27.03.2020
Один из самых популярных видов по типу установки – это подвесная раковина. Она монтируется прямо к стене при помощи специальных...


27.03.2020
Деревянные дома часто повреждаются от повышенной влажности, поэтому домовладельцы вынуждены иногда ремонтировать фундамент здания....


26.03.2020
Полноценную жизнь современного человека уже невозможно представить без использования гаджетов. Ноутбуки и смартфоны, планшеты и...


25.03.2020
Сегодня колодцы — это самый распространенный источник воды в загородном водоснабжении дачных участков и частных домов. А чтобы...


25.03.2020
В последнее время жители крупных городов начали менять свое отношение к гламуру. В моду пришло спокойствие, размеренность,...


25.03.2020
Русский язык не зря называют богатым – в нем более двухсот тысяч слов. Однако среднестатистический россиянин активно использует в...


Достижения в области покрытий для тугоплавкой фольги

15.11.2019

Введение


Для создания крупногабаритного космического летательного аппарата многократного использования нужны такие материалы и такая технология производства, которые намного превосходят существующие. В этих целях сейчас широко проводятся исследования по оценке существующих процессов нанесения покрытий на фольгу и способов ее соединения при изготовлении корпусов космических летательных аппаратов. По результатам этих исследований будут установлены недостатки существующих методов защиты и технологии соединения, а также направления новых исследований.

Для оценочных исследований были выбраны тугоплавкие сплавы, поскольку от обшивки таких кораблей требуется достаточная жаропрочность. Фольгу же выбрали для исследования потому, что только из нее можно сделать достаточно жесткие сотовые или рифленые конструкции с малой величиной отношения веса корпуса к стартовому весу ракеты.

Обшивка из тугоплавкой фольги, нагревающаяся при входе в плотные слои атмосферы до температур выше 1100° С, способна излучать большое количество поглощенной энергии, уменьшая необходимость в применении съемных теплозащитных абляционных экранов или наружной керамической теплоизоляции. Обшивку из тугоплавкой фольги предполагается ставить на участках космического летательного аппарата вне зоны торможения, где интенсивность равновесных тепловых потоков не превышает 100 ккал/(м2*сек).

До исследований по нанесению покрытий на фольгу никаких данных о возможности защиты от окисления тугоплавкой фольги толщиной 0,15 мм по сути дела не было. Поэтому первой задачей исследований было выявление осуществимости такого процесса. Следующая задача сводилась к выбору таких покрытий, которые оправдали бы дальнейшие исследования. По утверждениям фирм-поставщиков на фольгу из тугоплавких металлов удается наносить доброкачественные покрытия. Это требовалось проверить и попутно уточнить технологию нанесения покрытий на тугоплавкую фольгу.

Экспериментальная часть


На основе рабочих характеристик различных сочетаний покрытие — тугоплавкий сплав, определенных при оценочных испытаниях, были отобраны по четыре поставщика покрытий для каждого из сплавов В66 и TZM, которые были отобраны для заключительных испытаний. Данные об условных названиях покрытий и фирмах-поставщиках приведены в табл. 30.1.

Окончательные оценочные испытания включали испытания на циклическое окисление в печи при температурах 980, 1150, 1290, 1370° С, испытания в плазменной струе низкого давления при давлении 5 мм рт. ст., определение порога хрупкости, изучение диффузии при 1290 и 1370° С, испытания на ползучесть при 1095 и 1370° С и испытания на сопротивление усталости при комнатной температуре.

По разнообразным результатам заключительных оценочных испытаний приходилось определять соответствие покрытий требованиям, предъявляемым к ним в той или иной конструкции. В настоящее время из фольги делают в первую очередь только наружные теплозащитные панели, тогда как применение фольги в качестве конструкционного материала не является обязательным требованием. Таким образом, может показаться, что покрытиям, показавшим лучшее высокотемпературное сопротивление окислению, нужно отдавать предпочтение по сравнению с покрытиями, обладающими лучшими механическими свойствами. Однако это предположение не имеет под собой веских доводов, так как утрата пластичности материалом из-за нанесения покрытия могла бы привести к хрупкому разрушению фольги, сведя на нет все преимущества, даваемые стойкостью к высокотемпературному окислению, в частности при использовании в теплозащитных панелях возвращаемого космического летательного аппарата. Поэтому разработка критериев оценки рабочих характеристик должна основываться на результатах изучения всех механических свойств с учетом их изменения вследствие нанесения покрытия, придавая должный вес Назначению фольги в конструкции.

