Сравнительные испытания материалов на стойкость к воздействию плазмы

Перспективные материалы и технологии в аэрокосмической отрасли

УДК 629.78.023.222

Е. Г. Вус, В. В. Миронович, И. В. Евкин, С. Г. Антонов ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева, Россия, Железногорск

А. Е. Михеев

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Россия, Красноярск

СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ МАТЕРИАЛОВ НА СТОЙКОСТЬ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ПЛАЗМЫ

Приведены результаты испытания полиимидной пленки, алюминиевой фольги и образцов с микродуговым оксидированием на стойкость к воздействию плазмы с помощью вакуумной камеры с установкой имитационной аргоновой плазмы.

Повышение конкурентоспособности, требования к ресурсу и надежности космического аппарата (КА) привели к необходимости прогнозирования негативного влияния стационарных плазменных двигателей (СПД), применяемых в качестве двигателей коррекции, на элементы КА. Негативными эффектами струй СПД на материалы КА являются эрозионное воздействие, заключающееся в уменьшении их толщины в результате длительной бомбардировки ионами струи, и загрязнении внешних поверхностей КА продуктами распыления. Предварительная оценка уровня эрозии углепластика КМУ-4, из которого состоит штанги и каркас БС, составляет от 103,5 до 827,6 мкм при длительности работы СПД 4 500 ч.

В настоящее время отделом материаловедения ОАО «ИСС» была разработана испытательная установка имитационной аргоновой плазмы на базе вакуумной камеры «Булат», которая позволяет при испытаниях сравнивать характеристики стойкости материалов к воздействию плазмы, что позволяет получить предварительную оценку распыления материалов, выбрать из них наиболее стойкие, рекомендовать их использовать на КА.

Известно, что к веществам, обладающим наибольшей стойкостью к воздействию плазмы инертных газов (аргона, ксенона), относятся оксиды. В СибГАУ имеется технология получения покрытий из оксида алюминия методом микродугового оксидирования (МДО) алюминиевой фольги. На данный момент проводятся работы по отработке технологических режимов получения покрытий с наибольшей стойкостью.

В работе приведены результаты испытаний сравнения стойкости трех материалов (алюминиевой фольги АД1, полиимидной пленки (ПМ) и алюминиевых образцов с покрытием, нанесенным МДО) на воздействие плазмы в вакуумной камере. Алюминий покрывает большинство поверхностей КА, поли-имидная пленка используется в качестве защитного покрытия от воздействия плазмы, образцы с МДО представляют интерес в качестве замены полиимид-ной пленки в качестве защитного покрытия. Из каждого материала были изготовлены по 4 образца. Технологические режимы МДО, применяемые электролиты и толщины покрытий приведены в табл. 1.

Приведем режим испытания в камере «Булат»: ток на катушке соленоида - 2,5 А, напряжение на аноде -в переделах 800 В, ток разряда - 15 мА. Расчетное значение плотности теплового потока, создаваемого плазменной струей ионного источника, составила 0,008 Вт/см2. Расстояние от столика с образцами до генератора плазмы равно 150 мм. Угол падения ионов на поверхность образцов - около 90о. Длительность обработки - 60 мин.

Результаты измерения массы и толщины образцов до и после испытания представлены в табл. 2 и 3, также в табл. 2 приведены результаты расчета потери массы (ПМ).

ПМ образцов рассчитываются по формуле

М' - М" ПМ=-^-^ • 100%,

Мобр

где М'обр - масса образца до испытаний, г; М"обр -масса образца после испытания, г.

Таблица 1

Режимы МДО, электролиты и толщины покрытий

№ Электролит Ток анода, А/дм2 Ток катода, А/дм2 Время оксидия, мин Толщина обр-ца, мм Толщина покрытия, мм

1 КОН - 4 г/л Ка2БЮ3 - 10 г/л КМп04 - 13 г/л 15 15 40 0,125 0,027

2 Ка6Р6012 - 40 г/л 15 15 30 0,100 0,022

3 15 18 30 0,100 0,008

4 КаИ2Р04*12И20 - 40 г/л Ка2Б407*10И20 - 30 г/л - 10 г/л 15 15 60 0,111 0,013

Решетневскце чтения

Таблица 2

Изменение массы образцов до и после испытания

Образцы Масса образцов. г Изменение, г (М'обр - М"обр) ПМ, %

М'обр М"обр

ПМ 1 0,22837 0,22679 0,00158 0,692

2 0,23180 0,23021 0,00159 0,686

3 0,23860 0,23713 0,00147 0,616

4 0,23080 0,22951 0,00129 0,559

Среднее значение 0,00148 0,638

МДО 1 0,42791 0,42728 0,00063 0,147

2 0,42808 0,42751 0,00057 0,133

3 0,46758 0,46683 0,00075 0,160

4 0,45192 0,45072 0,00120 0,265

Среднее значение 0,00079 0,177

АД1 1 0,41936 0,41904 0,00032 0,076

2 0,42135 0,42104 0,00031 0,073

3 0,42358 0,42329 0,00029 0,068

4 0,42582 0,42552 0,00030 0,070

Среднее значение 0,00031 0,072

Таблица 3

Изменение толщины образцов до и после испытания

Образцы Толщина образцов, мм Изменение

До испытания После испытания (Тдо - Тпосле), мм

1 0,097 0,096 0,001

ПМ 2 0,105 0,098 0,007

3 0,103 0,099 0,004

4 0,100 0,097 0,003

Среднее значение 0,00375

1 0,100 0,099 0,001

МДО 2 0,100 0,099 0,001

3 0,125 0,125 0

4 0,111 0,110 0,001

Среднее значение 0,00075

1 0,096 0,095 0,001

АД1 2 0,096 0,095 0,001

3 0,096 0,092 0,004

4 0,096 0,094 0,002

Среднее значение 0,002

Максимально изменялись масса и толщина у образцов полиимидной пленки. Образцы МДО потеряли массу большую, чем образцы алюминиевой фольги, но, тем не менее, толщина некоторых образцов МДО изменилась меньше, чем образцов алюминиевой фольги. Это говорит о том, что некоторые образцы

метода микродугового оксидирования показали себя более стойкими к воздействию плазмы, чем поли-имидная пленка и алюминиевая фольга, и необходимо дальше разрабатывать технологические режимы получения покрытия МДО в части стабилизации их характеристик.

E. G. Vus, V. V. Mironovitch, I. V. Evkin, S. G. Antonov JSC «Academician M. F. Reshetnev «Information Satellite Systems», Russia, Zheleznogorsk

A. E. Mikheev

Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev, Russia, Krasnoyarsk

COMPARATIVE TESTS OF MATERIALS FOR DURABILITY TO PLASMA INFLUENCE

The authors present results of durability test of polyimide films, aluminium foil and samples with microarc oxidized against plasma by means of the vacuum chamber with installation imitating argon's plasmas.

© Вус Е. Г., Михеев А. Е., Миронович В. В., Евкин И. В., Антонов С. Г., 2001