Нанесение МДО-покрытий на алюминиевую фольгу для защиты элементов конструкций космических аппаратов

Решетневские чтения

L. A. Babkina, L. V. Shumkova Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev, Russia, Krasnoyarsk

3D-MODELLING OF PIPELINES ELEMENTS

Questions of 3D-modeling of spacecraft pipelines elements having a difficult space design are considered.

© Бабкина Л. А., Шумкова Л. В., 2010

УДК 629.78.002.3

Е. В. Вахтеев, А. В. Гирн, А. Е. Михеев, И. В. Евкин

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

НАНЕСЕНИЕ МДО-ПОКРЫТИЙ НА АЛЮМИНИЕВУЮ ФОЛЬГУ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Проведено нанесение защитного покрытия микродуговым оксидированием на алюминиевую фольгу марки АД, отработаны режимы получения защитного покрытия из оксида алюминия. Проведены тестовые испытания образцов покрытия на воздействие плазменных струй стационарного плазменного двигателя космического аппарата.

Для увеличения срока службы и корректировки орбиты современные космические аппараты (КА) оснащаются стационарными плазменными двигателями (СПД). Основное достоинство плазменного двигателя -долговременное функционирование при относительно небольшом расходе рабочего тела. Поэтому они используются для корректировки спутниковых орбит. При всех плюсах применения данного типа двигателей, в ходе их эксплуатации выявляются некоторые отрицательные моменты, к которым относится воздействие продуктов горения рабочего тела на материалы конструкции КА.

В наибольшей степени дестабилизирующее воздействие плазменных струй СПД оказывает влияние на материалы поверхностей солнечных батарей -прежде всего штанги и корневого каркаса. Предварительная оценка эрозионно-загрязняющего воздействия плазмы, генерируемой стационарными плазменными двигателями, на поверхности платформы «Экс-пресс-1000Н» показала, что данное воздействие может оказать существенное дестабилизирующее воздействие на функционирование платформы [1].

В качестве решения проблемы эрозии элементов КА вследствие воздействия плазмы СПД предлагается на внешних поверхностях элементов применять материалы с высокой стойкостью к воздействию направленного потока ионов ксенона.

В работе предлагается защищать элементы конструкции КА, попадающие под действие плазмы СПД, тонкой (до 100 мкм) алюминиевой фольгой с антиэрозионным покрытием толщиной свыше 30 мкм, что приемлемо по весовым характеристикам. К веществам, обладающим наибольшей стойкостью к воздействию струи плазмы инертных газов (аргона, ксенона), относятся оксиды, в частности А12О3, для нанесения которого предлагается использовать метод микродугового оксидирования (МДО).

Для проведения экспериментальных исследований были изготовлены образцы защитного покрытия МДО. Изготовление образцов проводилось на установке МДО-3, источник питания которой позволяет осуществлять независимую регулировку анодной и катодной составляющих тока и одновременно стабилизировать средние величины этих токов, что существенно упрощает проведение процесса МДО и ведет к улучшению качества получаемых покрытий.

В качестве подложки использовались образцы фольги АД ГОСТ 4784-74 размерами 160x130 мм и толщиной 100 мкм. Микродуговое оксидирование образцов проводилось в слабощелочных водных электролитах следующих составов: №2 1 - №ОИ (5 г/л) + + Na2SiOз (10 г/л); №> 2 - КОН (5 г/л) + Na2SiOз (10 г/л). Толщину покрытий контролировали толщиномером ТТ260 и на поперечных шлифах при помощи оптического микроскопа. Микроструктуру защитного покрытия нанесенного МДО изучали с использованием металлографического исследовательского комплекса SIAM на базе оптического микроскопа ЛабоМет И2.

Металлографический анализ показал, что покрытие состоит из двух слоев:

1) внешнего пористого слоя, состоящего из смеси оксидов А12О3 + SiO2;

2) твердого слоя, примыкающего к металлу и содержащего преимущественно оксид алюминия двух модификаций: у-А12Оз и а-А12Оз.