В первой фазе анализа результатов считалось, что оценку целесообразно производить, беря постоянные (силицидные) покрытия и сравнивая показатели для разных сплавов (табл. 30.2). Покрытия на основе алюминия из сопоставления были исключены из-за необычности их рабочих характеристик.

Силицидные покрытия на фольге из сплавов В66 и TZM дали во многом (привес покрытия, убыль веса подложки в процессе нанесения покрытия, изменение твердости подложки и срок службы при высокотемпературном окислении) одинаковые показатели, хотя по сопротивлению высокотемпературному окислению показатели у от дельных покрытий были на сплаве В66 устойчивее. Графически результаты испытаний на циклическое окисление в печи при температуре 1370° С представлены на фиг. 30.1.

Главным различием были неодинаковые механические свойства (прочность при растяжении, усталость, ползучесть), неодинаковый порог хрупкости и разная скорость диффузии. Сплав TZM с покрытием оказался при всех испытаниях гораздо прочнее сплава В66 с покрытием. Число циклов до разрушения при испытаниях на усталость при комнатной температуре и сопротивление ползучести при 1095 и 1370° С были для сплава TZM в два раза выше, чем у сплава В66. О степени влияния покрытия на усталостную прочность сплавов В66 и TZM можно судить по фиг. 30.2 и 30.3.

При испытаниях на растяжение разница была выражена менее резко. При испытаниях на усталость при комнатной температуре и при определении механических свойств образцы сплава TZM всегда разрушались хрупко, а образцы сплава В66 — вязко, свидетельствуя о большей чувствительности к надрезу сплава TZM с покрытием. При испытаниях на ползучесть при 1095 и 1370° С образцы сплава TZM были гораздо чувствительнее к скорости деформации, чем образцы сплава В66, разрушаясь при высоких скоростях деформации почти без всякого удлинения.

По порогу хрупкости сплав В66 был явно лучше, особенно после выдержки при высоких температурах. Эта температура, определявшаяся по результатам испытаний на загиб, была равна от -140 до -73° С для сплава В66 с покрытием, тогда как для сплава TZM порог хрупкости приблизительно совпадал с комнатной температурой. Хотя разность между минимальной и максимальной скоростями диффузии была для данных сплавов (см. табл. 30.2) весьма незначительной, все же средняя скорость диффузии была в сплаве В66 гораздо ниже, чем в сплаве TZM. Составные фотографии микроструктуры (фиг. 30.4) ясно иллюстрируют влияние диффузии покрытия на убыль подложки по сечению.

Значительное влияние диффузии наблюдалось при высокотемпературных испытаниях на ползучесть. На фиг. 30.5 приведены значения времени в часах до получения 5%-ной деформации ползучести для фольги сплава В66 с покрытиями А и Б (см. табл. 30.1) и без покрытия. При малых значениях этого времени (менее 18 мин) результаты испытаний образцов с покрытиями и без покрытия одинаковы. При больших же значениях диффузия начинает играть значительную роль, так что кривые напряжение — время идут для сплава с покрытием гораздо круче. Наклон кривой возрастает и с уменьшением толщины подложки.

Из всех испытаний предварительное нагружение покрытия при комнатной температуре для создания, в нем дефектов и последующее испытание на циклическое окисление в печи были наиболее эффективными путями раздельного определения рабочих характеристик покрытия и подложки. Особенно примечательно было то, что сплав TZM с покрытием в предварительно напряженном состоянии показал весьма плохие рабочие характеристики, а ряд систем покрытий на ниобиевых сплавах дал отличные показатели. При окислении предварительно напряженного покрытия E (системы Al—Sn) получились лучшие рабочие характеристики по сравнению с другими покрытиями на сплаве TZM, но по сроку службы до разрушения от окисления оно уступало силицидным покрытиям.

После полной оценки сплавов В66 и TZM с покрытиями выяснилось, что по своей важности сами характеристики нужно расположить в следующей очередности: порог хрупкости, характер разрушения и сопротивление окислению предварительно напряженного образца (остальные характеристики оказались по своему значению равноценными). Высокий порог хрупкости сплава TZM с покрытием — достаточный повод, чтобы исключить применение этого сплава в возвращаемых космических летательных аппаратах, если детали из этого сплава не менять после каждого запуска. Вероятность катастрофического хрупкого разрушения этого сплава весьма высока. Менее прочный сплав В66 более надежен для изготовления теплозащитных панелей возвращаемых космических летательных аппаратов.

