CC BY
90
НАУЧНОЕ ИЗДАНИЕ МГТУ ИМ. Н. Э. БАУМАНА
НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ
Эл № ФС77 - 4 8211. Государственная регистрация №042 1200025. ISSN 1994-0408
электронный научно-технический журнал
Изучение влияния покрытия, выполненного микродуговым оксидированием, на жёсткость и прочность протяжённых силовых элементов космического аппарата # 07, июль 2014
Б01: 10.7463/0714.0717592
Шаталов В. К.1, Штокал А. О.1'2'3, Рыков Е. В.2, Добросовестнов К. Б.2
УДК 621.794.61
1Россия, КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана 2 Филиал ФГУП НПО им. С.А. Лавочкина acuauthemoc1@yandex.ru
Указывается на существенное расширение эксплуатационных характеристик узлов космических аппаратов из алюминиевых сплавов благодаря проведению микродугового оксидирования. Приводятся свойства МДО-покрытий, которые могут быть получены при применении современных технологий нанесения. Исследуется влияние МДО-покрытия на жёсткость и прочность труб из алюминиевого сплава. Определяются оптимальные соотношения толщин основного металла и покрытия и перспективный способ увеличения несущей способности силового элемента. Делается вывод о возможности повышения жёсткости конструкции со значительным запасом прочности.
Ключевые слова: МДО-покрытие, алюминиевые сплавы, жёсткость, прочность.
Введение
Исходя из того, что в аэрокосмической промышленности значительную долю применяемых конструкционных материалов составляют алюминиевые сплавы, большой интерес представляет улучшение таких эксплуатационной характеристики конструкционных материалов, как приведённый модуль упругости и допустимое напряжение.
Выносные элементы (штанги, мачты) широко применяются в конструкции космических аппаратов для выноса полезной нагрузки, их высокая удельная жесткость позволяет уменьшить массу. В качестве примера выносной конструкции рассмотрим узел раскрытия. В процессе его эксплуатации силовые балки функционируют в особых условиях работы. На этапе транспортирования балки испытывают значительные вибрационные нагрузки, поэтому для повышения собственной резонансной частоты целесообразно повысить их жёсткость. Применение МДО-покрытия представляется перспективным в силу большего по сравнению с алюминиевым сплавом модуля упругости МДО-покрытия. На этапе развёртывания балки испытывают значительную изгибающую нагрузку, поэтому предлагаемый алюминиевый сплав с нанесённым на него МДО-покрытием кроме повышенной жёсткости должен обладать достаточной несущей способностью. Для изучения
влияния нанесённого МДО-покрытия на жёсткость и прочность труб из алюминиевого сплава необходимо провести ряд экспериментов.
1. Основные сведения о покрытии, выполненном микродуговым оксидированием (МДО-покрытии)
Микродуговое оксидирование (МДО) - сравнительно новый вид поверхностной обработки и упрочнения металлических материалов, берущий свое начало от традиционного анодирования и, соответственно, относится к электрохимическим процессам. Микродуговое оксидирование позволяет получать многофункциональные керамикоподобные покрытия с уникальным комплексом свойств, в том числе износостойкие, коррозионностойкие, теплостойкие, электроизоляционные и декоративные покрытия.
Отличительной особенностью микродугового оксидирования является участие в процессе формирования покрытия поверхностных микроразрядов, оказывающих весьма существенное и специфическое воздействие на формирующееся покрытие, в результате которого состав и структура получаемых оксидных слоев существенно отличаются, а свойства значительно повышаются по сравнению с обычными анодными плёнками.
Технология микродугового оксидирования отработана только для группы вентильных металлов и их сплавов, прежде всего алюминиевых. МДО-покрытия находят всё более широкое применение в самых различных областях - от производства товаров бытового назначения и медицины до приборостроения и аэрокосмической промышленности [2].
