Получение боралюминиевых трубчатых элементов для несущих конструкций космических аппаратов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Получение боралюминиевых трубчатых элементов для несущих конструкций космических аппаратов

Олешко А.Ю., Цыруль В.И., Лещев Н.Е., Корзова Е.Н., Потапова Т.К., к.х.н.

Oleshko A.Y., Cirul V.I., Leschev N.E., Korzova E.N., Potapova T.K., Ph.D.

ОАО «Композит», г. Королёв, Московская область

Аннотация

Представлены результаты работ, выполненных в обеспечение расширения области применения боралюминиевых трубчатых элементов и дальнейшего развития технологии их получения. Восстановлена технологии получения боралюминиевой ленты-полуфабриката.

Ключевые слова:

Металлокомпозит, боралюминий, технологический процесс.

технология коспический ракетный промышленность

Annotation:

The baraluminium tubular elements derivation is for load-bearing structures of spacecraft

Open joint-stock company «Kompozit», Korolev, Moscow region

The results of the work performed in ensuring the extension of the scope of baraluminium tubular elements and further development of the production technology presents. The technology for baraluminium ribbon-semi-finished product restored.

Keywords:

Metalcomposite, boronaluminium, technological process.

Металлический композиционный материал на основе алюминия, армированного борным волокном, в настоящее время является одним из наиболее высокопрочных и высокомодульных конструкционных материалов, который по удельным значениям этих характеристик в 2-3 раза превосходит алюминиевые и титановые сплавы.

Наиболее эффективным в нашей стране и за рубежом оказалось применение боралюминия в виде трубчатых элементов, армированных в осевом направлении, в составе ферменных конструкций космических аппаратов (КА).

В настоящее время разрабатываются новые направления технологии изготовления ТЭ.

Технология получения боралюминия основана на горячем прессовании многослойной трубной заготовки, собранной из ленты-полуфабриката в виде упорядоченного монослоя борных волокон, скрепленных слоем алюминия.

После прекращения в стране производства ленты-полуфабриката утраченная технология восстановлена на нашем предприятии, как составная часть процесса получения ТЭ. Она включает намотку борного волокна на специальный барабан и последующее плазменное напыление сплава АМг6.

Выполнен комплекс исследований по оптимизации режимов намотки и плазменного напыления. Контрольным параметром служила прочность борного волокна. Прочностные свойства волокна в составе ленты-полуфабриката снижаются в результате термического и механического воздействия плазменной струи не более, чем на 10%.

Отработаны режимы получения ленты-полуфабриката АМг6-В трех типоразмеров: 500х1000 мм, 500х1400 мм, 700х1600 мм для более рационального ее использования при получении трубчатых элементов. Разработаны технические условия (ТУ 1798-523-56897835-2011).

На рисунке 1 показан внешний вид и микроструктура ленты-полуфабриката.

Компактирование трубной заготовки, собранной из ленты-полуфабриката, осуществляется в специальном устройстве для горячего изостатического прессования.

Внешний вид и структура материала боралюминиевых трубчатых элементов показаны на рисунке 2.

Трубчатые элементы имеют торцевые законцовки из алюминиевого сплава АМг6, соединение которых с боралюминиевой заготовкой производится диффузионной сваркой в процессе горячего прессования заготовки. Геометрические размеры законцовок и величина нахлеста с боралюминием выбираются из условия равнопрочности. Законцовки служат для обеспечения соединения трубчатых элементов в конструкции традиционными методами.

Основными объектами применения боралюминиевых ТЭ стали высоконагруженные фермы полезного груза.

Применение трубчатых элементов возможно также для ферм оптических приборов, где наряду с высокими прочностными и жесткостными характеристиками боралюминия имеет значение его достаточно высокая размерная стабильность (б =8·10^-6К^-1), у алюминия (б =24·10^-6К^-1), что помимо снижения веса конструкции обеспечивает прецезионность установки оптической аппаратуры при перепаде температур.

В составе указанных ферменных конструкций основным видом нагружения боралюминиевых трубчатых элементов является осевое сжатие-растяжение.

Проведена работа, направленная на возможное расширение области применения боралюминиевых ТЭ.

