CC BY
105
рений к стандартным шкалам времени с пре- шкалам времени с предельной погрешностью
дельной погрешностью ( |М|+2, 4 5а для Р=0,9)
( |М|+2, 4 5g для Р=0,9) при измерениях на уровне фазы кода псевдодально-
при измерениях на уровне фазы кода , псевдо- стей и псевдоскоростей:
дальностей и псевдоскоростей: по плановым координатам
по плановым координатам Ах < 3 46 м
Ах, Az < 4 м Az < 3 31 м
Ау < 6 м 4 < £ 29 м
по модулю вектора скорости по модулю вектора скорости
|АУ| < 0 15 м/с Скоростные параметры не оценены в связи с отсутст-
при измерениях на уровне фазы несущих час- вием измерительных средств, соизмеримых с точност-
тот: ными характеристиками СТИ «Верхушка- -13Б»
по плановым координатам при измерениях на уровне фазы несущих частот:
Ах, Az < 0, 5 м по плановым координатам
Ау < 0, 8 м Дх < 0 22 м
по модулю вектора скорости Az < 0 69 м
|АУ| < 0 05 м/с Ду < 0 78 м
Измерения на уровне фазы несущих частот для плано-
вых координат проведены только для статического
объекта
Заключение
Таким образом, СТИ на базе СНС обладают следующими достоинствами:
организация и проведение измерений на необорудованных полигонах;
обеспечение работ на любых высотах; обеспечение траекторных измерений одновременно большой группы объектов;
получение параметров траекторных измерений с точностями, соизмеримыми с оптическими средствами на всем протяжении трассы летного эксперимента.
Кроме того, к достоинствам комплекса КБТИ-М следует отнести возможность комплексной обработки ИИ, а к несомненным достоинствам СТИ «Верхушка-13А» и «Верхушка-13Б» - возможность работы в РМВ.
Недостатками данных систем траекторных измерений являются:
нецелесообразность их использования при испытаниях с использованием изделий боевого применения (ракеты, самолеты-мишени, бомбы);
зависимость от иностранных спутников (GPS); значительное ухудшение точностных характеристик при маневренных режимах летательных аппаратов.
Основным недостатком КБТИ-М при работе в дифференциальном фазовом режиме является требование непрерывности поступающей ИИ. При пропадании ИИ точность в дифференциальном фазовом режиме становится соизмеримой с точностью в обычном дифференциальном режиме работы. Заданная в техническом задании погрешность измерений в дифференциальном фазовом режиме обеспечивается только в районе взлетно-посадочной полосы и только по высоте (поскольку только по этой координате можно убрать систематическую составляющую погрешности измерений).
ЛИТЕРАТУРА
1. Чернуха В.Н., Новокшонов Ю.В., Пляскота С.И. Основы испытаний авиационной техники. Часть вторая. М.: Издательство ВВИА имени профессора Н.Е.Жуковского, 1994 год
2. Акт № 3/502101-007 Специальных летных испытаний системы бортовых траекторных измерений объектов 10В (шифр «СБТИ-10В»). 2003. 69 с.
3. Акт № 2/512102-001ВП Контрольных летных испытаний опытного образца бортового спутникового приемника системы бортовых траекторных измерений (шифр «СБТИ-10В»). 2013. 88 с.
4. Акт № 2/500101-009 Государственных испытаний опытного образца комплекса бортовых траекторных измерений (шифр «КБТИ-М»). 2001. 104 с.
5. Акт № 2/997101-002 По результатам государственных испытаний опытного образца комплекса аппаратно-программных средств системы траекторных измерений в реальном масштабе времени с использованием спутниковой космической навигационной системы «ЫДУБТАЯ» шифр («Верхушка-13А»). 1998. 120 с.
6. Акт государственных испытаний опытного образца мобильного измерительного пункта из состава системы траекторных измерений «Верхушка-13Б». 2007. 62 с.
УДК 669.018.58.017
Голубчик Э.М., Копцева Н.В., Чукин Д.М., Ефимова Ю.Ю., Никитенко О.А., Медведева Е.М.
ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им Г.И. Носова», Россия ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ВЫСОКОПРОЧНЫХ ИНВАРНЫХ СПЛАВОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ
Работа проведена в рамках реализации комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства, выполняемого с участием российского высшего учебного заведения (договор с Минобрнауки РФ № 02.G25.31.0040); государственного задания Министерства образования и науки Российской Федерации № 11.1525.2014К)
В настоящее время в мировой экономике осуществляется подготовка к переходу на шестой технологический уклад, ядро которого, как представляется, будет составлять комплекс производств, предполагающих разработку и внедрение новых наукоемких технологий и материалов, в том числе, высокопрочных сплавов, обладающих сочетанием уникальных свойств, а также создание изделий на их основе. Новые материалы для современной техники должны обладать не только определенным уровнем основных характеристик, но и удовлетворять целому комплексу дополнительных требований. В частности, в ряде случаев для сохранения эксплуатационной надежности необхо-
димо обеспечить высокую стабильность геометрических форм и размеров отдельных частей или всего изделия при изменении окружающей температуры. Одним из характерных примеров таких материалов являются высокопрочные железоникелевые инварные композиции, потребность в которых в последнее время неуклонно повышается. Сплавы инварного класса благодаря их уникальным тепловым свойствам являются высоко востребованными материалами для использования в различных областях точного машиностроения и приборостроения, аэрокосмической отрасли, в лазерной технике и пр. Значительную долю рынка таких сплавов занимают инвары с заданной низкой величиной температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР). При всех очевидных преимуществах (низкие значения ТКЛР) известные инварные сплавы (например, инвар 3 6Н, суперинвар 32НК) имеют неудовлетворительные дополнительные свойства -механическую прочность, твердость, добротность, демпфирование, коррозионную стойкость и др.
Низкие механические свойства ограничивают использование материалов на основе инваров в вы-соконагруженных или крупногабаритных самораскрывающихся конструкциях, отражательных антеннах, которые должны сохранять свои размеры и форму при изменении окружающей температуры. Эти недостатки в значительной степени сужают области применения известных инварных сплавов, а также уменьшают эффективность их использования [1-3].
Не мало важными аспектами внедрения новых материалов и технологий в современной экономической обстановке являются и такие критерии, как соотношение цена-качество, ритмичность поставки, встраиваемость в уже существующий технологический процесс производства, небольшие объемы поставок. Таким образом, остается не решенным вопрос «малотоннажности» рассматриваемого производства, когда возникает необходимость в единичных поставках изделий для конкретного потребителя. Изготовление подобных изделий в таких случаях ограничено возможностями оборудования крупных литейных и металлургических производств. В тоже время современные тенденции в области точного машиностроения, приборостроения, авиационной и космической отраслях свидетельствуют о растущей потребности в «штучных» («эксклюзивных») партиях изделий, но из широкого спектра размерно-марочного сортамента с расширенным диапазоном свойств.
Учеными ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова» совместно со специалистами ОАО «Мотовилихинские заводы» (г.Пермь) при поддержке Министерства образования и науки РФ реализуется комплексный проект по организации малотоннажного
производства наноструктурированных заготовок из многофункциональных сплавов инварного класса со специальными свойствами. Концепция создаваемого производства металлоизделий из новых высокопрочных материалов предусматривает получение длинномерных прутков преимущественно круглого и квадратного поперечного сечений с диаметром или стороной квадрата 6...2 0 мм с комбинацией трудно-сочетаемых физико-механических и эксплуатационных свойств высокого уровня [4]. Цель и задачи проекта соответствуют Приоритетному направлению развития, науки, технологий и техники в Российской Федерации «Индустрия наносистем», утвержденному Указом Президента РФ N 899 от 7 июля 2011 г., а также задачам, реализуемым в рамках деятельности официально признанной в РФ Технологической платформы «Технологии металлургии и новые материалы (п.21 Материалы и технологии металлургии)».
