ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ МИКРОДУГОВОГО ОКСИДИРОВАНИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ В КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКЕ

© А.О.Штокал, Е.В.Рыков, К.Б.Добросовестнов
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "К.Э. Циолковский и проблемы космического производства"
2013 г.

Микродуговое оксидирование (МДО) — сравнительно новый вид поверхностной обработки и упрочнения главным образом металлических материалов, берущий свое начало от традиционного анодирования, относится к электрохимическим процессам. МДО позволяет получать многофункциональные керамикоподобные покрытия с уникальным комплексом свойств, в том числе износостойкие, коррозионностойкие, теплостойкие, электроизоляционные и декоративные покрытия.

Толстые МДО-покрытия на алюминии, полученные в силикатно-щелочном электролите, состоят из трех слоев: тонкого переходного, основного рабочего с максимальной твердостью и минимальной пористостью, состоящего в основном из корунда (α-Al2O3), и наружного технологического, обогащенного алюмосиликатами.

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, микротвердость — до 2500 кг/мм2, 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).

При изготовлении практически любого космического аппарата применяются раскрывающиеся элементы конструкции, в которых используются узлы раскрытия и стопорения, поэтому любое предприятие, связанное с аэрокосмической промышленностью, решает задачу проектирования и изготовления таких конструкций.

Существует этап транспортирования — выведение узла раскрытия в сложенном состоянии на орбиту. Во время этого этапа узел раскрытия испытывает значительные вибрационные нагрузки, которые воспринимаются упорами, осуществляющими функцию распора ответвлений балки для того, чтобы уменьшить перемещения в пределах прогиба балки при вибрации. Так как упоры на данном этапе работают в условиях повышенного износа, предлагается, учитывая значительную поверхностную твёрдость МДО-покрытия, заменить конструкционные материалы упоров с большей плотностью алюминиевым сплавом с МДО-покрытием. Это, наряду с повышением износостойкости упоров, приведёт к снижению массы узла раскрытия.

После выхода на расчётную орбиту работой упругих элементов узла раскрытия осуществляется этап развёртывания, на котором обеспечение требуемого угла раскрытия и осуществление процесса стопорения выполняется с помощью узла качения, состоящего из конуса с подшипником, перемещающегося по поверхности сектора балки и обеспечивающего надёжное стопорение путём захода во внутренний конус сектора балки. Для повышения надёжности изделия и предотвращения возможности возникновения ложбинки износа на наружной поверхности сектора и заусенцев в месте перехода наружной поверхности во внутренний конус сектора, препятствующих полному вхождению конуса в сектор и надёжному стопорению раскрывшейся балки, желательно повысить твёрдость поверхности сектора, по которому катится подшипник конуса. Возможность использовать другой конструкционный материал отсутствует ввиду, во-первых, сварной конструкции балки, а, во-вторых, дефицита массы изделия. Наиболее рациональным выходом видится нанесение местного МДО-покрытия на поверхность сектора балки.

В процессе эксплуатации узла раскрытия трубы, из которых сварена балка, функционируют в особых условиях работы. На этапе транспортирования трубы испытывают значительные вибрационные нагрузки, поэтому с целью повышения собственной резонансной частоты целесообразно повысить их жёсткость. Применение для этих целей МДО-покрытия представляется перспективным в силу большего по сравнению с алюминиевым сплавом модуля упругости МДО-покрытия. На этапе развёртывания трубы балки испытывают значительную изгибающую нагрузку, поэтому предлагаемый алюминиевый сплав с нанесённым на него МДО-покрытием кроме повышенной жёсткости должен обладать достаточной несущей способностью. Для выяснения влияния нанесённого МДО-покрытия на жёсткость и прочность труб из алюминиевого сплава был проведен ряд численных экспериментов.

В результате применения микродугового оксидирования алюминиевых сплавов и изучения его особенностей:

1) удалось снизить массу типового узла раскрытия;

2) удалось повысить надёжность функционирования узла качения;

3) были разработаны схемы и выбраны режимы нанесения МДО-покрытия на детали типового узла раскрытия;

4) проведено исследование влияния МДО-покрытия на жёсткость и прочность труб из алюминиевого сплава, которое установило, что наиболее целесообразным является нанесение покрытия на тонкостенные трубы с отношением площади покрытия к площади сечения более 50%, откуда следует, что увеличение толщины покрытия будет являться благоприятным фактором.