3
Рисунок 1. Структура МДО-покрытия на алюминии
Структура и состав МДО-покрытий определяются условиями их формирования. Так, например, толстые покрытия на алюминии, полученные в силикатно-щелочном электролите, состоят из трёх слоев: тонкого переходного - 1; основного рабочего, с максимальной твердостью и минимальной пористостью, состоящего в основном из корунда (а - А1203) -
2 и наружного технологического, обогащённого алюмосиликатами - 3 [4]. Толщина переходного слоя составляет 3-5 мкм [3]. Соотношение рабочего и технологического слоёв зависит в первую очередь от чистоты электролита. По опыту известно, что в чистом растворе толщина технологического слоя составляет всего 5-10 % от общей толщины покрытия, тогда как по мере накопления примесей в растворе толщина технологического слоя увеличивается и может достигать 50-70 % от общей толщины покрытия. Общая толщина покрытия определяется режимами формирования, в первую очередь токовым режимом и временем экспозиции.
Свойства МДО-покрытий определяются их составом и структурой, которые, в свою очередь, зависят от материала основы, состава электролита и режима обработки. Для МДО-покрытий, получаемых на алюминиевых сплавах, характерны следующие данные: - толщина: до 400 мкм,
- микротвёрдость: до 2500 кг/мм ,
- пробойное напряжение: до 6000 В,
- теплостойкость: выдерживает тепловой удар до 2500°С,
- коррозионная стойкость: 1 -й балл по десятибалльной шкале,
- износостойкость: на уровне твердых сплавов,
- пористость: от 2 до 50% (регулируемая) [3].
Остальные данные взяты по сапфиру, который тоже является одной из разновидностей корунда (а - А1203):
- предел прочности на растяжение: 380 МПа,
- модуль упругости: 345 ГПа,
- коэффициент Пуассона: 0,27 [1].
2. Исследование влияния МДО-покрытия на жёсткость и прочность труб
из алюминиевого сплава
Для определения степени влияния покрытия на жёсткость силового элемента проведен ряд численных экспериментов, позволяющих на основе математических моделей сечений разнородной упругости получить численные значения деформаций. В качестве расчётного вида деформации рассмотрен консольный изгиб как довольно распространенный вид нагружения в выносных, развёртываемых конструкциях космических аппаратов. Расчёт проведен для упругой стадии.
В качестве метода моделирования использован метод конечных элементов (МКЭ). При построении совместной сетки важным параметром является соблюдение размерных пропорций элемента. Сетки модели покрытия и модели основного материала связаны жёстко. В силу симметрии модель может быть упрощена.
На первом этапе работы выбран ряд труб с внешним диаметром 30 мм, толщина покрытия 0,3 мм, внутренние диаметры 28; 27; 26; 25; 24 мм.
Рисунок 2. Поперечные сечения труб с покрытием и модель, выполненная МКЭ
Рисунок 3. Зависимость отношения жёсткости детали с покрытием А к жёсткости детали без покрытия А 0 от доли площади покрытия S по общей площади сечения детали А
На графике (рисунок 3) приведены результаты расчёта. Во всех рассмотренных моделях жёсткость детали с покрытием выше жёсткости исходной детали, что, конечно, определяется жёсткостью покрытия. Так отношение жесткостей в два раза и более соответствует отношению площади покрытия к общей площади сечения более 25%. Полученные значения позволяют подтвердить вывод о целесообразности применения покрытия с целью увеличения жёсткости именно на тонкостенных элементах.
Следует отметить характер распределения напряжений по разноупругому сечению трубы. За счет большей жёсткости и положения относительно нейтральной линии сечения покрытие (рисунок 4 поз. б) нагружается сильнее основного материала (рисунок 4 поз. а). С учётом того, что прочность МДО-покрытия немногим выше прочности алюминиевого сплава АМгб.М (380 МПа против 320 МПа), перераспределение нагрузки на гораздо более тонкий, но ненамного более прочный слой МДО-покрытия, приведёт к возникновению в МДО-покрытии значительных напряжений по сравнению с остальным материалом. А раз-
рушение слоя МДО-покрытия приведёт в свою очередь к снижению несущей способности трубы в виду образования поверхностного концентратора напряжений.
