CC BY
14УДК 629.7.054.847
ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ПОКРЫТИЯ, ПОЛУЧЕННОГО МЕТОДОМ МИКРОДУГОВОГО ОКСИДИРОВАНИЯ, НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ ДВИГАТЕЛЯ-МАХОВИКА
А. А. Васильцов, В. В. Соловьев
АО «Научно-производственный центр «Полюс» Российская Федерация, 634050, г. Томск, просп. Кирова, 56в E-mail: [email protected]
Предлагается способ улучшения физико-механических параметров конструктивных элементов двигателя-маховика с помощью покрытия, нанесенного методом микродугового оксидирования.
Ключевые слова: двигатель-маховик, покрытие, оксидирование, прочность, жесткость.
RESEARCH OF MICROARC OXIDATION METHOD COVERING INFLUENCE ON THE ENGINE-FLYWHEEL DESIGN ELEMENTS OF PHYSICOMECHANICAL PROPERTIES
A. A. Vasiltsov, V. V. Solovjev
^С "Scientific & Industrial СеШхе "Polyus" 56v, Kirov Av., Tomsk, 634050, Russian Federation E-mail: [email protected]
This article proposes a method of engine-flywheel constructive elements of physicomechanical parameter improvement by means of an oxidation microarc covering method.
Keywords: the engine-flywheel, covering, oxidation, durability, harshness.
При проектировании исполнительных органов систем ориентации космических аппаратов встает вопрос о минимизации их массогабаритных параметров и улучшении эксплуатационных характеристик. Как правило, это достигается путем утончения элементов конструкции прибора, введением дополнительных облегчающих отверстий, пазов, выточек на поверхностях, применением новых материалов и покрытий [1]. Однако уменьшение массы и толщины неизбежно сказывается на жесткостных и прочностных характеристиках конструкции [2]. В данной работе исследован способ улучшения этих характеристик за счет нанесения на элементы конструкции двигателя-маховика нанокристаллического неметаллического неорганического покрытия методом микродугового оксидирования [3].
Такое оксидное покрытие состоит из кристаллов неметаллических неорганических соединений, размеры которых по одному или нескольким измерениям находятся в нанодиапазоне. Получают его из окисленных форм элементов металла и составляющих электролита в специально создаваемых условиях, в которых вследствие высокой напряженности электрического поля на границе раздела основного металла и электролита возникают микроплазменные разряды.
Покрытия в зависимости от их функциональных свойств предназначены для обеспечения:
- коррозионной стойкости изделий;
- защитно-декоративных свойств их поверхностей;
- стойкости к механическому износу;
- стойкости деталей и узлов, работающих в условиях высоких температур (до 400 °С) и термоциклических нагрузок;
- электроизоляционных свойств поверхностей;
- светопоглощающих свойств изделий.
Основные диапазоны значений показателей покрытий приведены в табл. 1.
Для проведения исследований физико-механических свойств покрытия был выбран кожух двигателя-маховика как наиболее нагруженный и подверженный внешним факторам (температура, влажность) элемент, так как при наземных автономных испытаниях отдельно и в составе космического аппарата, а также при штатной эксплуатации он подвергается внешнему давлению окружающей среды в широком диапазоне от 1100 гПа до 1,33-Ю"8 Па (см. рисунок).
Были отобраны три кожуха, изготовленные из листа алюминиевого сплава АМцМ толщиной 1,5 мм и твердостью 80-85 НВ. На них методом микродугового оксидирования было нанесено покрытие толщиной 5, 10 и 15 мкм.
После нанесения покрытия, внешним осмотром было отмечено улучшение состояния поверхности кожуха (отсутствие разводов, равномерность покрытия).
Далее определялся уровень остаточного газоотделения. Суммарный уровень газоотделения трех двигателей-маховиков по конструкторской документации составляет 2,25 мм рт. ст., для трех кожухов он равен 0,235 мм рт. ст. Затем проведены испытания на прочность по технологии, принятой на предприятии. Допустимый предел устойчивости к внешнему давлению
Наноматериалы и нанотехнологии в аэрокосмической отрасли
составил 6,86-104 Па. Результаты исследования приведены в табл. 2.
Из табл. 2 следует, что увеличение толщины покрытия до 15 мкм позволяет добиться увеличения критического давления почти в два раза при меньшей толщине кожуха, уменьшив тем самым массу двига-
теля-маховика. Помимо этого, качество и внешний вид поверхности кожуха после нанесения оксидного нанокристаллического покрытия дает возможность исключить из технологического процесса нанесение дополнительного защитного и декоративного лакокрасочного покрытия.
