PERFECTION OF TECHNOLOGY OF APPLICATION OF SHEETINGS ON FRAMES OF SC BY MICROARC OXIDATION

Texto integral

Для обеспечения функционирования космического аппарата (КА) в течение всего срока активного суще- ствования (САС) необходимо, чтобы деградация ряда параметров аппаратуры и систем в процессе эксплуа- тации не приводила к нарушению его целевого ис- пользования. Ужесточение требований по массе, энерговоору- женности и повышение требований к ресурсу и на- дежности КА приводят к уплотнению его компоно- вочной схемы. Как следствие, возрастает эрозионное воздействие стационарных плазменных двигателей (СПД), используемых в качестве двигателей коррек- ции, на материалы элементов конструкции КА. Обо- стрение конкуренции на рынке космической техники вызывает необходимость в разработке новых и мо- дернизации существующих защитных покрытий с требуемыми характеристиками. Эрозионное воздействие плазменных струй СПД, заключающееся в уносе материала конструкции в ре- зультате длительной бомбардировки ионами газа, приводит к загрязнению внешних поверхностей КА продуктами распыления. Основной характеристикой данного вида воздействия является глубина эрозии, т. е. толщина распыленного слоя. Предварительная оценка эрозионно-загрязняю- щего воздействия плазмы, генерируемой стационар- ными плазменными двигателями, на поверхности па- нелей солнечных батарей и терморегулирующих по- крытий (ТРП) радиатора системы терморегулирова- ния (СТР) КА показала, что данное воздействие мо- жет существенно дестабилизировать функционирова- ние КА [1]. Предварительная оценка уровня эрозии углепла- стика КМУ-4, из которого изготовлены штанги и кар- кас БС, составляет от 103,5 до 827,6 мкм при длитель- ности работы СПД 4 500 ч. Максимальный уровень загрязнения терморегулирующего покрытия радиатора СТР продуктами эрозии панелей БС – 1,5⋅10–3 г/см2. Полученное значение деградации коэффициента по- глощения покрытием солнечной радиации ∆AS вслед- ствие загрязнения продуктами эрозии панелей БС, равное 0,12, недопустимо высоко (допускаемое зна- чение деградации коэффициента поглощения ∆AS терморегулирующего покрытия радиатора СТР плат- формы «Экспресс-1000H» от воздействия всех факто- ров составляет 0,16). Еще одно негативное воздействие плазменных струй СПД проявляется в эрозии электропроводящего слоя (ПЭП) на терморегулирующих покрытиях КА, что приводит к накоплению статического заряда и возникновению электропробоев на поверхности КА. При этом решить проблему эрозионного воздейст- вия плазмы СПД на материалы элементов конструк- ции КА с помощью разуплотнения компоновочной схемы КА невозможно в связи с ужесточением требо- ваний по массе и энерговооруженности КА. Таким образом, с целью повышения качества изго- товления изделий космической техники необходимы разработка и применение на критичных поверхностях КА покрытий с повышенной стойкостью к эрозион- ному воздействию плазмы СПД. Предварительный анализ показал, что к вещест- вам, обладающим наибольшей стойкостью к воздей- ствию струи плазмы инертных газов (аргона, ксено- на), относится оксид алюминия (AL2O3). Оценочные расчеты показывают, что необходимая толщина защитного покрытия из AL2O3 должна быть не менее 33 мкм. В данной работе предлагается защищать элементы конструкции КА, попадающие под действие плазмы СПД, тонкой (до 100 мкм) алюминиевой фольгой с антиэрозионным покрытием из оксида алюминия, нанесенного микродуговым оксидированием (МДО), что приемлемо и по весовым характеристикам [2–4]. Исследования проводились на установке ИАТ-Т, источник питания которой позволяет осуществлять независимую регулировку анодной и катодной со- ставляющих тока и одновременно стабилизировать средние величины этих токов, что существенно уп- рощает проведение процесса МДО и ведет к улучше- нию качества получаемых покрытий. Источник имеет следующие технические характеристики: диапазон регулируемых напряжений (0…800) В; диапазон ре- гулируемых токов (0…120) А/дм2; погрешность ста- билизации тока до 5 %. В качестве подложки использовались образцы фольги АД размерами 160×130 мм и толщиной 100 мкм. Микродуговое оксидирование образцов про- водили в слабощелочных водных электролитах