ОГНЕТЕПЛОЗАЩИТНОЕ ПОКРЫТИЕ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
FIRE-HEAT-SHIELDING COATING AND INSTALLATION FOR PRODUCING SUCH SHIELDING

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано в сверхзвуковых частях сопел ракетных двигателей твердого топлива, газогенераторах различного назначения.
Известно активное теплозащитное покрытие с внешним уносом массы, представляющее собой сублимирующее покрытие, состоящее из минерального наполнителя (например, минеральных солей типа Mg3N2, SI3N4, AIN, NH4F, NH4C1, AlF3, ZnO, CdO и т.д.) и органической связки (например, фенольных, эпоксидных, кремнийорганических смол). Известны активные ТЗП с комбинированным уносом массы, которые представляют собой композиционные материалы, содержащие уносящийся (разлагающийся) наполнитель, заполняющий пространство внутри каркаса, образованного связующим материалом [Липанов A.M., Алиев А.В. Проектирование ракетных двигателей твердого топлива: Учебник для студентов вузов. М.: Машиностроение, 1995, стр.214].
Известно также активное теплозащитное покрытие с внутренним уносом массы, представляющее собой тугоплавкий пористый материал, пропитанный хладагентом, - металлами, минералами или органическими соединениями, с низкой температурой плавления и испарения, но с высокой теплотой плавления и испарения, в которых в качестве пористого каркаса могут использоваться металлы: вольфрам, молибден и т.п. [Липанов A.M., Алиев А.В. Проектирование ракетных двигателей твердого топлива: Учебник для студентов вузов. М.: Машиностроение, 1995, стр.213].
3
3
Недостатками известных покрытий являются: высокая плотность материала пористого каркаса (вольфрам - 19380 кг/м, тантал - 16610 кг/м, молибден -
3
10240 кг/м), что ограничивает область их применения в теплозащите сопел ракетных двигателей; относительно невысокие допустимые рабочие температуры (вольфрам - 1970-2370 К, тантал - 2350 К, молибден - 2320 К).
Известна установка дугового распыления графитовых и графитсодержащих цилиндрических электродов. [Kratschmer W., Lamb L.D., Fostipopoulos К., Huffman D.R.//Nature. 1990, 347, стр.354]. Эти установки относятся к установкам, служащим для получения углеродных нанотрубок и других наноструктур. В этих установках используются графитовые и графитсодержащие электроды цилиндрического типа с диаметром до 15-30 мм и длиной до 100-200 мм.
Недостатками установки дугового распыления графитовых и графитсодержащих цилиндрических электродов являются: невозможность получения равномерного по толщине слоя материала на плоской поверхности и регулирования толщины слоя по продольной координате; высокие затраты электроэнергии при работе установки.
Задачей изобретений является: 1) уменьшение массы теплозащитного покрытия при сохранении показателей тепловой эффективности; 2) автоматизация процесса нанесения этого покрытия на внутреннюю стенку соплового блока ракетного двигателя твердого топлива.
Поставленные задачи достигаются тем, что покрытие выполнено в виде наноструктурного материала, который включает совокупность атомов металла или металлов, инкапсулированных внутрь углеродных нанотрубок и/или других наночастиц, образующих пористый каркас. Автоматизация процесса нанесения теплозащитного покрытия достигается использованием анодного узла установки, состоящего из одной, двух и более частей (секторов), выполненных из смеси углерода и металла-катализатора. В качестве катода используется электропроводящая подложка.
