ШПАНГОУТ АНТЕННОГО ОБТЕКАТЕЛЯ РАКЕТЫ ИЗ ИНВАРНОГО СПЛАВА

Полезная модель относится к области авиационной и ракетной техники, к деталям конструкций антенных обтекателей ракет, в частности, к шпангоутам.
Высокие эксплуатационные характеристики ракетной техники обеспечиваются как конструктивными особенностями изделий, так и выбором материалов для изготовления элементов конструкции. Для обеспечения надежности и точностных характеристик необходимо сочетание по ТКЛР материала обтекателя и переходного элемента (шпангоута) в интервале температур от -60 до 350-400°С.
Известен шпангоут, выполненный из инварного сплава, расположенный в антенном обтекателе скоростной самонаводящейся ракеты, (патент RU 2090956, МПК H01Q 1/42, опубликован 20.09.1997)
Известен шпангоут, выполненный из инвара и соединенный слоем герметика с радиопрозрачной оболочкой антенного обтекаталя ракеты. (патент RU 2556262, МПК H01Q 1/42, опубликован 10.07.2005)
Известен шпангоут, выполненный из инварного сплава, соединенный с силовым элементом оболочки головного антенного обтекателя ракеты. (патент RU 2209494, МПК H01Q 1/42, опубликован 27.07.2003).
-6
-1
-6
-1
в
Во всех вышеперечисленных патентах не указан состав или марка инварного сплава. Как правило, под инварным сплавом, для изготовления подобных шпангоутов, являющихся в конструкции переходным соединительным элементом 2 на фиг.1, сопрягаемым через слой герметика 3 с радиопрозрачной оболочкой обтекателя 1, изготовленной из ситалла или диоксида кремния, подразумеваются сплавы марок 36Н или 32НКД. Основной недостаток этих сплавов узкий диапазон температур с минимальным температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР). Сплавы характеризуются минимальными значениями ТКЛР (ниже 1,5·10 К) в интервале температур 20-100°С. При нагреве до температур 300°С, средний ТКЛР в интервале 20-300°С достигает значений 4,8÷5,5·10К. Рассогласование по ТКЛР материалов обтекателя и шпангоута, при разогреве до температур 300÷400°С, вызывает возникновение критических напряжений, приводящих к разрушению конструкции ракеты. Еще один недостаток сплавов 36Н и 32НКД - невысокий уровень прочностных свойств (σ на уровне 500 МПа).
Известен шпангоут, расположенный в головном обтекателе летательного аппарата и выполненный из инварного сплава марки 32НКХБЛ следующего состава, мас. %:
Никель
- 31,5-33,0;
Кобальт
- 6,0-8,0
Хром
- 0,1-0,25
Ниобий
- 0,3-0,5
РЗМ (церий, лантан, празеодим, неодим) в сумме
- 0,05-0,25
Железо
- Остальное.
ТКЛР данного сплава в интервалах температур 20-200°С и 20-300°С находится в пределах
(М.Ю.Русин и др. «Опыт разработки головных обтекателей летательных аппаратов», журнал «Авиационно-космическая техника и технология», 2004 г., №5(13), с. 63-68 - прототип).
3
Шпангоут, выполненный из вышеуказанного сплава, достаточно хорошо согласуется по тепловому расширению с головным обтекателем, изготовленным из кварцевой керамики в диапазоне температур от 20 до 300°С. Недостатками шпангоута, выполненного из указанного инварного сплава, является относительно узкий интервал температур с минимальным ТКЛР, при охлаждении изделия ниже -50°С возможно образование α-фазы (мартенсита), которое приводит к значительному увеличению ТКЛР, а также невысокий уровень прочностных свойств, на уровне 500 МПа. Еще одним недостатком шпангоута-прототипа является неоднородность по составу и свойствам, обусловленная тем, что шпангоут изготовлен методом литья из сплава, содержащего ниобий, который при кристаллизации локализуется по границам зерен с образованием фазы типа NiNb. Образование второй фазы по границам структурных составляющих способно спровоцировать хрупкое разрушение изделия в процессе эксплуатации.
-6
-1
-6
-1
-6
-1
-6
-1
-6
-1
в
0,2
Задача, решаемая полезной моделью, заключается в получении шпангоута антенного обтекателя ракеты из инварного сплава улучшенного состава, который имеет расширенный диапазон температур эксплуатации (от -100 до +400°С), обусловленный низкими значениями теплового расширения (в интервале 20÷-70 ТКЛР сплава составляет 2,6÷3,0·10 К; в интервале 20÷100 - 1,4÷1,7·10 К; 20÷200 - 2,0÷2,6·10 К; 20÷300 - 2,8÷3,0·10 К20÷400 - 3,4÷3,7·10 К), а также обладать высокими прочностными свойствами (σ~1100 МПа, σ~ 1050 МПа).
Технический результат, на достижение которого направлена полезная модель, заключается в увеличении надежности и ресурса работы шпангоута антенного обтекателя ракеты из инварного сплава, путем расширения рабочего диапазона температур и увеличения прочности инварного сплава, используемого в изготовлении шпангоута антенного обтекателя ракеты.
Поставленная задача решается тем, что шпангоут антенного обтекателя ракеты из инварного сплава, включающий радиопрозрачную оболочку из кварцевой керамики, соединенную слоем герметика со шпангоутом из инвара, согласно изменению, выполнен из инвара, подвергнутого нагреву до температур 1150-1300°С и охлаждению в воду, а также изотермической выдержке при температурах 550-700°С в течение 1-6 часов, и содержащего следующие компоненты, мас. %:
Никель
- от 31,0÷33,5
Кобальт
- 4,5÷5,5
Углерод
- 0,30÷0,80
Титан
- 0,05÷0,20
Молибден
- 0,05÷0,4
Ванадий
- 1,1÷1,7
Ниобий
- 0,02÷0,1
Цирконий
- 0,01÷0,1
Железо
- остальное.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. 1 схематично изображен заявляемый шпангоут антенного обтекателя ракеты из инварного сплава.
Введение углерода в указанных количествах в инварные сплавы на основе системы железо-никель повышает стабильность ГЦК структуры к мартенситному превращению. Являясь источником упругих искажений в твердом растворе, углерод способствует протеканию процессов перераспределения атомов с образованием субмикронеоднородностей - областей, богатых и бедных никелем. В результате, создается атомно-магнитная структура, обеспечивающая формирование инварных и прочностных свойств. Присутствие углерода в сплаве, содержащем карбидообразующие элементы, способствует образованию высокопрочных карбидов с низким ТКЛР. Образование таких карбидов вызывает упрочнение сплавов при сохранении низкого значения ТКЛР. При содержании менее нижнего предела (0,30%) углерод практически не оказывает влияния на характер атомного распределения, образование карбидов и концентрационных неоднородностей в субмикрообъемах, в результате не достигается высокий уровень прочности. При содержании углерода выше указанного предела (0,50%) происходит охрупчивание сплава и уменьшение прочности, связанное с тем, что часть углерода выделяется в виде графита.
Кобальт в указанных количествах (9,4÷10,5) вводится в сплав, с целью уменьшения величины ТКЛР и повышению температуры Кюри, что способствует расширению (до 400°С) верхнего диапазона температур эксплуатации шпангоута.
Ванадий в указанных количествах (1,1÷1,5%) вводится в сплав с целью повышения предела прочности за счет образования высокопрочных карбидов ванадия. В связи с тем, что образование карбидов ванадия происходит гомогенно по всему объему зерна, это способствует упрочнению сплавов при сохранении достаточно высокого уровня пластичности. При содержании ванадия менее 1,1% его влияние на механические свойства несущественное. При содержании ванадия больше 1,5% происходит значительное повышение ТКЛР.
Введение в сплав титана (0,05÷0,20%), молибдена (0,05÷0,4%), циркония (0,01÷0,1%) и ниобия (0,02÷0,1%) препятствует росту зерна при нагреве изделия под закалку и тем самым препятствует охрупчиванию. При содержании этих элементов выше указанных пределов величина ТКЛР превышает указанные выше значения. Введение молибдена также препятствует выделению частиц упрочняющих фаз по границам зерен, что приводит к увеличению ударной вязкости, помимо этого молибден участвует в образовании сложных карбидов (Mo, V) С. Максимальное количество молибдена, необходимого для этой цели, не более 0,4%, повышение содержания увеличивает ТКЛР. При содержании молибдена менее 0,05% его влияние на свойства практически отсутствует.
Титан, молибден, ниобий и цирконий образуют мелкодисперсные упрочняющие фазы в процессе изотермической выдержки в течение 1-6 часов при температурах 550÷700°С.
При содержании компонентов меньше указанных, стимул для образования упрочняющих фаз будет незначительным, что не позволит добиться заметного упрочнения. При большем содержании компонентов происходит увеличение ТКЛР, что не позволит получить материал с минимальным значением ТКЛР.
23
6
2
Нагрев под закалку при температурах 1150÷1300°С необходим для перевода углерода и легирующих элементов в твердый раствор. Нагрев ниже 1150°С не обеспечивает растворение карбидов (МеС, МeС, МеС) и перевод углерода в твердый раствор. Часть углерода остается в виде карбидов, что, во-первых, усложняет технологию изготовления изделий (шпангоута), а во-вторых, не позволяет полностью реализовать дисперсионное упрочнение при последующей изотермической выдержке, что в свою очередь не позволяет достигнуть высокого уровня прочностных свойств.