Основная часть
При разработке многофункциональных высокопрочных сплавов инварного класса нового поколения авторами был разработан и реализован подход, основанный на введение в железо-никелевые сплавы атомов внедрения (углерода и азота) . При этом для разработки новых типов материалов, упрочненных атомами внедрения, важно было установить взаимосвязь между изменениями тонкой атомно-кристаллической и магнитной структуры и механическими и физическими свойствами. Влияние элементов внедрения на инварные свойства к настоящему времени изучено недостаточно. Физические основы такого влияния, его главные аспекты до сих пор не сформулированы. Важным является также вопрос об особенностях мартенситного превращения в сплавах с элементами внедрения, в частности о распределении углерода в мартенсите и аустените. Это связано в значительной мере с тем, что одним из основных требований, предъявляемых к инварным сплавам, является низкая температура начала мартенситного превращения, а также стабильность свойств во времени и по отношению к внешним воздействиям. Для материалов с элементами внедрения данные вопросы приобретают особое значение, так как эти элементы обладают весьма высокой подвижностью при сравнительно низких температурах.
Изучались два типа высокопрочных инварных сплавов. Сплавы первого типа должны иметь минимальное тепловое расширение ТКЛР < 0,5-10-6 К-1 в широком диапазоне рабочих температур (-7 0 + +100 °С), повышенную твердость (выше, чем у «традиционного» сплава 3 6Н), улучшенную обрабатываемость резанием, и низкую температуру начала мартенситного превращения (ниже -80 °С). ТКЛР сплавов второго типа должен быть, близок к тепловому расширению керамики, кремния, пьезо-керамики и тугоплавких стекол, или, другими словами, находится в диапазоне (2,5 + 7,5)-10-6К-1. При применении этих сплавов в ответственных изделиях повышенной точности, работающих в условиях отличных от климатических, требуется сочетание комплекса свойств, а именно, заданного ТКЛР, высокой прочности, высокой добротности при механических колебаниях в диапазоне температур от -80 до +150 0С.
Базовыми для разработки таких материалов были выбраны сплавы системы Fe-Ni-Co с добавками углерода, ванадия и молибдена. Выбор данных композиций обусловлен нижеизложенными принципами.
Добавки углерода в железо-никелевые сплавы приводят к уменьшению величины ТКЛР, а также к упрочнению этих сплавов. Установлено, что в аустените сплавов Fe-Ni(2 8+35%)-C(0,1+1,0%) образуются концентрационные неоднородности: области, обогащенные углеродом и обедненные никелем, а также области, обогащенные никелем и обедненные углеродом [5, 6].
Посредством термодеформационного нанострук-турирования сплавов Fe-Ni-C можно в значительной мере снизить ТКЛР при одновременном повышении прочностных свойств. Кроме того известно влияние карбидообразующих элементов, в частности ванадия, на тонкую атомно-кристаллическую структуру и физико-механические свойства сплавов системы Fe-Ni-С. Показано, что в результате нагрева при 500 + 700 °С происходит перераспределение атомов, при этом атомы углерода уходят из областей, содержащих никель, и образуют карбиды.
Наиболее значительное повышение механических свойств - твердости до 3500 Н/мм2, временного сопротивления разрыву более 800 Н/мм2 (при сохранении низкого термического расширения инвар-ных сплавов) , обеспечивается перераспределением атомов на ранних стадиях старения, когда размер частиц не превышает 100 нм, а появление карбидной фазы еще не регистрируется дифракционными методами.
В процессе исследований была разработана базовая промышленная технология изготовления на-ноструктурированных заготовок из многофункциональных сплавов инварного класса, включающая следующие укрупненные операции: выплавка сплавов в индукцинной вакуумной печи, получение кованного полупродукта, термодеформационное наноструктурирование заготовки с получением длинномерных прутков, финишная обработка.
Так как достаточно значимой для формирования физико-механических свойств для выбранных композиций высокопрочных инварных сплавов являлась многоступенчатая термообработка, то наибольшее внимание уделялось изучению ее влияния на структуру и конечные свойства изделий из получаемых сплавов.