Сплав В66


Отдельные характеристики разных покрытий на фольге из сплава В66 сопоставляются в табл. 30.3. Разные покрытия на этом сплаве различаются но следующим свойствам: привесу покрытия, удлинению при испытаниях на растяжение, сопротивлению окисления у нормальных и предварительно напряженных образцов, порогу хрупкости, сопротивлению ползучести, удлинению до разрушения при испытаниях на ползучесть, скорости диффузии. Другие показатели для разных покрытий были довольно одинаковыми и при выборе оптимального покрытия большой роли не играли. Из четырех испытанных покрытий покрытие А устойчиво давало наилучшие характеристики и по всем показателям, кроме удлинения при растяжении и привеса. По сроку службы до разрушения и надежности в условиях окисления покрытие А как в предварительно напряженном (при температуре 1290° С и выше), так и нормальном состояниях в 2—4 раза превосходило другие покрытия. Единственным существенным недостатком этого покрытия было гораздо меньшее удлинение при испытаниях на растяжение при комнатной температуре, чем у других покрытий. Однако пластичность при испытаниях на загиб и порог хрупкости у покрытия А были лучше, чем у всех других покрытий. Результаты испытаний на ползучесть при 1095 и 1370° С показали, что все четыре покрытия на сплаве В66 выдерживают деформацию ползучести, значительно превосходящую расчетную, сохраняя в то же время свои защитные свойства.


На втором месте идет покрытие Б (марки Durak КА) с меньшим сроком службы в условиях окисления и более высоким порогом хрупкости, чем у покрытия А, но с гораздо более лучшим, чем у последнего, удлинением при испытаниях на растяжение при комнатной температуре. Скорость диффузии для этого покрытия тоже получилась низкой. Хотя по сопротивлению окислению покрытие Б значительно уступало покрытию А, срок его службы до разрушения очень мало менялся с переходом от одного образца к другому, свидетельствуя о том, что фирма-поставщик осуществляет контроль за технологическим процессом.

Покрытия В и Г пока нельзя признать пригодными для противоокислительной защиты конструкций из фольги. Покрытие Г характеризуется весьма малым сроком службы при температурах выше 1150° С, большой скоростью диффузии в подложку и плохой воспроизводимостью значений порога хрупкости для разных образцов и партий фольги. Однако по механическим свойствам при комнатной температуре покрытия В превосходили все другие покрытия. Покрытие В на фольге из сплава В66 надо признать перспективным, но разброс всех показателей при испытаниях на окисление свидетельствует об отсутствии в настоящее время надлежащего контроля за технологическим процессом нанесения этого покрытия. Самым важным недостатком этого покрытия пока являются тонкие поры.

Сплав TZM


Такие же результаты дали испытания всех покрытий на фольге из сплава TZM (обобщенные в табл. 30.4); одно покрытие мало отличается от другого. По сочетанию механических свойств и сроку службы при окислении несколько выделялись покрытия ЗIII и ЖIV. Способность покрытия Ж выдерживать большую деформацию до разрушения при испытаниях на ползучесть и его сопротивление окислению в предварительно напряженном состоянии заставляют отдать ему некоторое предпочтение. На третье место надо поставить покрытие E — единственное покрытие, вязко разрушающееся при испытаниях на растяжение при комнатной температуре и показавшее самый низкий порог хрупкости. Однако для кратковременной службы (например, до 10 час) это покрытие на сплаве TZM надо поставить на первое место из-за низкого порога хрупкости, вязкости разрушения при испытаниях на прочность и усталость и сопротивления окислению в предварительно напряженном состоянии. Покрытие Д стоит на четвертом месте в первую очередь из-за плохой стойкости к окислению при высоких температурах и низкого относительного удлинения при испытаниях на растяжение при комнатной температуре. Однако по потенциальным возможностям это покрытие при дополнительном контроле технологического процесса по меньше мере равноценно другим силицидным покрытиям и, вероятно, даже стоит несколько выше их благодаря превосходству по порогу хрупкости.


Исследования позволяют сделать два важных вывода. Во-первых, на фольгу из тугоплавких сплавов можно наносить покрытия. Во-вторых, нанесение покрытия приводит к значительному снижению механических свойств. Сопротивление фольги с покрытием окислению в общем случае хуже, чем у полуфабрикатов большей толщины, но степень ухудшения рабочих характеристик во многом зависит от системы покрытия. Для использования в возвращаемых космических летательных аппаратах пригоднее всего фольга из ниобиевых сплавов, что обусловлено в первую очередь ее высокими рабочими характеристиками после повреждения покрытия и более низкими скоростями диффузии.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна