Микродуговое оксидирование циркония как способ создания элементов теплоразвязки в космических аппаратах Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

НАУЧНОЕ ИЗДАНИЕ МГТУ ИМ, Н. Э. БАУМАНА

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Эл № ФС77 - 48211. ISSN 1994-0408

Микродуговое оксидирование циркония как способ создания элементов теплоразвязки в космических аппаратах # 08, август 2014

Б01: 10.7463/0814.0724519

Шаталов В. К.1, Штокал А. О.1'2'3, Рыков Е. В.2, Добросовестнов К. Б.2, Баженова О. П.3, Рожкова Т. В.3

УДК 621.794.61

1Россия, Калужский филиал МГТУ им. Н.Э. Баумана г. Калуга, Филиал ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина» г. Химки, ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина» асиаиФешос1@уапёех.ги

Приведены режимы формирования МДО-покрытия на цирконии и теплопроводность полученного композитного материала. Изучена микроструктура МДО-покрытия на цирконии. Установлена зависимость пористости, среднего диаметра пор и теплопроводности МДО-покрытия от его толщины. Определена формула, описывающая зависимость теплопроводности от толщины МДО-покрытия на цирконии. Измерено газовыделение образцов в условиях, имитирующих открытый космос. Определён наилучший с точки зрения газовыделения режим формирования МДО-покрытия. Даны технологические рекомендации по подбору толщины МДО-покрытия при создании элемента теплоразвязки.

Ключевые слова: микродуговое оксидирование, цирконий, теплопроводность, газовыделение

Введение

Нанесение покрытий на поверхность материалов, а также регулирование их состава и структуры в приповерхностном слое, даёт возможность наиболее рационально и рентабельно использовать свойства материалов основы и модифицированных слоёв, экономить дорогостоящие и редкие металлы и сплавы. В целом ряде случаев это позволяет не только повышать технико-экономические показатели изделий, но и получать принципиально новые композиции, обладающие более высокими свойствами, чем просто сумма характеристик материала основы и покрытия (модифицированного слоя) [1].

Основным инструментом международной космической обсерватории «Спектр-УФ» будет космический телескоп Т-170М, изображённый на рисунке 1.

Телескоп состоит из следующих узлов:

1 - главное зеркало,

2 - опорная ферма,

i - опорная рама модуля главного зеркала,

4 - радиатор с

нагревательными элементами,

5 - тубус,

6-модуль вторичного зеркала,

7- внешняя бленда,

8 - светозащитная крышка телескопа,

9 - бленда главного зеркала,

10 - бленда вторичного зеркала,

11 - диафрагмы,

12 - оптическая скамья,

13 - модуль фокусировки камер,

14 - спектрографы,

15 - внешний электронный блок,

16 - крышка защиты научных приборов.

Рисунок 1. Космический телескоп Т-170М

Рисунок 2. Узел главного зеркала

Основные узлы космического телескопа Т-17ОМ

Исходя из того, что бленда главного зеркала имеет значительную высоту и находится в открытом космосе, она будет работать как радиатор, охлаждая узел главного зеркала. Поэтому между блендой главного зеркала и рамой узла главного зеркала, изображённых на рисунке 2, необходимо создать теплоразвязку. Деталь, обеспечивающая теплоразвязку,

исходя из теплового расчёта, должна обладать теплопроводностью не более 2,5 - и

м • К

условным пределом текучести на сжатие не менее 125 МПа, чтобы обеспечить стабильность положения диафрагм бленды главного зеркала относительно оптической системы телескопа.

Учитывая, что оксид циркония ZrO 2 обладает одной из самых низких теплопровод-

ностей среди оксидов металлов, в качестве материала основы предлагается использовать цирконий, а на его поверхность нанести МДО-покрытие.

1. Материал основы

В качестве материала основы был выбран цирконий 702.

Рисунок 3. Образец из циркония 702 Таблица 1 - Химический состав циркония 702

Обозначение элемента Zr + Ш Ш Fe + Сг Н N С О

Процентный состав, % 99,92 мин. 4,5 макс. 0,2 макс. 0,005 макс. 0,025 макс. 0,05 макс. 0,16 макс.