Исследования по определению ТКЛР разрабатываемых инварных сплавов в зависимости от вида обработки проводились в условиях лабораторий НИИ «Наносталей» ФГБОУ ВПО «МГТУ» на исследовательском комплексе Gleeble 3500 со стандартным модулем Pocket Jaw, в качестве измерительного прибора в котором использовался высокоточный дилатометр, входящий в комплектацию комплекса. Для анализа микроструктуры сплавов были изготовлены шлифы, которые исследовались методом световой микроскопии на микроскопе Meiji Techno и растровой электронной микроскопии (РЭМ) на микроскопе JSM 64 90 LV. Для идентификации химических элементов, входящих в состав структурных
составляющих сплавов, был проведен микрорентге-носпектральный анализ (МРСА) с использованием специальной приставки к сканирующему микроскопу - системы INCA Energy.
В ходе исследований было установлено, что в сплавах Fe-Ni-C с концентрацией никеля менее 34% понижение ТКЛР наблюдается при увеличении содержания углерода от 0 до 0,4+0,6%, а при дальнейшем росте его концентрации величина ТКЛР меняется слабо. Это связано с тем, что при концентрации углерода в сплаве выше 0,4% содержание углерода в твердом растворе не повышается,
■ к f-
t ■■ щ rti '" -""Щ'&й'.:
ШшФ ' « ' '■■ ■
ш
i
20kV Х3,000 Spm 11 40 SEI
а избыточный углерод выделяется в виде графита. Таким образом, наиболее эффективным, с точки зрения воздействия на ТКЛР, оказывается легирование углеродом при концентрациях ниже 0,4%. Кроме того, добавки углерода в сплавы Ее-М вблизи инварного состава расширяют интервал температур, в котором сохраняется низкое значение ТКЛР, и понижают температуру начала мартен-ситного превращения МН, то есть увеличивают морозостойкость сплава. На рис. 1,2 представлены результаты исследований.
. . » '' '■Л' '. .
Т--Ч- • '
с "
Рисунок 1
.■Г- й ' : •,
> 20kV Х3,000 S\im г 1*1 40 SEI
Микроструктура сплавов 30НУК (а), 32 НУФК (б), 32НУМ (в) и 34НУФМ (г) после закалки от 1200 оС в воде и отжига при 650 оС
Рисунок 2
-спв -а0,2 HV -5, %
300 400 500 550 600 650 700 750 800 850 Температура., °С
Изменение механически:': свойств сплава 3 4НУФК при различны:: температура:': обработки
Результаты испытаний по определению значения ТКЛР после различных режимов термической обработки представлены в таблице (на примере сплава 34НУФМ)
_Значения ТКЛР инварного сплава 34НУМФ после различных режимов термообработки Таблица
б
Режим термической обработки Изменение линейных размеров, мм Значение ТКЛР, 10-6К-1
Закалка от 1200 оС в воде 0,00301 3,69
Закалка от 1200 оС в воде и последующий нагрев до 650 оС с выдержкой в течение 3 0 мин. 0,00177 2,17
Закалка от 1200 оС в воде, последующий нагрев до 650 оС с выдержкой в течение 1ч 0,00155 1,9
Закалка от 1200 оС в воде и последующий нагрев до 700 оС с выдержкой в течение 1 ч 0,00259 3,18
Закалка от 1200 оС в воде, последующий нагрев до 700 оС с выдержкой в течение 4 ч 0,00266 3,27
Анализ результатов исследований показал следующее. С повышением температуры нагрева под закалку изучаемых инварных сплавов до 1250 оС происходит более полное растворение карбидов. При закалке в масле часть растворенных карбидов успевает выделиться, поэтому образцы, закаленные в масле, обладают более высокой твердостью по сравнению со сплавами, охлажденными в воде. Твердость по мере повышения температуры нагрева закаленных сплавов сначала возрастает, достигая максимума, что связано с выделением упрочняющих частиц, а после достижения максимального значения начинает снижаться, что может происходить вследствие процесса коагуляции выделившихся частиц. При нагреве