раз- личных составов. Покрытия формировали при соотношениях Iк/Iа от 0,6 до 1,4, плотностях тока в диапазоне от 10 до 40 А/дм2, в течение 10…60 мин. Толщину покрытий 134 Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева контролировали толщиномером ТТ260 и на попереч- ных шлифах при помощи оптического микроскопа. Микроструктуру защитного покрытия, нанесенного МДО, изучали с использованием металлографическо- го исследовательского комплекса SIAM на базе опти- ческого микроскопа ЛабоМет И2. С ростом плотности тока наблюдается увеличение твердости оксидного слоя защитных покрытий, это происходит за счет повышения содержания модифи- кации α-Аl2О3 в покрытии, что подтверждают иссле- дования фазовых составляющих покрытия. Увеличе- ние катодной составляющей тока приводит к увели- чению твердости покрытия и снижению его толщины, это объясняется повышением температуры в канале пробоя. При уменьшении соотношения Iк/Iа до 1 и бо- лее микротвердость покрытия снижается, а толщина увеличивается. Выявлено, что оптимальными режимами получе- ния защитных покрытий являются режимы обработки при высоких плотностях тока (более 20 А/дм2) и соот- ношении анодной и катодной составляющей тока ме- нее 1. Оптимальное время обработки от 30 до 45 мин. Для проведения испытаний защитных покрытий на воздействие факторов хранения и эксплуатации были изготовлены образцы защитного покрытия из алюми- ниевой фольги АД по ГОСТ 4784–74 с МДО поверх- ности размером не менее 100×100 мм. Защитные покрытия подверглись следующим ви- дам испытаний: – цикличному сгибанию на диаметре 20 мм; – ускоренным климатическим испытаниям (УКИ); – радиационному воздействию; – термоциклированию. Перед УКИ образцы защитных покрытий были подвергнуты циклическому сгибанию по боковой по- верхности цилиндра диаметром 20 мм и последую- щему разгибанию в плоскость. Количество циклов 50. Внешний вид покрытий после воздействия не изме- нился. Измерение терморадиационных коэффициентов поглощения солнечной радиации As и степени черно- ты En проводилось в соответствии с ОСТ92-0909–69. Измерение коэффициента Аs проводилось фотометром ФМ-59М, коэффициента Еn – терморадиометором ТРМ-И. В качестве образца сравнения при измерении коэффициента Аs защитного покрытия с МДО исполь- зовали образец АД с анодным оксидированием, Аs = 0,47. Измерение поверхностного сопротивления прово- дилось на тераомметре Е6-13А с использованием электрода из резины, обернутого оловянной фольгой. Толщина фольги 0,02 мм. Площадь электрода 20×20 мм. Давление на образец при измерении 100 г/см2, напряжение 100В. Погрешность измерения не более 5 %. Осмотр внешнего вида образцов проводился визу- ально. При этом контролировалось наличие трещин, отслоений покрытия, сохранение цвета. Результаты измерения характеристик образцов показали, что As образцов с покрытием равно 0,53…0,36 и зависит от режимов обработки, En – 0,8…0,33. Отношение As/En составляет более 0,5, что соответствует требованиям, предъявляемым к мате- риалам для КА. Сопротивление поверхности составляет 7,1·107…8,6·107,1 Ом/ϒ. Величина поверхностного электрического сопротивления после испытаний не- значительно увеличилась на отдельных образцах. Внешний вид образцов после испытаний не изменил- ся. Испытания на радиационное воздействие прово- дились на электронном ускорителе ЭЛУ-4 в НИИ ин- троскопии. Образцы облучались электронами в среде азота до поглощенной дозы 6·108 рад. Средняя энер- гия электронов в плоскости размещения образцов – 4 МэВ, средняя плотность потока электронов 4,2·1010 см–2с–1. Испытание на воздействие термоциклов проводи- лось в вакуумной камере УКГ-1000 при остаточном давлении не более 5·10–6 мм рт. ст. Образцы распола- гались на термостоле, сверху закрывались ЭВТИ. На- грев и охлаждение осуществлялись за счет теплового контакта и радиационного излучения с поверхности термостола. Нагрев термостола осуществлялся лам- пами типа КГ-127-1000, а охлаждение – жидким азо- том. Скорость нагрева-охлаждения составляла от 5 до 10 градусов в минуту. Излучение от ламп на поверх- ность образцов не попадало. Температура контроли- ровалась с помощью датчиков типа «термометры пла- тиновые ТП 