Изготовление высокотемпературных антенн из тугоплавких сплавов

Одной из многих задач, которые приходится решать при разработке гиперзвукового планирующего летательного аппарата, возвращающегося в плотные слои атмосферы, является обеспечение связи. Требования к системам связи обусловливают необходимость в антеннах сантиметровых волн, способных работать в интервале температур 1100—1650° С.

При вхождении в плотные слои атмосферы Земли обшивка планирующего летательного аппарата подвергается воздействию мощного теплового потока. Равновесная температура обшивки устанавливается благодаря излучению в окружающее пространство теплоты, образовавшейся от аэродинамического нагрева. Антенны, устанавливаемые заподлицо с наружной обшивкой или теплозащитным экраном, подвергаются, как и наружные поверхности, крайне резкому температурному воздействию окружающей среды.

Из-за высокой температуры окружающей среды антенны приходится по практическим соображениям делать из тугоплавких сплавов. При выборе такого сплава руководствуются возможностью его защиты от окисления и обрабатываемостью (главным образом свариваемостью, паяемостью и т. п.). Молибденовые и ниобиевые сплавы защищают от окисления дисилицидными покрытиями. Поэтому дальнейший выбор сплава определялся его технологичностью. Весьма жесткие допуски, определяемые требованиями к электрическим параметрам антенны, обусловили необходимость использования пайки в качестве основного метода соединения. Поскольку высокотемпературная пайка привела бы к рекристаллизационному охрупчиванию молибденовых сплавов, было решено делать антенны из ниобиевых сплавов.



Выбор пайки в качестве метода соединения обусловил необходимость разработки как технологии пайки, так и припоя для антенн из ниобиевых сплавов. Поскольку температура пайки обязательно должна была быть значительно выше температуры рекристаллизации ниобиевых сплавов, с целью обеспечения минимального роста зерна представлялось целесообразным как можно больше сократить длительность нагрева в процессе пайки. Кроме того, было необходимо полностью защитить соединяемые детали от загрязнения атмосферными газами в процессе нагрева. В качестве наиболее удобного способа нагрева до температур около 1650° С, обеспечивающего его кратковременность, был выбран индукционный метод нагрева. К тому же систему индукционного нагрева легко приспособить для работы в инертной атмосфере.

Поскольку антенны имеют сложную геометрическую форму, не позволяющую осуществить ее равномерный прогрев непосредственно индуктором, пайку осуществляли в закрытой танталовой камере. Дополнительное преимущество закрытой камеры заключалось в том, что для контроля температуры можно было воспользоваться оптическими пирометрами, поскольку внутри камеры создавались условия, приблизительно соответствующие характеристикам абсолютно черного тела.

Для предварительных исследований пайки в качестве электроисточника был использован индукционный генератор мощностью 30 квт. Защита от воздействия атмосферы обеспечивалась либо созданием вакуума 10в-5 мм рт. ст., либо путем промывки системы аргоном (из емкости с жидким аргоном) 99,996 %-ной чистоты. В обоих случаях пайку осуществляли в атмосфере аргона под давлением около 508 мм рт. ст. Камерой для аргона служила викоровая труба с плоскими заглушками по концам, установленными на прокладках. Танталовая камера устанавливалась в центре трубы на танталовых салазках. Небольшое отверстие в одной из ее стенок позволяло замерять температуру пирометром.

При разработке припоя руководствовались следующими тремя основными требованиями:

1) припой должен быть как можно более легкоплавким и давать температуру вторичного расплавления не ниже 1870° С;

2) составляющие припоя не должны образовывать интерметаллических соединений с основным металлом, охрупчивающих материал зоны соединения;

3) припой должен был создавать возможность защиты паяных соединений от окисления силицидными покрытиями, наносимыми обычными технологическими приемами.

Для выполнения первого требования из элементов подгрупп IVA, VA и VIA периодической системы были составлены бинарные сплавы с температурой плавления около 1650° С. Для испытаний приготовляли дуговой плавкой небольшие слитки высокой степени чистоты. Из опилок слитков изготавливали образцы тавровых соединений и соединений внахлестку, на которых определяли такие физические и механические свойства образцов, как растекаемость припоя, заполнение шва припоем, интервал температур плавления, интервал температур вторичного расплавления, пластичность паяных швов, подверженность образованию подрезов и т. д.