Исследована работоспособность трубчатых элементов в условиях сложного нагружения изгибающим, крутящим и при одновременном изгибающим и крутящим моментами. Испытания проводились до разрушения стержней, схема приложения крутящего и изгибающего моментов показана на рисунке 3.

Кручение - прочность материала труб на сдвиг ф_в = (120 ч 160) МПа, у алюминия ф_в = (200 ч 220) МПа

Изгиб - максимальные напряжения изгиба, возникающие в трубе при нагружении составляют (1200 ч 1500) МПа, у алюминия (320 ч 360) МПа.

При одновременном нагружении изгибающим и крутящим моментами нагрузка возрастала линейно до разрушения трубы с соблюдением соотношения М_кр./М_изг. = 1,1.

Показана их работоспособность в условиях сложного нагружения.

Проведены испытания боралюминиевых ТЭ для оценки собственной частоты поперечных колебаний и вибропрочности. Схема испытаний и внешний вид образцов, смонтированных на установкедля виброиспытаний показаны на рисунке 4.

Величина логарифмического декремента затухания колебаний элементов из боралюминия 0,45%, у алюминия (0,04%). Результаты могут быть полезны в разработке ферменных конструкций при сложном нагружении в обеспечение повышения массово-габаритных характеристик полезных грузов, выводимых на рабочие орбиты, а также использование их в качестве стоек шасси, тяг люков шасси, тяг люков топливных баков и люков бомбоотсеков летательных аппаратов.

Так же в рамках данной работы для совершенствования процесса изготовления боралюминиевых трубчатых элементов в части снижения брака (повышения выхода годной продукции), проведены исследования статистических данных технологического процесса и выявлены факторы являющие на основные показатели качества готового изделия.

В табл. 1 представлены результаты сбора и анализа статистических данных по изготовлению боралюминиевых трубчатых элементов, за период более 20 лет [3].

Таблица - 1 Виды нарушений технологического процесса

Общее количество от бракованных трубчатых элементов сотавило порядка 9,02 % от общего числа изготовленной продукции. Данное значение соответствует требованиям выхода годной продукции (0,9).

На рис. 5 представлен инструмент управления качеством «диаграмма Паретто» отображающая распределение долей по видам нарушений технологических режимов приводящих к браку [4].

Самое высокое значение (51 %) по выявлению причин брака, берет на себя падение давления во время операции - горячее прессование в результате нарушения целостности внутренней оболочки (одноразовой оснастки). Исходя из этого необходима разработка и исследование новых методов и технологий изготовления боралюминиевых трубчатых элементов, например: горячее прессование через внешнюю деформируемую оболочку.

Выводы.

1. Боралюминиевые трубчатые элементы остаются востребованными для использования в несущих конструкциях штатных КА. Объективной тенденцией является усложнение условий эксплуатации, в том числе переход к комбинированному нагружению.

2. Восстановлена технологии получения ленты-полуфабриката АМг6-В, используемой при изготовлении боралюминиевых труб. Определены оптимальные режимы обеспечивающие сохранение прочностных свойств борного волокна на уровне не менее 90% от исходного.

3. Выполнены исследования несущей способности боралюминиевых труб при одновременном нагружении изгибающим и крутящим моментами, проведены частотные и вибропрочностные испытания. Полученные результаты могут быть использованы для оценки несущей способности перспективных конструкций с применением боралюминиевых трубчатых элементов.

4. Определены факторы, являющие на основные показатели качества готового изделия и предложены пути решения выявленной причины нарушения технологического режима изготовления боралюминиевых трубчатых элементов.

Литература

1. М.Х. Шоршоров. Волокнистые композиционные материалы с металлической матрицей [Текст] / А.И. Колпашников и др. // - М., Машиностроение. - 1981. - 298 с.

2. Н. Ф. Казаков. Диффузионная сварка материалов [Текст] / - М., Машиностроение // - 1976. - 254 с.

3. Антипова Т.Н. Совершенствование управления качеством технологий получения композиционных материалов для ракетно-космической промышленности [Текст] / Лабутин А.А., Олешко А.Ю. Управление качеством технологических процессов. Монография // Королёв. - Научный консультант. - 2015. - 134 с.

4. ГОСТ Р ИСО 9001-2008. Системы менеджмента качества. Требования. [Электронный ресурс]. - Добавлено: 13.11.2009.

Размещено на Allbest.ru