Отправить статью по E-mail 
Лабораторные испытания селективного лазерного сплавления имитаторов лунного реголита с различными гранулометрическими свойствами
- Авторы: Томилина Т.М.1, Ким А.А.1, Лисов Д.И.1,2, Лысенко А.М.1
-
Учреждения:
- Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН
- Институт космических исследований РАН
- Выпуск: Том 62, № 5 (2024)
- Страницы: 525-541
- Раздел: Статьи
- URL: https://bakhtiniada.ru/0023-4206/article/view/276525
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0023420624050107
- EDN: https://elibrary.ru/IGWAGQ
- ID: 276525
Цитировать
Открытый доступ
Доступ предоставлен
Аннотация
В статье представлены результаты лабораторных испытаний селективного лазерного сплавления (СЛС) порошковых композиций имитаторов лунного реголита из земных пород габбро-диабаза и лабрадорита, которые имеют различные диапазоны фракционности. Показано, что композиции с узкими диапазонами фракционности с размерами частиц 50…100 мкм и 100…140 мкм позволяют изготовить тестовые образцы с достаточно хорошими свойствами с параметрами относительно низкой пористости и приемлемым воспроизведением заданной геометрической формы. Получены экспериментальные зависимости пористости тестовых образцов от величины объемной плотности энергии сплавления. В обоих случаях узких диапазонов фракционности порошковых композиций из габбро-диабаза, как для 50…100 мкм, так и 100…140 мкм, эти зависимости практически совпадают с ростом плотности энергии и при 20 Дж/мм3 и выше достигают минимального значения пористости 30…35 %. С другой стороны, было экспериментально установлено, что применение СЛС для порошковых композиций с широким диапазоном фракционности от нескольких микрон до 100 мкм не позволяет изготовить тестовые образцы с удовлетворительными свойствами — как по низкой пористости, так и по точности соответствия заданной геометрии.
Полный текст
Об авторах
Т. М. Томилина
Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН
Автор, ответственный за переписку.
Email: tatiana@imash.ac.ru
Россия, Москва
А. А. Ким
Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН
Email: tatiana@imash.ac.ru
Россия, Москва
Д. И. Лисов
Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН; Институт космических исследований РАН
Email: tatiana@imash.ac.ru
Россия, Москва; Москва
А. М. Лысенко
Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН
Email: tatiana@imash.ac.ru
Россия, Москва
Список литературы
- Митрофанов И.Г. Об освоении Луны. Русский космизм, лунная гонка и открытие «новой Луны» // Земля и Вселенная. 2019. № 1. С. 5–17. doi: 10.7868/S0044394819010018
- Mitrofanov I.G., Sanin A.B., Boynton W.V. et al. Hydrogen Mapping of the Lunar South Pole Using the LRO Neutron Detector Experiment LEND // Science. 2010. V. 330 (6003). P.483–486. https://doi.org/10.1126/science.1185696
- Флоренский К.П., Базилевский А.Т., Николаева О.В. Лунный грунт: свойства и аналоги. М.: [б.и.], 1975.
- Taylor L.A., Pieters C. M., Britt D. Evaluations of Lunar Regolith Simulants // Planetary and Space Science. 2016. V. 126. P. 1–7. http://dx.doi.org/10.1016/j.pss.2016.04.005
- Farries K.W., Visintin P., Smith S.T. Construction of lunar masonry habitats using laser-processed bricks // 71st Int. Astronautical Congress (IAC) – The CyberSpace Edition. 2020.
