14.08.2020
Квартира в новостройке – это отличная возможность приобрести собственное жилье, в котором никто еще не жил. При этом следует...


14.08.2020
Дымоход — это важная и одна из основных составляющих каминов, печей и котлов, вне зависимости от их назначения. Если правильно...


14.08.2020
Огромной популярностью среди потребителей пользуются полипропиленовые трубы, благодаря своим высоким техническим характеристикам,...


14.08.2020
Многие пользователи социальной сети инстаграмм видели, что огромное количество подписчиков и лайков может быть даже у аккаунтов,...


14.08.2020
Деревянный дом – уютное, экологичное и красивое жилье. Тепло древесина удерживает хорошо. На тридцать-сорок процентов снижаются...


14.08.2020
Радиаторы нагревают пространство в помещении, и это всегда видимая часть системы, причём, чем более она открыта, тем эффективнее...


Изготовление высокотемпературных антенн из тугоплавких сплавов

15.11.2019

Введение


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.

Предварительные исследования


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.

Конструкция антенны и ее изготовление


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.

Субсборка


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.

Покрытие и отделка сборки


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.

Заключение


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.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2020
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна