador espacial Discovery (STS-128) llevó el Materials Science Research Rack (MSRR), una nueva instalación de procesamiento de aleaciones metálicas, a un hogar permanente en la ISS (consulte la página de Investigación y Tecnología de la NASA: http:// www.nasa.gov/mission_pages/station/research/experiments/327.html). El MSRR, desarrollado conjuntamente por la Agencia Espacial Europea y la NASA, está equipado con dos hornos intercambiables, un horno de bajo gradiente y un horno de solidificación y enfriamiento, que permiten procesar en microgravedad muestras cilíndricas de más de un centímetro de diámetro. Actualmente colaboran en proyectos agencias espaciales como la NASA, la Agencia Espacial Europea, el DLR, la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón y la Agencia Espacial Canadiense, así como científicos de todo el mundo. Con financiación de la NASA, los autores actuales han estado explorando experimentos terrestres relacionados con cómo crecen las dendritas en BMGMC.10,43 Para los próximos experimentos de vuelo, los autores investigarán BMGMC con densas inclusiones de W y Ta, destinados a aleaciones pesadas. como los utilizados en los penetradores de energía cinética. Las pruebas en tierra de estas aleaciones se han visto obstaculizadas por la sedimentación de las fases cristalinas, que tienen una densidad hasta tres veces mayor que la matriz de vidrio. La Figura 6a muestra una imagen del MSRR que está actualmente instalado en la ISS. Los autores actuales explorarán la sedimentación en BMGMC utilizando el MSRR basado en experimentos terrestres, como se muestra en la Figura 6b. Se infiltraron partículas de tungsteno con BMG Vitreloy 1 para formar un compuesto. El compuesto se invirtió y se volvió a fundir, pero las partículas de tungsteno se sedimentan en dirección normal a la dirección de la gravedad, creando una muestra no homogénea, como se ve en la Figura 6b. En órbita, estas muestras se fabricarán con microestructuras que serían difíciles de obtener en la Tierra, debido a la diferencia de densidad entre la matriz de BMG y las partículas pesadas.

Experimentos planificados para la ISS utilizando el MSRR. La financiación actual de la NASA y la ESA respalda varias misiones planificadas en la ISS utilizando el MSRR, como se muestra en a. (b) Los autores actuales, en colaboración con WL Johnson de Caltech, realizarán experimentos de sedimentación. Los compuestos con grandes diferencias de densidad entre las fases constitutivas se procesarán en microgravedad para evitar la sedimentación. El esquema muestra el problema del procesamiento de estas aleaciones en la Tierra. La fase más densa simplemente se hunde en la masa fundida, impidiendo una distribución homogénea. Investigadores de varios países están planeando otros experimentos. BMG, vidrio metálico a granel; ESA, Agencia Espacial Europea; ISS, Estación Espacial Internacional; MSRR, Estante de investigación en ciencia de materiales; NASA, Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio.

La investigación sobre microgravedad en vidrios metálicos y BMG se ha financiado de forma casi continua durante 30 años y la combinación de experimentos terrestres y de microgravedad ha llevado este campo a la cúspide de una comercialización generalizada. Se prevé que los usos futuros de los BMG en el entorno espacial se centrarán en componentes estructurales de las naves espaciales, como escudos contra desechos, paneles, estructuras celulares, espejos, mecanismos compatibles y engranajes.

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Este trabajo fue apoyado por la Dirección de Misiones de Sistemas de Exploración de la NASA bajo el contrato no. NNH10ZTT001N. Parte de este trabajo se completó en el Jet Propulsion Laboratory del Instituto de Tecnología de California, bajo contrato con la NASA. Agradecemos a WL Johnson, MD Demetriou y HJ Fecht por proporcionar materiales de referencia y a S Bossuyt por las discusiones.

Grupo de Tecnología de Fabricación y Desarrollo de Materiales, Laboratorio de Propulsión a Chorro/Instituto de Tecnología de California, Pasadena, CA, EE. UU.

Douglas C Hofmann y Scott N Roberts

Departamento de Ciencia de Materiales y Física Aplicada, Laboratorio Keck de Ciencias de la Ingeniería, Instituto de Tecnología de California, Pasadena, CA, EE. UU.

Douglas C Hofmann y Scott N Roberts

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Correspondencia a Douglas C Hofmann.

Los autores declaran no tener ningún conflicto de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Hofmann, D., Roberts, S. Procesamiento de metales por microgravedad: desde líquidos subenfriados hasta vidrios metálicos a granel. npj Microgravedad 1, 15003 (2015). https://doi.org/10.1038/npjmgrav.2015.3

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Recibido: 31 de octubre de 2014

Revisado: 22 de enero de 2015

Aceptado: 29 de enero de 2015

Publicado: 27 de mayo de 2015

DOI: https://doi.org/10.1038/npjmgrav.2015.3

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