Термфизические свойства и поведение при затвердевании жидкости Vit106a в условиях микрогравитации

Почему космос помогает понять особые металлы

Некоторые металлы можно заморозить в стеклоподобное состояние, что придаёт им необычную прочность и вязкость, которую инженеры надеются применять везде — от космических аппаратов до медицинских устройств. Но изготовление крупных кусков такой «металлической стеклоткани» сложно: расплав нужно охладить достаточно быстро, чтобы не образовались кристаллы. В этой работе описано, как учёные воспользовались микрогравитацией на Международной космической станции, чтобы точно измерить, как перспективный сплав Vit106a ведёт себя в жидком состоянии и как он затвердевает — ключевые данные для производства прочных деталей из металлического стекла в больших масштабах.

Металл, стремящийся стать стеклом

Bulk metallic glass — это металлические сплавы, атомы в которых заморожены в беспорядочной структуре, ближе по устройству к оконному стеклу, чем к обычной кристаллической решётке. Такая структура делает их очень прочными, упругими и стойкими к коррозии. Vit106a — это цирконийсодержащий сплав, специально разработанный для образования металлического стекла без токсичных компонентов, таких как бериллий. На Земле небольшие шарики Vit106a диаметром всего в несколько миллиметров можно охладить до стеклового состояния при относительно умеренных скоростях охлаждения, что говорит о его пригодности для крупных изделий. Однако для контроля промышленного литья инженерам нужны точные данные о том, как расплав течёт, как он излучает тепло и как он аккумулирует энергию в широком температурном диапазоне — данные, которые на Земле получить сложно, потому что гравитация и стенки контейнеров искажают поведение жидкости.

Дать металлу парить в космосе

Чтобы преодолеть эти ограничения, команда обработала сферу Vit106a диаметром 6,5 мм в установке для электромагнитного левитирования на МКС. Мощные катушки удерживали каплю в воздухе и нагревали её без контакта со стенками. В почти невесомой среде исследователи аккуратно возбуждали колебания капли, чтобы измерить скорость распространения и затухания поверхностных волн, что дало значения поверхностного натяжения и вязкости (параметра, показывающего, насколько жидкость текуча или вязка). Они также применяли тщательно модулируемый нагрев, чтобы определить, насколько эффективно капля излучает тепло и сколько энергии требуется для повышения её температуры, что позволило оценить излучательную способность и удельную теплоёмкость.

Что обнаружил жидкий металл

Измерения показали, что поверхностное натяжение Vit106a остаётся практически неизменным в исследованном высокотемпературном диапазоне и очень похоже на значения для других циркониевых сплавов, что указывает на слабые потоки, обусловленные поверхностными силами в расплаве. Данные по вязкости продемонстрировали, что при высоких температурах жидкость ведёт себя как относительно «ломкая» — её сопротивление течению быстро меняется с температурой. В сочетании с ранее полученными измерениями при низких температурах это позволило выявить, что по мере охлаждения к стеклованию Vit106a переходит от более «ломкого» к более «прочноподобному» поведению — эффект, связанный в других сплавах с тонкими перестановками в атомной структуре жидкости. Удельная теплоёмкость полностью расплавленного сплава оказалась немного выше некоторых наземных оценок, что уточняет термодинамическую картину, необходимую для моделирования литья.

Когда охлаждение быстрое, но всё ещё недостаточно

После измерений свойств капле позволили свободно остыть в левитаторе примерно со скоростью 16 кельвинов в секунду — значительно быстрее ранее оценённой критической скорости, достаточной для образования стекла в небольших образцах Vit106a. Удивительно, что записи температуры показали чёткую плато, связанное с кристаллизацией, а подробный рентгеновский анализ и электронная микроскопия, выполненные уже на Земле, подтвердили, что сфера полностью кристаллизовалась, а не осталась стекловидной. В затвердевшей сфере обнаружились несколько типов простых циркониевых соединений и большие внутренние пустоты, что указывает на то, что кристаллы зародились на поверхности и росли внутрь, вытягивая материал от центра. Такое поведение свидетельствует о гетерогенном зародышеобразовании, когда крошечные примеси или структурные флуктуации служат стартовыми точками для роста кристаллов, и ставит под сомнение простоту получения стекла из Vit106a в больших отливках.

Что это значит для будущих деталей из металлического стекла

Исследование даёт точный набор термфизических данных для расплавленного Vit106a в условиях близких к идеальным микрогравитации и показывает, что несмотря на репутацию отличного формирователя стекла, он может кристаллизоваться легче в больших объёмах, чем это следовало из предыдущих работ на крошечных образцах. Для инженеров эти результаты подчёркивают, что успешное масштабное производство потребует не только достаточно быстрого охлаждения, но и строгого контроля за кислородом и другими примесями, тщательного управления температурой расплава перед охлаждением и реалистичных ожиданий относительно того, как толщина отливки влияет на образование стекла. Новые измерения теперь можно использовать в компьютерных моделях для проектирования процессов литья и оборудования, приближая цель надёжного изготовления крупных компонентов из металлического стекла ещё на шаг.

Цитирование: Terebenec, D., Mohr, M., Wunderlich, R. et al. Thermophysical properties and solidification behavior of liquid Vit106a in microgravity. npj Microgravity 12, 26 (2026). https://doi.org/10.1038/s41526-026-00572-6

Ключевые слова: bulk metallic glass, microgravity processing, Vit106a alloy, metal solidification, thermophysical properties