Таблица 2 - Механические свойства циркония 702

Физико-механические свойства Предел прочности, МПа Предел текучести, МПа Удлинение, % Теплопроводность, Вт м • К

Значения 380 205 16 22,7

Предел текучести циркония 702 составляет 205 МПа, что больше, чем требуемые 125 МПа. Таким образом, требование по прочности будет выполнено благодаря свойствам материала основы.

2. Режимы формирования МДО-покрытия и теплопроводность композитного материала

МДО-покрытие на цирконии формировали на экспериментальной установке Калужского филиала МГТУ им. Н.Э. Баумана. На рисунках 4, 5 приведены МДО-покрытия циркониевых образцов, полученные в кислотном и фосфатном электролитах.

Рисунок 4. МДО-покрытие образца из циркония 702, полученное в кислотном электролите

Рисунок 5. МДО-покрытие образца из циркония 702, полученное в фосфатном электролите

Образец, № Толщина образца, мм Напряжение, В Электролит Время экспозиции, мин Толщина покрытия, мкм Теплопроводность, Вт м ■ К

1 0,45 350 10 % раствор H3PO4 30 9 1,9666

2 0,4 300 10 % раствор H3PO4 60 15 1,6639

3 0,45 220 14 г/л NasPO4 33 20 1,8278

10 % раствор H3PO4 120

Толщина МДО-покрытия замерялась на ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина» при помощи вихретокового толщиномера MiniTest 2100 ElektroPhysik.

Измерение теплопроводности проводилось в ОАО «Восход-КРЛЗ» на оригинальной установке. Погрешность измерения теплопроводности на данной установке составляет 10 %.

3. Исследование микроструктуры МДО-покрытия

Металлографическое исследование микроструктуры МДО-покрытия произведено на инвертированном металлографическом микроскопе отраженного света Carl Zeiss Axiovert 40 MAT на ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина».

Выбранные в процессе изучения микрошлифов наиболее характерные с точки зрения толщины и структуры участки МДО-покрытий на образцах № 1, 2, 3 приведены на фотографиях.

Рисунок 6. МДО-покрытие на образце № 1 при увеличении 1000х

Рисунок 7. МДО-покрытие на образце № 2 при увеличении 1000х

Рисунок 8. МДО-покрытие на образце № 3 при увеличении 1000х

Изучим структуру каждого МДО-покрытия. Рассмотрим микрошлиф МДО-покрытия на образце № 1 при увеличении 1000х.

Рисунок 9. Структура МДО-покрытия на образце № 1 при увеличении 1000х

Контурной линией ограничено МДО-покрытие и поры внутри него. £>общ =12611,17 мм2 - общая площадь МДО-покрытия.

л

S^q, = 8143,51 мм - площадь, занимаемая материалом покрытия.

Таким образом, мы можем вычислить пористость рассматриваемого покрытия.

Snop = S общ — SnoKp - площадь, занимаемая порами покрытия.

Sfop =12611,17 —8143,51 = 4467,66 мм2 P = . 100 % = 4467,66 . 100 % = 35,43 % - пористость МДО-покрытия.

S.

общ

12611,17

Вычислим средний размер пор МДО-покрытия. Вычисления будем производить, приводя поры МДО-покрытия к эквивалентным круглым. N=38 шт - количество пор на исследуемом участке.

S„

s =.

1 пор

пор

N

средняя площадь пор.

С другой стороны, средняя площадь пор равна

s =

1 пор

ж- d{

пор

где d1 пор - средний диаметр пор. Отсюда

S

пор

ж- d{

пор

N

d

4 S

1 пор

пор

Ж-N

Переведём средний диаметр пор в микрометры с учётом масштаба фотографии.

I

d1 пор ='

4 S

пор

ж-N

ß

где ß = 3 - масштаб фотографии, 30 мм = 10 мкм.

Таким образом, средний диаметр пор МДО-покрытия составляет

d

4 - 4467,66 ж-38

1 пор

3

= 4,08 мкм.

Проведём аналогичные расчёты для других МДО-покрытий. Рассмотрим микрошлиф МДО-покрытия на образце № 2 при увеличении 1000х.

4

4

Рисунок 10. Структура МДО-покрытия на образце № 2 при увеличении 1000х

Контурной линией ограничено МДО-покрытие и поры внутри него. $общ = 22026,84 мм2 - общая площадь МДО-покрытия.

=15032,8 мм2 - площадь, занимаемая материалом покрытия. Таким образом, мы можем вычислить пористость рассматриваемого покрытия. 8пор = 22026,84-15032,8 = 6994,04 мм2

З 6994 04

р = . 100 % =-,--100 % = 31,75 % - пористость МДО-покрытия.

Бобщ 22026,84 р Д р

Вычислим средний размер пор МДО-покрытия. Вычисления будем производить, приводя поры МДО-покрытия к эквивалентным круглым. N = 27 шт - количество пор на исследуемом участке. ц = 3 - масштаб фотографии, 30 мм = 10 мкм.

Таким образом, средний диаметр пор МДО-покрытия составляет

4 ■ 6994,04

¿1 пор - -—27-= 6 05 мкм •

Рассмотрим микрошлиф МДО-покрытия на образце № 3 при увеличении 1000х.

Рисунок 11. Структура МДО-покрытия на образце № 3 при увеличении 1000х

Контурной линией ограничено МДО-покрытие и поры внутри него. £общ = 32815,05 мм2 - общая площадь МДО-покрытия.

л

$покр = 22625,66 мм - площадь, занимаемая материалом покрытия.

Таким образом, мы можем вычислить пористость рассматриваемого покрытия. 8пор = 32815,05 - 22625,66 = 10189,39 мм2

Р = • 100 % = 10189,39 • 100 % = 31,05 % - пористость МДО-покрытия.

£

общ

32815,05

Вычислим средний размер пор МДО-покрытия. Вычисления будем производить, приводя поры МДО-покрытия к эквивалентным круглым. N = 22шт - количество пор на исследуемом участке. ц = 3 - масштаб фотографии, 30 мм = 10 мкм.

Таким образом, средний диаметр пор МДО-покрытия составляет

пор ='

4.10189,39

п 22

3

= 8,09 мкм.

Определим по полученным результатам зависимость пористости и среднего диаметра пор от толщины МДО-покрытия.

Рисунок 12. Зависимость пористости от толщины МДО-покрытия

Толщина МДО-покрытия, мкм

Рисунок 13. Зависимость среднего диаметра пор от толщины МДО-покрытия

Вычислим теплопроводность МДО-покрытий на образцах № 1, 2, 3. Общая теплопроводность композитного материала в зависимости от теплопроводностей и толщин составляющих его слоёв вычисляется по следующей формуле.

1

1

1

X 5 \ 5 X

где X - теплопроводность композитного материала,

Вт

м • К'

X - теплопроводность первого слоя композитного материала,

Х2 - теплопроводность второго слоя композитного материала,

Вт м • К Вт

м • К'

5 - толщина композитного материала, мкм; ^ - толщина первого слоя композитного материала, мкм;

52 - толщина второго слоя композитного материала, мкм.

Выразим из данной формулы теплопроводность первого слоя композитного материала.

X =

5

х х

Вычислим теплопроводность МДО-покрытия на образце № 1: ^ = 18 мкм (покрытия на обеих сторонах образца), 5 = 450 мкм,

¿2 = 432 мкм ,

„ , ^^ Вт Л = 1,9666 -

м ■ К

Л = 22,7 Вт - теплопроводность циркония 702.

м ■ К

Отсюда

18 Л _ Вт Л -= 0,086-

4 450 432 , м ■ К

1,9666 22,7

Вычислим теплопроводность МДО-покрытия на образце № 2: 5 = 30 мкм (покрытия на обеих сторонах образца),

5 = 400 мкм, s2 = 370 мкм ,

Л = 1,6639 -Вт

м ■ К

Л = 22,7 Вт - теплопроводность циркония 702.

м ■ К

Отсюда

30 Вт

Л -™ = 0,134

400 370 ' м ■ К 1,6639 22,7

Вычислим теплопроводность МДО-покрытия на образце № 3: = 40 мкм (покрытия на обеих сторонах образца),

5 = 450 мкм, 52 = 410 мкм ,

Л = 1,8278 ■Вт

м ■ К

Вт

Л = 22,7--теплопроводность циркония 702.