У &
Рисунок 4. Интенсивность распределения напряжений в продольном сечении трубы в районе заделки: а) -
однородный материал; б) - материал с покрытием
На рисунке 5 показана зависимость при перераспределении максимальных механических напряжений в материале трубы в детали с покрытием от доли площади покрытия. В целом пиковое перераспределённое напряжение выше в трубе, у которой отношение площади покрытия к общей площади сечения ниже.
Численное моделирование показало ожидаемое увеличение жёсткости элементов с покрытием по сравнению с жёсткостью элементов из однородного материала. Однако высокая жёсткость покрытия приводит к интенсификации механических напряжений, концентрирующихся в самом покрытии. Чем меньше отношение площади покрытия к общей площади сечения, тем большие напряжения принимает на себя покрытие, и тем быстрее наиряжения в покрытии достигают предела прочности.
ст 3,5
Рисунок 5. Зависимость соотношения механических напряжений от доли площади покрытия
Заключение
Было проведено исследование влияния МДО-покрытия на жёсткость и прочность труб из алюминиевого сплава, в результате которого установлено, что наиболее целесообразным является нанесение покрытия на тонкостенные трубы с отношением площади покрытия к площади сечения более 25%, т.к. в таком случае жёсткость композитного материала значительно превзойдёт жёсткость алюминиевого сплава такого же сечения, а перераспределение напряжений в поверхностном слое сечения разнородной упругости не вызовет резкого возрастания напряжений, следовательно, несущая способность конструкции из композитного материала при таких отношениях толщин покрытия и сечения будет увеличиваться, приближаясь с ростом этого отношения к несущей способности цельноалю-миниевой конструкции. Также рациональным решением будет формирование максимально достижимой толщины МДО-покрытия на поверхности трубы из алюминиевого сплава, т.к. увеличение максимально достижимой толщины МДО-покрытия позволит наносить его на толстостенные трубы, сохраняя приемлемое с точки зрения прочности отношение площади покрытия к общей площади сечения. Поэтому изучение технологических методов, позволяющих получать МДО-покрытие большей толщины, значительно расширит область применения МДО-покрытия для повышения жёсткости конструкции.
Полученные выводы целесообразно применять при изготовлении космических аппаратов, т.к. в космической отрасли из-за борьбы за снижение массы часто используются тонкостенные протяжённые конструкции. В случае, когда необходимо повысить собственную резонансную частоту детали путём повышения её жёсткости, увеличить твёрдость и износостойкость поверхности, а сама деталь значительно недогружена, следует наносить тонкие МДО-покрытия, т.к. они решают поставленную задачу, и их нанесение более технологично. В иных случаях нужно уделять внимание наличию изгибных напряжений, перераспределение которых может вызвать критические состояния и при необходимости наносить толстое МДО-покрытие, т.к. это при большем повышении жёсткости конструкции меньше снизит её несущую способность.
Микродуговое оксидирование является перспективным методом формирования износостойких, коррозионностойких, теплозащитных и электроизоляционных покрытий, но в зависимости от условий эксплуатации, вида конструкций и преобладающего вида деформаций выбор толщины МДО-покрытия может оказать значительное влияние на несущую способность конструкции.
Список литературы
1. Добровинская Е.Р., Литвинов Л.А., Пищик В.В. Энциклопедия сапфира. Харьков: Институт монокристаллов НАН Украины, 2004. 508 с.
2. Суминов И.В., Эпельфельд А.В., Людин В.Б., Борисов А.М., Крит Б.Л. Микродуговое оксидирование (обзор) // Приборы. 2001. № 9. С. 13-23.
3. Суминов И.В., Эпельфельд А.В., Людин В.Б., Борисов А.М., Крит Б.Л. Микродуговое оксидирование (окончание) // Приборы. 2001. № 10. С. 26-36.
4. Эпельфельд А.В. Микродуговое оксидирование // 2-я Всесоюзная научно-техническая конференция «Ресурсо-, энергосберегающие и наукоемкие технологии в машино- и приборостроении» (Нальчик, 21-23 мая 1991 г.): тез. докл. М.: АТН РСФСР,1991. С. 47-48.