018-03». Выдержка при крайних темпе- ратурах в течение 10 мин. Термоциклирование прово- дилось в диапазоне температур от –150 до +170 ºС в количестве 100 циклов. Образцы защитных покрытий из алюминиевой фольги АД по ГОСТ 4784–74 с оксидным слоем, на- несенным МДО, выдержали испытания на воздейст- вие радиации дозой 6·108 рад и последующее воздей- ствие 100 термоциклов в вакууме в диапазоне темпе- ратур от –150 до 170 °С. Для испытания МДО покрытия на стойкость к воздействию плазмы отделом материаловедения ОАО «ИСС» была разработана испытательная установка имитационной аргоновой плазмы на базе вакуумной камеры «Булат», которая позволяет сравнивать харак- теристики стойкости материалов к воздействию плаз- мы, и на этой основе получать предварительную оценку распыления материалов, выбирать из них наи- более стойкие и рекомендовать их на КА. При прове- дении испытаний сравнивали стойкость трех мате- риалов: алюминиевой фольги (алюминий покрывает большинство поверхностей КА,) полиимидной пленки (которая в настоящее время используется в качестве защитного покрытия от воздействия плазмы СПД) и алюминиевых образцов с МДО-покрытием (табл. 1). Из каждого материала были изготовлены по 4 об- разца размером 30 × 30 мм, которые укладывались в зоне облучения в шахматном порядке (см. рисунок). 135 Технологические процессы и материалы Режимы микродуговой обработки и толщина покрытий Таблица 1 6 6 12 Подложка с образцами после воздействия плазмы Режимы испытания в камере «Булат»: ток на ка- тушке соленоида – 2,5 А, напряжение на аноде – в переделах 800 В, ток разряда – 15 мА. Расчетное зна- чение плотности теплового потока, создаваемого плазменной струей ионного источника, составило 0,008 Вт/см2. Расстояние от столика с образцами до генератора плазмы равно 150 мм. Угол падения ионов на поверхности образцов – около 90°. Длительность обработки – 60 мин. До и после воздействия пучком ионов на образцы производилось взвешивание образцов на прецизион- ных электронных весах HR-202, а также измерение толщины контактным способом с использованием многооборотного индикатора (табл. 2, 3). Толщину образцов измерили в нескольких точках, затем вы- числяли среднее значение. Процентное значение из- менения массы образца в результате распыления плазмой рассчитывали по формуле М до − М после ΔМ = ⋅100 % , М до где Мдо – масса образца покрытия до испытаний, г; Мпосле – масса образца покрытия после испытания, г. После воздействия плазмы у образцов алюминие- вой фольги с микродуговым оксидированием поверх- ности внешний вид остался без изменений. Макси- мально изменились масса и толщина у образцов по- лиимидной пленки. Образцы МДО потеряли массу большую, чем образцы алюминиевой фольги, что можно объяснить некоторой гигроскопичностью МДО-покрытий. Толщина покрытий практически не изменилась. Исследования показали, что покрытия, полученные методом МДО, могут быть использованы в качестве защитных покрытий на КА. Изменение массы образцов до и после испытания Таблица 2 ОбразцыМасса образцов, гИзменение, г (Мдо – Мпосле)ΔМ, % ОбразцыМдоМпослеИзменение, г (Мдо – Мпосле)ΔМ, % ПМ10,228 370,226 790,001 580,692 ПМ20,231 800,230 210,001 590,686 ПМ30,238 600,237 130,001 470,616 ПМ40,230 800,229 510,001 290,559 Среднее значение0,001 480,638 МДО10,427 910,427 280,000 630,147 МДО20,428 080,427 510,000 570,133 МДО30,467 580,466 830,000750,160 МДО40,451 920,450 720,000 1200,265 Среднее значение0,000 790,177 АД110,419 360,419 040,000 320,076 АД120,421 350,421 040,000 310,073 АД130,423 580,423 290,000 290,068 АД140,425 820,425 520,000 300,070 Среднее значение0,000 310,072 Изменение толщины образцов до и после испытания Таблица 3 ОбразцыТолщина образцов, ммИзменение (Тдо – Тпосле), мм ОбразцыТдоТпослеИзменение (Тдо – Тпосле), мм ПМ10,0970,0960,001 ПМ20,1050,0980,007 ПМ30,1030,0990,004 ПМ40,1000,0,970,003 Среднее значение0,003 75 МДО10,1000,0990,001 МДО20,1000,0990,001 МДО30,1250,1250 МДО40,1110,1100,001 Среднее значение0,000 75 АД110,0960,0950,001 АД120,0960,0950,001 АД130,0960,0920,004 АД140,0960,0940,002 Среднее значение0,002

Sobre autores

A. Mikheev

A. Girn

V. Khartov

Е. Vakhteev

I. Evkin

Bibliografia

Arquivos suplementares