закаленных образцов максимальное количество упрочняющей фазы наблюдается после нагрева при 600-650 оС. Микрорентгенос-пектральный анализ показал, что выделяющаяся упрочняющая фаза представляет собой сложные карбиды, содержащие легирующие карбидообразую-щие элементы: молибден и ванадий, а также могут содержать титан, используемый в составе раскисляющих смесей при выплавке сплава указанного состава. Режим нагрева закаленных образцов влияет на величину ТКЛР. При нагреве до температуры 7 00 оС количество упрочняющей фазы практически не отличается от количества упрочняющей фазы, наблюдаемой после нагрева при 650 оС. Это обеспечивает твердость порядка 220 HV при закалке от температуры 12 0 0 оС и 300 HV - от температуры 1250 оС, что соответствуют предъявляе-
мым требованиям. Однако отжиг при температуре 700 оС не обеспечивает требуемых значений ТКЛР. Понижение температуры нагрева до 650 оС обеспечивает значение ТКЛР, соответствующее предъявляемым требованиям: ТКЛР <3*10-6К-1. При этом твердость составляет 210-270 HV в зависимости от режимов термообработки. Установлено, также, что значительное влияние на ТКЛР оказывает продолжительность отжига. В частности, при чрезмерном увеличении времени выдержки развивается коагуляция карбидной фазы, приводящая к увеличению ТКЛР.
Заключение
Проведенные комплексные исследования позволили выявить основные механизмы формирования физико-механических свойств высокопрочных ин-варных сплавов нового поколения. было установлено, что за счет формирования нанокристалличе-ской структуры путем технологического термодеформационного воздействия различной физической природы в разрабатываемых высокопрочных сплавах на основе Ее-М-Со композиций, легированных углеродом, ванадием и молибденом, создается возможность управления широким спектром свойств и, соответственно, получения принципиально нового научного результата, открывающего перспективы массового производства наноструктурирован-ных заготовок из многофункциональных сплавов, обладающих уникальным комплексом трудносочетае-мых физико-механических свойств высокого уровня.
ЛИТЕРАТУРА
1. Чукин, М.В. Разработка композиций многофункциональных сплавов инварного класса с расширенными эксплуатационными характеристиками / М.В. Чукин, Э.М.Голубчик, А.С.Кузнецова, Ю.Л.Родионов, И.А. Кормс, А.В.Касаткин, Д.П. Подузов // Вестник Магнитогорского Государственного Технического Университета им. Г.И. Носова. 2013. № 3 (43). С. 62-66.
2. Абрамов, О.В. Управление состоянием сложных технических систем / О.В. Абрамов //Надежность и качество: Труды международного симпозиума. В 2-х т. Под ред. Н.К. Юркова. Пенза: Изд-во Пенз. гос.ун-та, 2010. Том 1, С. 24-26.
3. Юрков, Н.К. Концепция синтеза сложных наукоемких изделий /Н.К. Юрков //Надежность и качество: Труды международного симпозиума. В 2-х т. Под ред. Н.К. Юркова. Пенза: Изд-во Пенз. гос.ун-та, 2012. Том 1, С. 3-6.
4. Чукин, М.В. Исследование физико-механических свойств и структуры высокопрочных многофункциональных сплавов инварного класса нового поколения / М.В. Чукин, Э.М. Голубчик, Г.С.Гун, Н.В. Копцева, Ю.Ю. Ефимова, Д.М. Чукин, А.Н. Матушкин // Вестник Магнитогорского Государственного Технического Университета им. Г.И. Носова. 2014. № 1 (45). С. 43-47.
5. Прецизионные сплавы: Справочник. /Под ред. Б.В.Молотилова. М.: Металлургия, 1983. 438с.
6. Чукин, М.В. Исследование режимов термической обработки при производстве высокопрочных инварных сплавов нового поколения / М.В.Чукин, Н.В.Копцева, Э.М.Голубчик, Д.М.Чукин, Е.М.Медведева // Металлург. 2014. № 4. С. 97-101..