SCIENTIFIC PERIODICAL OF THH BAUMAN MSTU
SCIENCE and EDUCATION
EL № FS77 - 48211. N»0421200025. ISSN 1994-0408
electronic scientific and technical journal
Investigating the Influence of Micro-Arc Oxide Coating on Rigidity and Strength of Long Force Elements of Spacecraft # 07, July 2014 DOI: 10.7463/0714.0717592
V.K. Shatalov1, A.O. Shtokall,2a, E.V. Rykov2, K.B. Dobrosovestnov2
1Kaluga Branch of Bauman MSTU. NE Bauman, Kaluga, 248000, Russian Federation 2FL FGUP "NPO im.S.A. Lavochkina", Kaluga, 248000, Russian Federation
acuauthemoc1@yandex.ru
Keywords: strength, aluminium alloys, hardness, micro-arc oxide coating
Outboard elements (arms, towers) are widely used in spacecraft structure for setting-out of a payload; their high stiffness-weight ratio provides an opportunity to decrease the mass. The deployment unit is considered as an example of outboard structure. Its strength beams work under special conditions in operation. At the transportation stage beams are under considerable vibration loads. Therefore for increasing the natural resonance frequency it is rational to increase their rigidity. Using the micro-arc oxide coating suggests itself because the modulus of elasticity of the micro-arc oxide coating is more than that of the aluminium alloy. The beams suffer considerable bending load at the step of deploying; therefore the aluminium alloy with the micro-arc oxide coating must have suitable loading capacity, in addition to increased rigidity.
Influence of micro-arc oxide coating on the rigidity and strength of tubes f rom aluminium alloy is investigated. It is determined that forming the micro-arc oxide coating on thin-walled tubes with a ratio of the coating area to the cross-section area of more than 25% is the most rational. In this case the rigidity of composite material considerably exceeds the rigidity of the aluminium alloy of the same cross-section while the redistribution of stresses in the surface coating of heterogeneous elasticity cross-section doesn't cause the sudden increase of stresses. Also forming an attainable thickness of the micro-arc oxide coating on the surface of tube from aluminium alloy will be rational solution because the increase of attainable thickness of the micro-arc oxide coating provides an opportunity to form it on thick-walled tubes saving an acceptable, in the context of the strength, ratio of the coating area to the overall cross-section area.
Micro-arc oxidation is an advanced method to form the wear resistant, resistant to corrosion, heat-shielding and electrically insulating coatings, but depending on the operating condi-
tions, type of structures, and dominant type of deformations the choice of the micro-arc oxide
coating thickness can have a considerable effect on the loading capacity of structure.
References
1. Dobrovinskaia E.R., Litvinov L.A., Pishchik V.V. Entsiklopediia sapfira [Encyclopedia of sapphire]. Khar'kov, Institute for Single Crystals of NAS of Ukraine Publ., 2004. 508 p. (in Russian).
2. Suminov I.V., Epel'fel'd A.V., Lyudin V.B., Borisov A.M., Krit B.L. [Micro-arc oxidation (review)]. Pribory, 2001, no. 9, pp. 13-23. (in Russian).
3. Suminov I.V., Epel'fel'd A.V., Lyudin V.B., Borisov A.M., Krit B.L. [Micro-arc oxidation (completion)]. Pribory, 2001, no. 10, pp. 26-36. (in Russian).
4. Epel'fel'd A.V. [Micro-arc oxidation]. 2-ya Vsesoyuznaya nauchno-tekhnicheskaya konferentsiya "Resurso-, energosberegayushchie i naukoemkie tekhnologii v mashino- i priborostroenii": tez. dokl. [2nd All-Union Scientific-Technical Conference "Resource saving, energy saving and science-intensive technologies in machine building and device building": abstracts], Nal'chik, 21-23 May 1991. Moscow, ATN RSFSR Publ., 1991, pp. 47-48. (in Russian).