Графитсодержащий анод состоит из смеси графита и порошкообразного металла-катализатора. Металл для использования его в качестве электрода выбирают в зависимости от способности его к инкапсуляции внутрь углеродных нанотрубок и/или других наночастиц и необходимых теплофизических и физико-химических свойств получаемого теплозащитного покрытия. Эксперименты по дуговому распылению редкоземельных металлов (Sc, Y, La, Се, Pr, Nd, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Lu) показали, что они капсулируются в виде карбидов, кроме металлов Sm, Eu, Yb [М. Tomita, Y. Saito and T. Hayashi. LaC2 encapsulated in graphite nanopartical. Jap. J. Appl. Phys., стр.280 (1993); Y. Saito. Nanoparticals in filled nanocapsule. Carbon, 979, стр.33, (1995)]. Распыление металлов железной группы (Fe, Со, Ni) говорит о капсуляции этих материалов внутрь углеродной нанотрубки [Харрис.П. Углеродные нанотрубки и родственные структуры. Новые материалы XXI века. Пер. с англ. и с дополнением Л.А.Чернозатонского. - М.: Техносфера, 2003. - 336 с., с.196-197]. Массовая доля металла в графитсодержащем электроде подбирается такой, чтобы степень заполнения углеродных нанотрубок и/или других наночастиц была оптимальной и обеспечивала заданные теплофизические свойства теплозащитного покрытия. Массовая доля металла составляет 15-35% массы графитсодержащего электрода. Перед установкой анодов необходимо произвести операцию их дегазации в вакууме при температуре 1100-1400К [Новакова А.А., Киселева Т.Ю., Тарасов Б.П. и др. Углеродные наноструктуры, полученные на Fe-Ni катализаторе // International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology. ISJAEE №3(11) (2004)].
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на Фиг.1 представлена структурная схема установки для получения теплозащитного покрытия. На Фиг.2 (вид сбоку) и на Фиг.3 (вид справа) изображена нанотрубка, заполненная атомами металла и используемая в заявляемом теплозащитном покрытии. На Фиг.4 изображен углеродный фуллерен, заполненный атомами металла. На Фиг.5 изображен углеродный наноконус, заполненный атомами металла.
Заявляемое теплозащитное покрытие работает следующим образом. Воздействие высоких температур от внешнего источника приводит к увеличению внутренней энергии всей системы атомов (атомов углерода наночастиц и атомов металла, инкапсулированного внутрь наночастиц). При достижении температуры поверхности теплозащитного покрытия некоторого значения, при котором происходят разрушение кристаллической решетки металла и переход его в расплавленное состояние, происходит явление выхода атомов металла из открытых нанотрубок и наночастиц; при выходе атомов металла из нанотрубок и наночастиц суммарная энергия всей системы уменьшается, что сопровождается снижением ее температуры. Численные расчеты показали снижение температуры системы нанотрубка-металл при вылете атомов металла в среднем на 150-170К.
Заявляемая установка для нанесения теплозащитного покрытия состоит из следующих узлов: 1 - электродвигатель; 2 - редуктор; 3 - подставка под редуктор и электродвигатель, 4 - муфта, 5 - отверстия для подачи гелия, 6 - корпус установки, 7 - катод, 8 - телескопические поршни, 9 - вал, 10 - подложка, 11 - корпус заготовки раструба сопла, 12 - воздуховод, 13 - баллон высокого давления, 14 - рельсы, 15 - отверстия для выпуска гелия, 16 - железнодорожное колесо.
На внутреннюю стенку защищаемой от теплового воздействия конструкции соплового блока ракетного двигателя твердого топлива наносится слой покрытия подложки 10, обладающего высокой электропроводящей способностью, хорошими пластическими свойствами и высокими адгезионными параметрами к материалу защищаемой конструкции. Внутрь заготовки соплового блока ракетного двигателя твердого топлива помещается вал 9. На валу установлены графитсодержащие электроды - аноды 7, имеющие форму секторов цилиндра или усеченного конуса. Количество электродов зависит от конструкции установки, ее габаритных размеров и массы электродов, необходимой для получения покрытия заданной толщины на заданном участке внутренней стенки соплового блока. Изменение расстояния между внешней поверхностью анода и внутренней поверхностью соплового блока осуществляется посредством раздвижного механизма, состоящего из телескопических поршней 8. Заготовка соплового блока ракетного двигателя твердого топлива с нанесенным на внутреннюю поверхность слоем материала подложки помещается внутрь корпуса установки дугового распыления 6. Один конец вала присоединен посредством муфты 4 к редуктору 2. Редуктор в свою очередь соединен с электродвигателем 1, который, преобразуя электрическую энергию в механическую энергию, посредством вала передает вращательное движение с заданной угловой скоростью на графитсодержащий электрод. С помощью дополнительных двигателей задается линейное поступательное перемещение соплового блока относительно линейно неперемещающегося анода. Таким образом, обеспечивается поступательно-вращательное движение графитсодержащих анодов по отношению к заготовке соплового блока. После установления заготовки соплового блока внутри корпуса установки и закрытия крышки установки 6 в камеру подается очищенный гелий до тех пор, пока не будет достигнуто давление в камере 550-600 атм.