Припоями, которые показали нужные свойства, были изготовлены дополнительные паяные тавровые образцы. На них наносили силицидные покрытия в псевдосжиженном слое путем восстановления тетраиодида кремния и диффузионной обработки (Boeing Disil process). Покрытые образцы подвергали испытанию на окисление в трубчатой печи в воздушном потоке малой скорости при температурах от 1315 до 1650° С. В процессе испытания достаточно жаростойкими при температурах до 1650° С оказались образцы, паянные припоем Ti — 50 Zr или Zr — 22 Nb. Основным материалом при первоначальных испытаниях служил ниобиевый сплав FS-82. Для последующих испытаний брали ниобиевый сплав D-36.

Для окончательной проверки необходимо было оценить сопротивление окислению паяных соединений с дисилицидным покрытием в условиях, воспроизводивших длительность, температуру, давление и массу потока при вхождении в плотные слои атмосферы. Для испытаний в имитаторе (Boeing re-entry simulator) условий вхождения в плотные слои атмосферы были изготовлены и защищены дисилицидным покрытием паяные соединения типа лепесток — отверстие, сделанные в сечении с уменьшенной площадью поперечного сечения образцов, сходных с образцами для испытаний на растяжение. Для создания нужной температуры в имитаторе образцы нагревали электрическим током. Заданный уровень температуры контролировали с помощью обычного оптического пирометра, а также в условиях полного излучения. В испытательной камере создавалось давление, соответствующее давлению на космический летательный аппарат при его вхождении в плотные слои атмосферы. Нужный весовой расход потока обеспечивался с помощью тарированной воздушной струи, направленной на испытываемую часть образца. На первых порах встретились трудности в связи с нагревом образца типа лепесток — отверстие, так как паяный лепесток выполнял роль охлаждающего ребра. Эти трудности были сведены к минимуму путем изолирования лепестка, но лучшие результаты обеспечивало шлифование обеих сторон образца заподлицо перед нанесением покрытия.

Было установлено, что для изготовления антенны пригодны припои Ti — 50 Zr и Zr — 22 Nb. Несколько более низкая температура плавления сплава Ti — 50 Zr определила выбор этого припоя для изготовления антенны.



Внутренние размеры антенны и допуски на них определялись параметрами электронных субсистем антенны. В некоторых случаях обеспечение заданных характеристик электронных субсистем достигалось использованием волновода переменного сечения или переменной направления. Кроме того, проектирование и изготовление усложнились необходимостью герметизации антенны. Конструкция деталей определялась требованием жесткого контроля размеров, необходимым для успешной работы электронной системы, и конфигурацией соединений, обеспечивающей структурную целостность и возможность изготовления узлов.

На фиг 3.1 показаны детали антенны, работающей в Q диапазоне (36 000—46 000 Мгц) и являющейся наиболее сложной из четырех разработанных типов антенн В антенне предусмотрен поворот на 90°, а но обеим осям поперечного сечения ее размеры меняются дважды. Эти особенности конструкции деталей антенн видны на верхней, нижней и боковых платах При изготовлении волновода там. где было возможно, использовалась L-образная конфигурация соединения. Жесткие допуски на размеры ступенек в боковых платах, а также на ширину верхней и нижней плат обеспечили хорошую самоустанавливаемость волноводного узла антенны. При разработке и изготовлении закорачивающей платы, закрывающей один из концов волновода, руководствовались этими же критериями. Самоустанавливаемость деталей антенны значительно упростила сборку антенны. Бабочкообразные вырезы в верхней плате волновода требуют чрезвычайно точного соблюдения размеров, формы и расположения. Эти вырезы делали методами электроискровой обработки. Чтобы сделать срок службы электрода больше с соблюдением жестких допусков на размеры, электрод изготовляли за две операции: большую часть металла удаляли черновым резанием, а чистовую обработку осуществляли с малой скоростью. Для обеспечения требуемой точности расположения и центровки упоминавшихся вырезов требуются сложные инструменты и приспособления.

Цилиндрические детали изготовляли путем формования трубок из листового материала с последующей сваркой, отжигом и холодной калибровкой. Формовали трубки обычными методами механической обработки. Дуговую сварку встык оплавлением производили вручную вольфрамовым электродом в герметичной сварочной камере с инертной атмосферой. Сварку можно вести и на воздухе, но с защитой сварочной ванны инертным газом, однако сваривать все же целесообразнее в герметичной камере. Когда была важна гладкость сварного шва, сваривали присадочной проволокой того же состава, что и основной металл. После сварки трубки подвергали получасовому отжигу при температуре 1205° С в глубоком вакууме (не хуже 10в-4 мм рт. ст.). Отожженные трубки подвергали калибровке внутренней калиберной пробкой, что приводило к растяжению приблизительно на 1%. Затем трубки разрезали на цилиндрические части соответствующей длины, на одном конце которых создавали механической обработкой буртик, соответствующий размеру антенного окна. Для обеспечения удовлетворительного качества силицидного покрытия требуется, чтобы все кромки и углы готовой антенны были скруглены. Поскольку скруглить острые углы и кромки у антенны в собранном виде весьма трудно, эта операция проводилась на отдельных деталях. Однако скругление кромок шва приводит к неудовлетворительному заполнению шва припоем. Поэтому важно, чтобы кромки шва не скруглялись.



Под субсборкой здесь понимаются те детали и те операции, которые относятся к паяным соединениям. Узлы, из которых состоит антенна, собираются в сборочном приспособлении. Это приспособление выполняет функцию скрепления самоустанавливающихся деталей, фиксируя в заданном положении цилиндрическую деталь и скобы. Поскольку весьма важно точно расположить цилиндрическую деталь относительно волновода и закорачивающей платы, детали приспособления изготовляли с точными допусками, а само приспособление делали достаточно массивным, чтобы не допустить коробления под действием усилий крепления. После соответствующей сборки в приспособлении детали соединяются прихваточными швами точечной сваркой. Прихваточные швы сваривали вольфрамовым электродом в герметизированной камере в атмосфере аргона. Число прихваточных швов было достаточным для надежной фиксации деталей в сборке до начала пайки. Антенну извлекали из приспособления и все швы покрывали полосками фольги припоя Ti — 50Zr шириной 3,8 мм и толщиной 0,15 мм. Крепление припойной фольги на швах достигалось прихваточной точечной сваркой сопротивлением на воздухе с использованием малогабаритной сварочной установки емкостного типа. На фиг. 3.2 показана установка фольги. Припой должен располагаться с обеих сторон соединения.

Антенну соединяли пайкой и с наружной стороной теплозащитного экрана, который образует часть наружной обшивки летательного аппарата и служит заземлением для антенны. Конструкционно теплозащитный экран был разработан с учетом обычных проектных требований, если не считать того, что он подлежал соединению с цилиндрической частью антенны. Сам экран частью антенны не являлся. Отверстие к теплозащитному экрану для крепления было отфланцовано, чтобы создать зону стыка шириной 2,5 мм, необходимую для его припайки к цилиндрической части антенны. Соединение теплозащитного экрана с этой частью антенны осуществлялось точечной контактной сваркой по верхней кромке цилиндра пригнанной заподлицо с наружной поверхностью теплозащитного экрана. V-образная канавка между цилиндрической частью антенны и криволинейной поверхностью фланца теплозащитного экрана заполняется порошком припоя, а затем покрывается кольцом из припойной фольги, которая фиксируется в установленном положении точечной сваркой.

