Лазерный мир

Волкова Т. В., Жеребцов В. Л., Левихин А. А. // Аэрокосмическая техника и технологии. 2026. Т. 4, № 1. С. 75-91. https://doi.org/10.52467/2949-401X-2026-4-1-75-91; 

Аннотация. В нашей стране для системы ориентирования ряда космических аппаратов (КА) используются микроракетные двигатели, работающие на основе каталитического разложения высокоэнергетического химического соединения — гидразина (№Н). В термокаталитических двигателях используются как компактные брикетированные металлические катализаторы, например К-53, так и катализаторы нанесенного типа, например, К-201. В качестве катализаторов в термокаталитических двигателях используется металлический катализатор К-53. Однако, ввиду низкой активности этого катализатора до температуры 100 °С, начальная температура его разогрева перед пуском двигателя должна быть более 350 °С. Это требует больших энергозатрат на КА. Существенным преимуществом по активности и обеспечению расходонапряженности имеют высокоактивные катализаторы на основе иридия. В России используется катализатор К-201. Он как и все высокоактивные катализаторы, в качестве активного компонента использует иридий (29-33 %) как наиболее активный металл в реакции разложения гидразина. Целью работы является возможность создания комбинированного катализатора, который будет сочетать в себе лучшие качества обоих. На помощь в решении вопроса о возможности создания и методах изготовления нового металлического катализатора приходят аддитивные технологии, также известные как 3й-печать (один из главных мировых трендов на сегодняшний день). Появление 3й-печати открыло новые возможности изготовления деталей реакторов, организации процессов горения топлив в энергетических системах, создания сложных конфигураций внутренних структур химических реакторов. Наиболее привлекательным при применении аддитивных технологий является то, что они позволяют изготавливать детали любой конфигурации. Послойное плавление порошков проходит этап существования пористых структур, что может быть исследовано как носитель для пористого катализатора. Исследованию этих возможностей посвящена настоящая статья.

Из-за локального сильного нагрева возникает высокий градиент температур по поверхности ванны плавления, отсюда сильный эффект Марангони, который и приводит к растеканию, а поверхностное натяжение может привести к образованию капель.

При недостаточном нагреве расплава наблюдается эффект комкования. Треки с такими дефектами являются нестабильными, и, согласно работам [16-18], в материале будет присутствовать повышенная пористость.

В процессе селективной лазерной плавки необходимо соблюдать баланс между мощностью и скоростью сканирования.

В СЛП цель состоит в том, чтобы полностью расплавить порошок, чтобы получить плотные детали. Следовательно, используется очень высокая мощность лазера, и, следовательно, возникают негативные термические эффекты, такие как термические напряжения или эффекты комкования. Полное устранение температурных градиентов в процессе СЛП недостижимо в силу локального характера лазерного воздействия, однако минимизация термических напряжений возможна за счет предварительного подогрева платформы и оптимизации стратегии сканирования, что снизит вероятность дефектообразования [14, 19].

На представленных микрофотографиях (рис. 9), сделанных на растровом микроскопе, наблюдаются три цветовых спектра веществ, отличающиеся по интенсивности: белый, светло-серый и темно-серый цвет вещества. Определение элементного состава проводилось методом рентгеновской энергодисперсионной спектроскопии, основанном на сравнении характеристического рентгеновского излучения анализируемого состава. Из представленных фотографий можно сделать вывод — полного переправления металлического порошка и порошка катализатора не произошло. Произошел процесс миграции и рекристаллизации кристаллов иридия.

Отличительным белым цветом обладают кристаллы иридия, «выплывшие» на поверхность оксида алюминия, а также мигрировавшие на поверхность расплава нержавеющей стали. При лазерной плавке процесс структурообразования происходит следующим образом: температура плавления порошка нержавеющей стали ЛШ составляет около 1400 °С, поэтому он плавится в первую очередь, тем самым создавая последовательно структуру будущего металлического катализатора. В тот же момент порошок активного компонента, находившийся в смеси металлического порошка в виде оксида алюминия ЛЬОз с температурой плавления около 2072 °С и кристаллов иридия около 2466 °С, остается отдельным агломератом. Из-за разности температур плавления агломерат мигрирует за счет расплава нержавеющей стали и закрепляется в результате охлаждения за элементы уже сформированной балки образца. Одновременно с этим происходит миграция кристаллов иридия из пор на поверхность окиси алюминия и нержавеющей стали [10].

Приблизительная размерность кристаллов иридия на поверхности носителя в катализаторе К-201 составляет от 30 А до 250 А, это соответствует удельной поверхности катализатора от 90 до 10 м2/г. Чем меньше размерность кристаллов иридия на поверхности носителя, тем более развита удельная поверхность катализатора. Воздействие высокой температуры на катализатор существенно снижает его удельную поверхность (рис. 10).

Воздействие лазера на катализатор приводит к аналогичным последствиям: при плавлении порошков увеличивается размерность кристаллов иридия в разы от 250 А до 50 000 А, оставляя катализатору определенную активность.

Рис. 10. Влияние температуры на удельную поверхность катализатора

В области контакта двух разнородных металлов происходит процесс взаимной диффузии, результатом которого является формирование переходной области, так называемой диффузионной зоны. Она характеризуется градиентом концентрации и градиентом химического потенциала в связи с неоднородным распределением компонентов системы, вследствие чего происходит диффузионное перемещение атомов, ведущее в итоге к установлению во всем объеме образца фазового состава, определяемого диаграммой состояния.

В многокомпонентных системах взаимная диффузия обеспечивает формирование неограниченных твердых растворов на основе компонентов, участвующих как во взаимной диффузии образца, так и в возникновении интерметаллических фаз. Поэтому коэффициент взаимной диффузии будет существенно зависеть от структурно-фазового состояния диффузионной зоны. Внутренние границы раздела (границы зерен и межфазные границы) являются каналами ускоренной диффузии. Диффузия по границам протекает на несколько порядков быстрее, чем в объеме кристалла [13].

Заключение

Методом СЛП изготовлены изделия — металлические матрицы с тетраэдрической решеткой цилиндрической формы с заданными размерами с содержанием активного компонента (измельченного катализатора К-201) от 15 % до 20 % в смеси по массе.

Плное содержание статьи на https://elibrary.ru/IQUEUO