- Fateri M., Gebhardt A. Process Parameters Development of Selective Laser Melting of Lunar Regolith for On-Site Manufacturing Applications // Int. J. Appl. Ceram. Technol. 2015. V. 12. Iss. 1. P. 46–52. doi: 10.1111/ijac.12326
- Caprio L., Demir A.G., Previtali B. et al. Determining the feasible conditions for processing lunar regolith simulant via laser powder bed fusion // Additive Manufacturing. 2020. V. 32. Art.ID. 101029. https://doi.org/10.1016/j.addma.2019.101029
- Cesaretti G., Dini E., Kestelier X.D. et al. Building components for an outpost on the Lunar soil by means of a novel 3D printing technology // Acta Astronautica. 2014. V. 93. P. 430–450. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2013.07.034
- Taylor S.L., Jakus A.E., Koube K.D. et al. Sintering of micro-trusses created by extrusion-3D-printing of lunar regolith inks // Acta Astronautica. 2018. V. 143. P. 1–8. https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2017.11.005
- Grugel R.N. Integrity of sulfur concrete subjected to simulated lunar temperature cycles // Advances in Space Research. 2012. V. 50. P. 1294–1299. http://dx.doi.org/10.1016/j.asr.2012.06.027
- Simonds C.H. Sintering and hot pressing of Fra Mauro composition glass and the lithification of lunar breccias // American J. Science. 1973. V. 273. P. 428–439. https://doi.org/10.2475/ajs.273.5.428
- Allen C.C., Morris R.V., McKay D.S. Oxygen extraction from lunar soils and pyroclastic glass // Journal of Geophysical Research: Planets. 1996. V.101. P.26085–26095. https://doi.org/10.1029/96JE02726
- Meek T.T., Cocks F.H., Vaniman D.T. et al. Microwave processing of lunar materials: Potential applications // Lunar and Planetary Institute. 1985.
- Maurice S., Wiens R.C., Saccoccio M. et al. The ChemCam instrument suite on the Mars Science Laboratory (MSL) rover: science objectives and mast unit description // Space Sci. Rev. 2012. V. 170. P. 95–166. doi: 10.1007/s11214-012-9912-2
- Balla V.K., Roberson L.B., O’Connor G.W. et al. First demonstration on direct laser fabrication of lunar regolith parts // Rapid Prototyping J. V. 18. Iss. 6. P. 451–457. https://doi.org/10.1108/13552541211271992
- Goulas A., Binner J.G.P., Harris R.A .et al. Assessing extraterrestrial regolith material simulants for in-situ resource utilisation based 3D printing // Applied Materials Today. 2017. V. 6. P. 54–61. https://doi.org/10.1016/j.apmt.2016.11.004
- Gerdes N., Fokken L. G., Linke S. et al. Selective Laser Melting for processing of regolith in support of a lunar base// J. Laser Applications. 2018. V. 30. Art.ID. 032018. doi: 10.2351/1.501857
- Томилина Т.М., Ким А.А., Лисов Д.И. и др. Эксперимент «Лунный-принтер» по лазерному сплавлению лунного реголита в космическом проекте «Луна-грунт» // Косм. исслед. 2023. Т. 61. № 4. С. 311–321. doi: 10.31857/S0023420622600313.
- Rose H. J., Baedecker P. A., Berman S. et al. Chemical composition of rocks and soils returned by the Apollo 15, 16, and 17 missions // Proc. Lunar Sci. Conf. 6th. 1975. P. 1363–1373.
- Ray C.S., Reis S.T., Sen S. et al. JSC-1A lunar soil simulant: Characterization, glass formation, and selected glass properties // J. Non-Crystalline Solids. 356. 2010. V. 44. P. 2369–2374. doi: 10.1016/j.jnoncrysol.2010.04.049
- Material Safety Data Sheet NU-LHT-2M. 2008. NU-LHT – NASA. https://ares.jsc.nasa.gov/projects/simulants/_resources/nu-lht-2m_sds.pdf
- Родэ О.Д., Иванов А.В., Назаров М. А. и др. Атлас микрофотографий поверхности частиц лунного реголита. Прага: Академия, 1979. 242 с.
- Smelov V.G., Sotov A.V., Agapovichev A.V. et al. Selective Laser Melting of Metal Powder of Steel 316l // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2016. V. 142. Art.ID. 012071. doi: 10.1088/1757-899X/142/1/012071
- Goulas A., Binner J.G.P., Engstrom D.S. et al. Mechanical behaviour of additively manufactured lunar regolith simulant components // Proc. IMechE Part L: J. Materials: Design and Applications. 2018. doi: 10.1177/1464420718777932
Дополнительные файлы
Доп. файлы
Действие
1.