Пайка антенны осуществляется по технологии, описанной в разделе, в котором говорилось о разработке припоя. Однако в этом случае для пайки требовалась индукционная установка мощностью 100 кет. Для обеспечения интенсивного нагрева столь крупного изделия необходима высокая концентрация энергии, в связи с чем индуктор необходимо заделать в диэлектрик, чтобы предотвратить возникновение дугового разряда. Эту заделку осуществляли следующим образом: сначала на медный индуктор методом пламенного напыления наносили окись алюминия, а затем производили заливку индуктора окисью алюминия. После отверждения на залитую окись алюминия наносили методом пламенного напыления покрытие из окиси алюминия, чтобы сделать поверхность непроницаемой. Далее индуктор, заделанный в окись алюминия, помещали в в камеру пайки и подвергали обжигу (источником тепла служил скрап, загруженный в середину индуктора) при 1760° С в вакууме до окончательного уплотнения и дегазации окиси алюминия. После дегазации индукционную обмотку целесообразно хранить в вакууме во избежание ее газонасыщения. На фиг. 3.3 показана антенна, которая установлена в камере пайки. Нагревательное устройство и другие внутренние приспособления были изготовлены из чистого тантала. Пайка осуществлялась при 1675° С. Нагрев до 1675° С осуществляли за 10 мин и 3 мин выдерживали при этой температуре. Соединения после пайки проверяли изнутри и снаружи в целях контроля за полнотой проплавления и наполнением шва. Кроме того, антенну тщательно проверяли в целях выявления грубых неровностей и нескругленных острых кромок и углов.



На паяные антенны и вспомогательные детали теплозащитного экрана наносилось дисилицидное покрытие (процесс Disil), толщина которого составляла приблизительно половину всей требуемой толщины покрытия. Антенну приходилось ориентировать в псевдосжиженном слое так, чтобы предотвратить проникновение воздуха в глухие полости деталей антенны. Такие воздушные «подушки» мешают наносить покрытие на внутреннюю поверхность антенны. Окончательную сборку паяной антенны и теплозащитного экрана производили клепкой с последующим нанесением дисилицидного покрытия.

На сборку антенны с теплозащитным экраном снова наносили дисилицидное покрытие. Как и при первоначальном нанесении покрытия, антенну нужно ориентировать в псевдосжиженном слое так, чтобы предотвратить проникновение воздуха в глухие полости антенны. Полная сборка показана на фиг. 3.4.

Окончательной операцией по сборке антенны была установка диэлектрического «окна» заподлицо с наружной поверхностью теплозащитного экрана. Для создания радиального зазора 0,25 мм окно растачивали и лишь с внутренней стороны антенны оставляли узкую перемычку. Антенну «окном» направляли на ее диэлектрическую часть и затем соединяли с вакуумной системой посредством фланца волновода. Утечку воздуха через «окно» определяли с помощью пузырьковой колбы. «Окна» герметизировали особым клеем (Sauereisen Cement № 76) вибрационным уплотнением до полного устранения пузырей в пузырьковой колбе. Вибратор был снабжен тефлоновым наконечником. Избыток клея тщательно удаляли влажной марлей, после чего антенну сушили сутки при 32° С. После сушки антенна снова проверялась на герметичность.



Кратко описана разработка паяных антенн из ниобиевого сплава для работы при очень высоких температурах, а также рассмотрены предварительные результаты исследования процесса пайки, при котором особое внимание уделялось процессу изготовления антенны. Более подробно описана конструкция антенны и указана последовательность технологических операций по ее изготовлению. Обсуждены некоторые подробности пайки. В заключение кратко описаны процесс нанесения на субсборку и сборку антенны стойкого к окислению силицидного покрытия и процесс установки герметичного диэлектрического «окна».

Наиболее важные стороны этой работы можно сформулировать следующим образом:

1) выбор индукционной пайки в инертной атмосфере в качестве метода соединения;

2) выбор сплава Ti — 50Zr в качестве припоя, так как он удовлетворяет трем конкретным требованиям (легкоплавкость и высокая температура вторичного расплавления, пластичность паяного шва и нужное сопротивление окислению, достигаемое нанесением дисилицидного покрытия);

3) использование точно обработанных L-образных деталей для облегчения самоустановки;

4) разработка камеры пайки на 100 квт для одновременной пайки деталей антенны и теплозащитного экрана;

5) правильное расположение антенны и теплозащитного экрана в сборке в процессе двух циклов нанесения покрытия для обеспечения непрерывного однородного покрытия внутренней поверхности;

6) установка диэлектрического «окна» с использованием керамического цемента для обеспечения герметичности соединения.