Очищенный газ гелий подается через отверстия в корпусе установки для электродугового распыления. Через аналогичные отверстия, расположенные с другого конца, осуществляется отвод гелия к насосу. Таким образом создается циркуляция гелия, а в камере обеспечивается высокое давление. Давление гелия в испарительной камере играет важную роль при получении хорошего выхода нанотрубок высокого качества. Увеличение в числе нанотрубок наблюдалось с увеличением давления. При давлении выше 550 атм не наблюдается никакого явного изменения в качестве образца, но наблюдается спад в общем выходе.
Затем производится включение электродвигателя 1 и анод 7, установленный на валу 9, начинает вращаться с заданной угловой скоростью.
Позиция анода программно регулируется извне камеры посредством телескопических поршней так, чтобы поддерживалась постоянной щель между электродами во время дугового испарения. В установке используется подача энергии стабилизированного напряжения в 20 вольт, при котором поддерживается разряд. Величина тока зависит от размеров стержней, промежутка между ними, давления газа и т.д. Величина тока должна поддерживаться как можно более низкой, соответствующей поддержанию стабильной плазмы, но выбирается в диапазоне 50-100 А. Напряжение должно включаться, когда давление стабилизируется. В начале эксперимента электроды не должны касаться друг друга, чтобы не было тока. Затем анод постепенно подвигают ближе к катоду, пока не загорится дуга. После установления стабильной дуги щель между электродами должна поддерживаться около 1 мм или немного меньше. Поверхность анода обычно сгорает со скоростью несколько миллиметров в минуту. Как только стержень выгорит, подача электроэнергии должна быть прекращена, и перед открытием камеру оставляют до полного ее охлаждения.
В пространство под телескопическими поршнями 8 по валу - воздуховоду 9 осуществляется подача воздуха под давлением, необходимым для перемещения анодов 7. При достижении поверхности анода расстояния 1 мм до поверхности подложки 10 осуществляется подача электроэнергии к аноду 7. Подача электроэнергии осуществляется посредством электрического провода с заданной площадью поперечного сечения, который располагается внутри воздуховода. При горении дуги происходит конденсация материала анода на поверхности подложки 10. Равномерность нанесения теплозащитного покрытия по толщине вдоль оси заготовки на внутреннюю поверхность соплового блока обеспечивается линейным перемещением графитсодержащих анодов 7 вдоль оси соплового блока. В результате дугового испарения на внутренней поверхности соплового блока ракетного двигателя твердого топлива образуется теплозащитный слой, состоящий из тугоплавкого пористого каркаса (углеродные нанотрубки и/или другие наночастицы) и хладагента (металлы с низкой температурой плавления, но с высокой теплотой плавления и испарения). Часть нанотрубок и/или наночастиц оказываются заполненными металлом-катализатором. После прекращения подачи электроэнергии на электроды и охлаждения камеры крышка установки снимается, вал разбирается и вынимается, сопловой блок с нанесенным на его поверхность теплозащитным покрытием извлекается из установки.
Благодаря использованию в качестве пористой основы теплозащитного покрытия наночастиц возможно достижение увеличения эрозионной стойкости покрытия по сравнению с аналогами при воздействии высокоскоростного высокотемпературного газового потока. Увеличение эрозионной стойкости покрытия обеспечивается высокой адгезией между слоями теплозащитного покрытия (слоями углеродных нанотрубок и/или других наночастиц). Это обусловлено Ван-дер-Ваальсовыми взаимодействиями между атомами металла, заключенными в соседние наночастицы, расположенные в соседних слоях. В прототипе к теплозащитному покрытию, как правило, используются металлы вольфрам и медь, а теплозащитный слой получают методом порошковой металлургии. Применение же установки для нанесения теплозащитного слоя увеличивает безопасность производственного процесса. Использование теплозащитного покрытия, включающего углеродные нанотрубки и другие наночастицы, а также установки для его нанесения, приводит к автоматизации производственного процесса получения тепловой защиты. При этом уменьшается количество необходимых рабочих мест, а весь процесс нанесения может контролировать оператор станка с числовым программным управлением.