JATS XML
2.
Рис. 1. Сравнение формы частиц природного реголита (а, б) [19] с габбро-диабазом для фракций: ГД 50-100 (в), ГД 100-140 (г).
Скачать (60KB)
3.
Рис. 2. Морфология частиц. Вверху: порошковая композиция ГД 50-100 с увеличениями в 55, 300 и 500 раз, слева направо. Внизу: порошковая композиция ГД 100-140 с увеличением в 55, 300 и 600 раз, слева направо. Размерными линиями отмечены частицы с размерами главных осей, превышающими заданную верхнюю границу фракционности.
Скачать (96KB)
4.
Рис. 3. Морфология поверхности частиц для порошка из нержавеющей стали марки 316L, размер фракций 10…50 мкм, форма близка к сферической [23].
Скачать (22KB)
5.
Рис. 4. Особые частицы реголита [22]: спекание частиц реголита на поверхности стеклянной сферической частицы, Луна-16 (а); ударный микрократер на поверхности стеклянной сферической частицы, Луна-16, Море Изобилия (б); дентритовидная частица (в).
Скачать (38KB)
6.
Рис. 5. Траектории движения луча лазера по подложке при разных режимах сплавления (1–14).
Скачать (30KB)
7.
Рис. 6. Треки для порошковой композиции ГД 50-100 для разных режимов сплавления P, V: (а) — 100 Вт, 200 мм/с; (б) — 80 Вт, 175 мм/с; (в) — 50 Вт, 200 мм/с.
Скачать (43KB)
8.
Рис. 7. Треки для порошковой композиции ЛДР 0-100 для разных режимов сплавления P, V: (а) — 80 Вт, 175 мм/с и (б) — 50 Вт, 125 мм/с.
Скачать (55KB)
9.
Рис. 8. Слои порошка на платформе построения из ГД 100-140 (слева) и ЛДР 0-100 (справа).
Скачать (75KB)
10.
Рис. 9. Верхний ряд: фотографии сплавления однослойных образцов из порошковых композиций ГД 50-100, ГД 100-140, и ЛДР 0-100 (слева направо). Нижний ряд: фотографии однослойных образцов из ГД 50-100, ГД 100-140 после удаления остаточного порошка вне зон сплавления.
Скачать (73KB)
11.
Рис. 10. Образцы, сплавленные при разных значениях объёмной плотности подводимой энергии: (а) — крайне рыхлый, плотность энергии менее 10 Дж/мм3; (б) — с удовлетворительной формой, плотность энергии 10…25 Дж/мм3; (в) — с крайне искаженной геометрией, плотность энергии больше 25 Дж/мм3.
Скачать (43KB)
12.
Рис. 11. Микрофотографии поверхности образцов для композиции ГД 100-140 на режимах СЛС с параметрами 60 Вт, 125 мм/с, 16.8 Дж/мм3 (вверху) и 80 Вт, 150 мм/с, 18.7 Дж/мм3 (внизу); увеличение в 35, 100, 2300 раз (слева направо).
Скачать (65KB)
13.
Рис. 12. Пробные сплавленные образцы из четырех композиций на подложках: ГД 0-100 и ЛДР 0-100 (вверху) и ГД 50-100 и ГД 100-140 (внизу).
Скачать (56KB)
14.
Рис. 13. Зависимость пористости образцов для композиций ГД 50-100 и ГД 100-140 от объемной плотности подводимой энергии E.
Скачать (21KB)
15.
Рис. 14. Интегральные распределения частиц по размерам для порошковых композиций: ГД 0-100, ГД 50-100, ГД 100-140 и ЛДР 0-100 и область распределений частиц для всех образцов реголита с Apollo-16 (Apollo-16 max и Apollo-16 min).
Скачать (24KB)
16.
Таблица 1
Скачать (17KB)
17.
Таблица 2
Скачать (16KB)
18.
Таблица 3
Скачать (17KB)
19.
Таблица 4
Скачать (16KB)
20.
Таблица 5
Скачать (26KB)
21.
Таблица 6
Скачать (11KB)