м ■ К

Отсюда

2 = 40 = 0Г75 Вт

Л —ПТГ = 0,175

450 410 ' м ■ К 1,8278 22,7

Определим по полученным результатам зависимость теплопроводности от толщины МДО-покрытия.

Толщина МДО-покрытия,

Рисунок 14. Зависимость теплопроводности от толщины МДО-покрытия

Формулу, определяющую зависимость теплопроводности от толщины МДО-покрытия, определяли по методу наименьших квадратов. Исходя из представленной на рис. 14 зависимости, формула будет иметь вид

л=а + а8

Для поиска коэффициентов а 0 и а1 была использована таблица 4.

Таблица 4 - Данные для поиска коэффициентов а о и а!

1 80 81 82 Л Я1 •

1 1 9 81 0,086 0,774

2 1 15 225 0,134 2,01

3 1 20 400 0,175 3,5

2 3 44 706 0,395 6,284

Чтобы найти значения коэффициентов а 0 и а!, необходимо решить следующую систему уравнений:

|3а0 + 44^ = 0,395, [44а0 + 706а! = 6,284.

Искомые коэффициенты, полученные в результате решения системы уравнений - а = 0,013 и а1 = 0,008 . Искомая формула имеет вид

Л=0,013+0,0088

4. Исследование газовыделения МДО-покрытия

Чтобы изучить поведение МДО-покрытия на цирконии в условиях открытого космоса на ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина» по оригинальной методике на вакуумной установке ВК-12/3 измерялось газовыделение образцов.

Установка ВК-12/3 предназначена для определения потери веса конструкционных

_3

материалов и терморегулирующих покрытий (ТРП) в вакууме 6,67 • 10 Па (

5-10_5 мм рт. ст.) в зависимости от времени при температуре 20° С вследствие осаждения их продуктов испарения на чувствительные поверхности.

_3 _5

При остаточном давлении в камере 6,67 • 10 Па (5-10 мм рт. ст.), температуре

на образце 125° С и температуре датчика 20° С измерялись следующие параметры:

- максимальная удельная масса М легко конденсирующихся веществ (ЛКВ),

- начальная скорость газовыделения Ж,

- константа скорости реакции К . Результаты измерения сведены в таблицу 5.

Таблица 5 - Результаты измерения параметров газовыделения

Номер образца Ж, 2 см - с М, 2 2 см К, с"1

1 1,284-10_7 3,176-10_4 1,703-10^

2 1,901-10_7 3,414 -10_4 2,183-10_4

3 1,974 -10_7 1,985-10_4 6,703-10_4

Критическим значением считается величина максимальной удельной массы легко

конденсирующихся веществ 5 -10 4 ——. Материал, имеющий меньшее значение, считает-

см

ся малогазящим, и его можно использовать в условиях открытого космоса.

Величины максимальной удельной массы ЛКВ образцов в сравнении с критическим

значением приведены на рисунке 15.

Рисунок 15. Максимальная удельная масса ЛКВ образцов в сравнении с критическим значением

Заключение

В результате изучения особенностей МДО-покрытий на цирконии:

1) установлено, что композитный материал, состоящий из циркония и нанесённого

на него МДО-покрытия, имеет низкую теплопроводность (менее 2

Вт

м ■ К

), и при этом, в

виду малой толщины оксидного слоя по сравнению с толщиной материала основы, обладает механическими свойствами, незначительно отличающимися от свойств чистого циркония;

2) установлено, что композитный материал обладает низким газовыделением, позволяющим использовать его в условиях открытого космоса; наименьшим газовыделением обладает материал, обработанный в двух электролитах - фосфатном и кислотном;

3) установлено, что с ростом толщины МДО-покрытия его пористость снижается, при этом средний диаметр пор растёт, что приводит к увеличению теплопроводности МДО-покрытия, поэтому использовать толстые МДО-покрытия нецелесообразно, к тому же, снижается сцепление покрытия с основой;

4) рекомендуется при необходимости применения теплоразвязки значительной толщины использовать пакет тонких шайб.