Схема распределения внешнего давления на кожух двигателя-маховика: 1 - подшипниковая опора; 2 - электродвигатель, 3 - кожух, 4 - ротор-маховик; 5 - корпус; Р - направление действия внешнего давления воздуха на кожух
Таблица 1
Диапазоны значений показателей нанокристаллических неметаллических неорганических покрытий, полученных методом микродугового оксидирования
Тип (функциональные свойства) покрытия Диапазон значений для показателей качества покрытий
Толщина, мкм Шероховатость, мкм Пористость, число пор, % Абразивный износ по методу Табера, индекс убыли массы, мг/1000 циклов Термостойкость при термоциклических испытаниях (температура 280 °С), число циклов Твердость по Вик-керсу, НУ Коэффициент трения Удельное объемное электрическое сопротивление, Ом-м
Подслой 3...20 Яа = 0,3.2,5 Я2 = 5,0.15,0 1.60 От 60 до 10 90.100 30.100 0,01.0,9 10.5000
Корозионно-стойкое 10...100 Яа = 0,5.6,0 Я2 = 6,0.40,0 1.25 От 120 до 15 100.500 0,04.0,6
Электроизоляционное 20.200 От 120 до 20 10.109
Износостойкое 20.200 От 120 до 7 500.2200 0,04.0,7 10.5000
Термостойкое 30.200 500.800
Твердое 20.200 1000.2200
Декоративное 15.100 От 120 до 10 4.100 500.2200
Таблица 2
Результаты исследования
Параметры Значения
№ кожуха 1 2 3
Толщина оксидного покрытия, мкм 5 10 15
Твердость до нанесения покрытия, НВ 80-85
Твердость после нанесения покрытия, НВ 90 95 100
Критическое давление, Па 6,86104 9,31-104 13,23-104
Суммарный уровень газоотделения, мм рт. ст. 0,235
Библиографические ссылки
1. Гладышев Г. Н., Дмитриев В. С., Копытов В. И. Системы управления космическими аппаратами (Исполнительные органы: назначение, принцип действия, схемы, конструкция) : учеб. пособие. Томск : Изд-во ТПУ, 2000. 207 с.
2. Влияние жесткости силовых элементов конструкции на величину критической скорости исполнительного органа на базе управляемого по скорости двигателя-маховика / Ю. А. Бритова [и др.] // Контроль. Диагностика. 2012. № 11. С. 24-27.
3. ГОСТ Р 9.318-2013. Единая система защиты от коррозии и старения. Покрытия нанокристаллические неметаллические неорганические, полученные методом микродугового оксидирования на алюминии и его сплавах. Общие требования и методы контроля. М. : Стандартинформ, 2014. 42 с.
References
1. Gladyshev G. N., Dmitriev V. S., Kopytov V. I.
Sistemy upravlenija kosmicheskimi apparatami (Ispol-nitel'nye organy: naznachenie, princip dejstvija, shemy, konstrukcija) [Control systems of spacecrafts (Executive
powers: appointment, a principle of operation, the schemes, a construction)] : Uchebnoe posobie. Tomsk : Izd. TPU. 2000. 207 p.
2. Vlijanie zhestkosti silovyh elementov konstrukcii na velichinu kriticheskoj skorosti ispolnitel'nogo organa na baze upravljaemogo po skorosti dvigatelja-mahovika / Ju. A. Britova [et al.] [Influence rigidity of power elements of construction on size of critical speed of an executive powers on the base of the engine-flywheel operated on speed]. Kontrol'. Diagnostika. 2012.
3. GOST R 9.318-2013. Edinaja sistema zachity ot korrozii i starenija. Pokrytija nanocristallicheskije nemet-allicheskije neorganicheskije, polychennuje methodom microdugovogo oksidirovanija na aluminii i ego splavach. Obschie trebovanija i metody kontrolja [State Standart R 9.318-2013. Uniform system of protection against corrosion and ageing. Coverings nanocrystallic nonmetallic inorganic, received by a method microarc oxodatin on aluminium and its alloys. The general requirements and quality monitoring]. M. : Standartinform Publ., 2014. 42 p.
© Васильцов А. А., Соловьев В. В., 2017