При температурах нагрева выше 1300°С происходит выгорание углерода и значительное увеличение размеров зерна аустенита. Увеличение размеров зерна, при последующей изотермической выдержке приводит к выделению упрочняющих (карбидных и интерметаллидных) фаз преимущественно по границам зерен, что вызовет существенное охрупчивание изделия.
Изотермическая выдержка при температурах 550-700°С в течение 1-6 часов способствует наиболее полному протеканию процесса распада твердого раствора с образованием упрочняющих мелкодисперсных карбидных, и/или карбонитридных и интерметаллидных фаз.
Понижение температуры изотермической выдержки не приводит к существенному увеличению прочности. При температурах изотермической выдержки ниже 550°С не происходит существенного повышения прочности. Это связано с тем, что диффузионные процессы, обусловливающие выделение интерметаллидных фаз, затруднены. Для формирования упрочняющих интерметаллидных фаз требуются слишком большие времена выдержки, более 6 часов, что нецелесообразно.
При температуре выдержки выше указанных стимул для выделения интерметаллидных фаз не высокий, так как эти температуры близки к температурам распада упрочняющих интерметаллидных фаз. Поэтому эффект упрочнения, обусловленный выделением интерметаллидных фаз незначителен. Одновременно с этим при температурах выше 700°С происходит укрупнение карбидных фаз, что также неблагоприятно сказывается на прочностных характеристиках.
При изотермической выдержке в интервале температур 550÷700°С менее одного часа упрочняющие интерметаллидные фазы выделяются в незначительном количестве. Соответственно эффект интерметаллидного упрочнения невелик.
При временах выдержки в интервале температур 550÷700°С более 6 часов происходит увеличение количества интерметаллидных фаз, что приводит к обеднению твердого раствора никелем и соответственно к увеличению ТКЛР. Одновременно с этим при выдержках более 10 часов происходит коагуляция и увеличение размеров выделившихся интерметаллидных и карбидных фаз. Что приводит к разупрочнению и существенному охрупчиванию изделий.
Шпангоут антенного обтекателя ракеты из инварного сплава содержит радиопрозрачную оболочку из кварцевой керамики 1 (фиг. 1), соединенную слоем герметика 2 через диэлектрическую прокладку 3 со шпангоутом из инвара 4.
Конструктивные параметры заявляемого шпангоута антенного обтекателя ракеты из инварного сплава: толщины радиопрозрачной оболочки 1, слоя герметика 2 и диэлектрической прокладки 3 могут в каждом конкретном случае применения заявляемого устройства изменяться в зависимости от исходных и требуемых структуры и свойств инварного сплава шпангоута 4 при его изготовлении.
Пример реализации полезной модели
Шпангоут антенного обтекателя ракеты из инварного сплава изготавливается следующего состава, мас. %: никель - от 30,5%; кобальт -10,2%; углерод - 0,45%; титан - 0,15%; молибден - 0,2%; ванадий - 1,5%; ниобий - 0,06%; цирконий 0,05%; железо - остальное, выплавляли в вакуумной индукционной печи и разливали на слитки по 30 кг. Ковку и горячую прокатку на заготовку для шпангоута осуществляют при температуре 1150÷1170°С. Далее полученные заготовки нагревают до температуры 1250÷1300°С и охлаждают в воду. Из заготовок изготавливают образцы-свидетели, характеризующие уровень предела прочности и ТКЛР готового изделия. Образцы-свидетели подвергают изотермической выдержке (старению) при температуре 550-700°С в течение 1÷6 часов.
Предел прочности определяли по ГОСТ 1497, значения ТКЛР определяли с использованием кварцевого дилатометра фирмы LINSEIS модель L75 в соответствии с указаниями ГОСТ 14080.
в
0;2
-6
-1
-6
-1
-6
-1
-6
-1
-6
-1
По результатам испытаний все образцы-свидетели имеют следующий уровень свойств: σ -1100-1120 МПа; σ - 1000-1030 МПа; ТКЛР - в интервале 20÷-70 ТКЛР сплава составляет 2,7·10 К; в интервале 20÷100 - 1,5·10 К; 20÷200 - 2,3·10 К; 20÷300 - 2,8·10 К 20÷400 - 3,6·10 К.
Контроль микроструктуры показывает, что изделие имеет аустенитную структуру, содержащую порядка 20% равномерно распределенных мелкодисперсных карбидных и интерметаллидных фаз.
в
Таким образом, изделие (шпангоут), выполненное из указанного инварного сплава, обладает высокой механической прочностью (временное сопротивление разрыву (σ) более 1100 МПа) и низкими значениями коэффициента теплового линейного расширения (ТКЛР) в интервале температур от -70 до 400°С. Повышение прочности материала позволяет уменьшить толщину стенки шпангоута 4 (фиг.1) в 1,4 раза, что дает массогабаритные преимущества изделия в целом.