Список литературы

1. Суминов И.В., Эпельфельд А.В., Людин В.Б., Крит Б.Л., Борисов А.М. Микродуговое оксидирование (теория, технология, оборудование). М.: ЭКОМЕТ, 2005. 368 с.

2. Штокал А.О., Шаталов В.К. Изучение влияния МДО-покрытия на теплопроводность циркония // Региональная научно-техническая конференция «Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе» (Калуга, 22-25 апреля 2014 г): материалы. Т. 1. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014. С. 4-7.

SCIENTIFIC PERIODICAL OF THE BAUMAN MSTU

SCIENCE and EDUCATION

EL № FS77 - 48211. ISSN 1994-0408

Zirconium Micro-Arc Oxidation as a Method for Producing Heat Insulation Elements in Spacecraft # 08, August 2014

DOI: 10.7463/0814.0724519

V.K. Shatalov1, A.O. Shtokal1,2 a, E.V. Rykov2, K.B. Dobrosovestnov2, O.P. Bazhenova3, T.V. Rozhkova3

1Kaluga Branch of Bauman MSTU. NE Bauman, Kaluga, 248000, Russian Federation 2FL FGUP "NPO im.S.A. Lavochkina", Kaluga, 248000, Russian Federation 3FGUP "NPO im.S.A. Lavochkina", Khimki, 141400, Russian Federation

acuauthemoc1@yandex.ru

Keywords: thermal conductivity, micro-arc oxidation, gas generation, zirconium

Application of coatings on the surface of materials as well as their composition and structure control in the near-surface layer enables us to use properties of base material and modified layers in the most rational and profitable way and save expensive and rare metals and alloys.

The space telescope of T-170M will be the main tool of the international space observatory "Spektr-UF".

It is being understood that the main mirror shade, which is in the outer space and has a considerable height will act as a radiator cooling a unit (cage) of the main mirror. Therefore it is necessary to create heat insulation between the shade of the main mirror and the frame of the main mirror unit. From the thermal calculations a detail to provide heat insulation must possess ther-

Bm

mal conductivity, at most, 2,5- and a conditional limit of fluidity for compression, at least,

m • K

125 MPas to ensure that the shade diaphragms position of the main mirror is stable with respect to the optical system of telescope.

Considering that oxide of zirconium ZrO2 possesses one of the lowest thermal conductivities among oxides of metals, it is offered to use zirconium, as a material of base, and to put the MAO-covering (micro-arc oxide) on its surface.

As a result of studying the features of MAO-coverings on zirconium it is: 1) found that the composite material consisting of zirconium and MAO-covering on it, has

Bm

low thermal conductivity (less than 2 -), and thus, because of small oxide layer thickness

M • K

against the thickness of base material, possesses the mechanical properties which are slightly different from the pure zirconium ones;

2) found that the composite material possesses the low gas release, allowing its use in the outer space conditions; the material processed in two electrolytes i.e. phosphate and acid ones has the lowest gas release;

3) found that with growing thickness of MAO-covering its porosity decreases, thus the average pore diameter grows thereby leading to increasing thermal conductivity of MAO-covering. Therefore it is inexpedient to use thick MAO-coverings. Besides, adhesion between the covering and the base decreases;

4) advisable to use a stack of thin washers in case it is necessary to apply the heat insulation of considerable thickness.

References

1. Suminov I.V., Epel'fel'd A.V., Liudin V.B., Krit B.L., Borisov A.M. Mikrodugovoe oksidirovanie (teoriia, tekhnologiia, oborudovanie) [The micro-arc oxidation (theory, technology, equipment)]. Moscow, EKOMET Publ., 2005. 368 p. (in Russian).

2. Shtokal A.O., Shatalov V.K. Study of the effect of micro-arc oxide coating on the thermal conductivity of zirconium. Regional'naia nauchno-tekhnicheskaia konferentsiia "Naukoemkie tekhnologii v priboro- i mashinostroenii i razvitie innovatsionnoi deiatel'nosti v vuze": materialy [Proc. of the Regional scientific-technical conference "High technology in instrumentation engineering and mechanical engineering and the development of innovation activities in high school"]. Kaluga, 22-25 April, 2014. Vol. 1. Moscow, Bauman MSTU Publ., 2014, pp. 4-7. (in Russian).