Результаты исследований по оптимизации технологических параметров приведены на рисунке.

Были проведены испытания защитных покрытий на стойкость к воздействию плазмы. После воздействия плазмы у образцов алюминиевой фольги с микродуговым оксидированием поверхности внешний вид остался без изменений. Измерение толщины защитных покрытий производилось контактным способом с использованием многооборотного индикатора. В процессе воздействия плазмы толщина фольги уменьшилась на 3 мкм.

Проектирование и производство летательнъхаппаратов, космические исследования и проекты

1,2- ¡=40 А/дм2 3,4- ¡=20 А/дм2 эл. № 1 эл. № 2

0,8 0,1 а

h,

мнм

60

40

20

1,2-¡=40 А/дм2

- эл. № 1 - эл. № 2 --

у t у

/ У У - ~~ ~

10

20

30 б

40

50 t, мин

Изменение толщины МДО-покрытия в зависимости: а - от соотношения катодной и анодной составляющей токов (время обработки t = 30 мин); б - от времени обработки при Ц = 0,'

Измерение терморадиационных коэффициентов поглощения солнечной радиации As и степени черноты En, отражающих степень загрязнения поверхности, проводилось в соответствии с ОСТ 92-0909-69. Измерение коэффициента As проводилось фотометром ФМ-59М, коэффициента En - терморадиометром ТРМ-И. В результате исследования выявлено, что изменение коэффициентов As и En образцов после воздействия плазмы произошло незначительно, величина изменения коэффициентов находится в пределах погрешности измерений приборов. Отношение As/En составляет более 0,5, что соответствует необходимым при эксплуатации требованиям.

На основании проведенного исследования можно сделать вывод о том, что образцы из алюминиевой фольги с оксидным покрытием, нанесенным МДО, могут быть применены в качестве защитных материалов при производстве КА.

Библиографическая ссылка

1. Исследование загрязняющего воздействия собственной внешней атмосферы и плазмы стационарных плазменных двигателей на космическом аппарате «Экспресс-АМ» / В. А. Смирнов [и др.] // Вестник СибГАУ. Вып 2(10). 2006. С. 46-50.

E. V. Vahteev, A. V. Girn, A. E. Miheev, I. V. Evkin Siberian State Aerospace University named after M. F. Reshetnev, Russia, Krasnoyarsk

APPLICATION OF MICRO-ARC OXIDATION COVERINGS ON ALUMINUM FOIL TO PROTECT THE STRUCTURE ELEMENTS OF SPACECRAFT

The application of protective micro-arc oxidation covering to aluminum foil of AD mark was done. The procedures of extracting ofprotective coverings from aluminum oxide were developed. The tests of coverings samples were carried out to detect the influence of the plasma jet of a stationary plasma thruster of the spacecraft engine.

© Вахтеев Е. В., Гирн А. В., Михеев А. Е., Евкин И. В., 2010

УДК 620. 197

Е. В. Вахтеев, А. А. Михеев, Д. В. Орлова

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

АНАЛИЗ СПОСОБОВ ОКРАШИВАНИЯ ПОКРЫТИЙ, ПОЛУЧАЕМЫХ ПРИ МИКРОДУГОВОМ ОКСИДИРОВАНИИ НА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВАХ

Проведен анализ методов окрашивания МДО-покрытий, выявлены их недостатки, предложены направления дальнейших исследований.

Микродуговое оксидирование (МДО) - электрохимический способ обработки изделий из вентильных металлов. Получаемые при МДО защитные покрытия обладают уникальными физическими свойствами. В настоящее время наиболее отработанной технологией является получение МДО-покрытий на

алюминиевых сплавах в щелочном электролите. В результате на поверхности деталей образуется светло-серое керамикоподобное покрытие, состоящее из оксида алюминия в альфа- и гамма-фазах толщиной от 10 до 100 мкм, в зависимости от режимов и времени обработки.