Изучение свойств образцов из имитатора лунного реголита, полученных методом селективного лазерного сплавления

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

В статье представлены результаты экспериментального исследования прочностных свойств опытных образцов, полученных методом лазерного сплавления из порошковых композиций имитатора лунного реголита на основе габбро-диабаза. Порошковые композиции с диапазоном фракций 50…10 мкм и 100…140 мкм были подготовлены путем просеивания имитатора с гранулометрическим распределением частиц как у природного реголита. На опытных образцах с характерными размерами 7.5×5×6 мм3 исследованы их свойства: объемная плотность, твердость и прочность при сжатии на разных режимах сплавления. Получена зависимость этих свойств от объемной плотности подводимой энергии в диапазоне от 12 до 25 Дж/мм3. Измеренная твердость по Виккерсу опытных образцов, сплавленных из композиции 50…100 мкм, имела диапазон 691…830 HV, образцы из композиции 100…140 мкм имели более широкий диапазон: 330…830 HV. Максимальные значения прочности на сжатие для образцов из обеих композиций достигали 17…20 МПа при медианных значениях 12 и 17 МПа для первой и второй композиции соответственно. Указанные значения в достаточной степени соответствуют тем, которые могли бы быть получены при переработке лунных ресурсов in-situ.

Full Text

Restricted Access

About the authors

А. А. Ким

Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН

Email: tatiana@imash.ac.ru
Russian Federation, Москва

А. М. Лысенко

Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН

Email: tatiana@imash.ac.ru
Russian Federation, Москва

Т. М. Томилина

Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН

Author for correspondence.
Email: tatiana@imash.ac.ru
Russian Federation, Москва

References

  1. Митрофанов И.Г., Зеленый Л.М. Об освоении Луны. Планы и ближайшие перспективы // Земля и Вселенная. 2019. № 4. С. 16–37. doi: 10.7868/S0044394819040029.
  2. Lin T.D., Love H., Stark D. Physical properties of concrete made with Apollo 16 lunar soil sample // 2nd Conf. On Lunar Bases & Space Activities. 1987. P. 483–487.
  3. Hashimoto A. Evaporation metamorphism in the early nebula – evaporation experiments on the melt FeO-MgO-SiO2-CaO-Al2O3 and chemical fractionations of primitive materials // Geochemical J. 1983. V. 17. Art.ID. 111.
  4. Mishulovich A., Lin T.D., Tresouthick S.W. et al. Lunar cement formulation // Kaden R.A. (ed.): SP-125: Lunar Concrete. American Concrete Institute. 1991. P. 255–264.
  5. Swint D.O., Schmidt S.R. Optimizing lunar concrete // Kaden R.A. (ed.): Lunar Concrete. American Concrete Institute. 1991. P. 41–56.
  6. Omar H.A. Production of lunar concrete using molten Sulphur // Final Research Report for JoVe NASA Grant NAG8 – 278. 1993. http://wayback.archive-it.org/1792/20100201064830/http://hdl.handle.net/ 2060/19980001900
  7. Vaniman D., Pettit D., Heiken G. Uses of lunar sulfur // NASA. Johnson Space Center, 2nd Conf. on Lunar Bases and Space Activities of the 21st Century. 1992. P. 429–435.
  8. Grugel R. N., Toutanji H. Sulfur concrete for lunar applications – sublimation concerns // Advances in Space Research. 2008. V. 41. Iss. 1. P. 103–112. doi: 10.1016/j.asr.2007.08.018
  9. Toutanji H., Glenn-Loper B., Schrayshuen B. Strength and durability performance of waterless lunar concrete // 43rd AIAA Aerospace Sciences Meeting & Exhibit AIAA. 2005. doi: 10.2514/6.2005-1436
  10. Koh S.W., Yoo J., Bernaold L.E. et al. Experimental study of waterless concrete for lunar construction // Earth & Space 2010: Engineering, Construction, and Operations in Challenging Environments. 2010. P. 1098–1102. doi: 10.1061/41096(366)102
  11. Faierson E.J., Logan K.V. Potential ISRU of lunar regolith for planetary habitation applications // Badescu V. (ed.): Moon: Prospective Energy and Material Resources. Springer. 2012. doi: 10.1007/978-3-642-27969-0_9
  12. Gualtieri T., Bandyopadhyay A. Compressive deformation of porous lunar regolith // Mater. Lett. 2015. V. 143. P. 276–278. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2014.11.153
  13. Indyk S.J., Benaroya H. A structural assessment of unrefined sintered lunar regolith simulant // Acta Astronaut. 2017. V. 140. P. 517–536. https://doi.org/10.1016/j. actaastro.2017.09.018
  14. 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.
  15. Ким А.А., Лысенко А.М., Томилина Т.М. Получение изделийиз лунного реголита с помощью аддитивных технологий // Науч. тр. 6-ой международной научно-технической конференции «Живучесть и конструкционное материаловедение» (Живком-2022). 2022. С. 151–154. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=50230062 ; https://ssms-imash.com/images/Proceedings%20ZHIVKOM-2022.pdf
  16. Томилина Т.М., Ким А.А., Лисов Д.И. и др. Лабораторные испытания селективного лазерного сплавления имитаторов лунного реголита с различными гранулометрическими свойствами // Косм. исслед. 2024. Т. 62. № 5.
  17. 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. P. 1–16. doi: 10.1177/1464420718777932
  18. 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

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Test samples from the GD 50-100 composition on a substrate fused in modes 1-9 with preset parameters P and V (Table. 1); sample sizes: 7.5×5×6 mm3.

Download (25KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Dependence of the true and volumetric density of the samples on the volumetric density of the supplied energy for the composition of HD 50-100.

Download (23KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. The dependence of the ratio of the volume density to the true density of the samples on the volume density of the supplied energy for the composition GD 50-100.

Download (21KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Dependence of the true and volumetric density of the samples on the volumetric density of the applied energy for the powder composition GD 100-140.

Download (25KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. The dependence of the ratio of volume density to the true density of samples on the volume density of the supplied energy printed from the powder composition GD 100-140.

Download (22KB)
Indexing metadata
7. 6. The dependence of the porosity of the test samples on the density of the supplied energy for powder compositions GD 50-100 and GD 100-140.

Download (25KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. View of the sample installed between the compression plates of the test installation.

Download (17KB)
Indexing metadata
9. 8. Microstructure of the surface of the test sample from the powder composition GD 100-140. The photo was taken from a TESCAN VEGA 3 XMU electron scanning microscope.

Download (36KB)
Indexing metadata
10. 9. An example of a deformation curve: the normal compressive stress of the sample depending on the deformation.

Download (12KB)
Indexing metadata
11. Fig. 10. The dependence of the compressive strength of fused samples on the volumetric energy density: the white triangle is GD 50-100; the black triangle is GD 100-140; the gray circle and the gray square are the data given in [17] and [18], respectively.

Download (23KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences