Наноэкструзионная технология изготовления конструкционных алюминиевых профилей

Одной из проблем, связанной с космическим машиностроением, является максимально возможное снижение массы как основных деталей и узлов собственно космического аппарата (КА), так и средств запуска, в состав которых входит вспомогательный узел - адаптер, предназначенный для механического соединения КА с ракетой-носителем.

Пенозаполненный адаптер

В работе [1] с целью уменьшения массы адаптера (Сone 3936 – Конус 3936), одного из компонентов ракеты-носителя «Ариан-5» (длина – 59 м, диаметр – 5,4 м), его собирали из сегментов, заполненных алюминиевой пеной ( aluminium foam sandwiches ). Технология изготовления сегментов включала следующие последовательные операции. Контейнер из листового металла заполняли потошковым сплавом состава (6,0 % Si; 10,0 % Cu;

Al – ост.), легирующими элементами и порошком гидрида титана TiH2 с последующим уплотнением. Полученный компактный продукт (прекурсор) помещали между алюминиевыми листами толщиной 1,5 мм и подвергали его прокатке, затем нагревали до расплавления металлических компонентов и разложения TiH2 с выделением водорода, который и образовывал пенопористую структуру, фиксирующуюся при последующем охлаждении. Толщина сэндвича составляла 25 мм.

Для придания сэндвичу требуемой толщины и устранения деформации поверхности, вызванной образованием пены, его подвергали повторному прессованию. Полученные заготовки резали лазером до нужных размеров. Сегмент с требуемой криволинейной геометрией получали путем прессования заготовок с помощью специального штампа, а конечные его размеры получали обработкой резанием. На рис. 1 показан готовый сегмент с хорошо видимой пенопористой структурой.

Отдельные сегменты собирали в конструкцию конического адаптера с помощью сварки плавлением. Адаптер, собранный из 12 пеноалю-миниевых сегментов (рис. 2), показан на рис. 3.

а

Наноэкструзионная технология изготовления конструкционных алюминиевых профилей

б

Рис. 1. Пеноалюминиевый сегмент: а – общий вид; б – увеличенный фрагмент [1]

Диаметр верхней его части составляет 2,6 м, нижней - 3,9 м, высота 0,8 м, масса 200–210 кг.

Выигрыш в применении пенозаполненного адаптера можно показать на примере применения пены в авиации при изготовлении крыльев самолета. На рис. 4 показан фрагмент передней кромки крыла самолета [2], изготовленного из листового деформируемого алюминиевого сплава, до (а) и после (б) заполнения полости пеной сплава Al - 10 % Si (р = 0,90 г/см3). В качестве порофо-ра применяли гидрид титана TiH2. Толщина листа пустотелой кромки стандартной конструкции составляла 2,5 мм, а в результате заполнения пено- сплавом ее уменьшили до 1,5 мм. Испытания на удар показали, что деформация пустотелой кромки составляет 9,8 ± 0,4 %, тогда как заполненной пеносплавом – 2,5 ± 0,1 % (меньше ~ в 4 раза). Очевидно, такими же преимуществами обладает и пенозаполненный адаптер.

Анизогридные конструкции. В различных отраслях техники, в строительной индустрии и в других областях широко применяются металлические детали, длина которых значительно превышает размеры профильного сечения. Из таких деталей создают ажурные пустотелые объемные конструкции, такие, например, как Эйфелева баш-

Рис. 2. Конструкция конуса, состоящего из 12 сегментов, собранных между верхним кольцом и нижним фланцем [1]

Рис. 3. Собранный адаптер [1]

Рис. 4. Передняя кромка крыла самолета: до ( а ) и после ( б ) заполнения пеносплавом Al - 10 % Si [2]

■_■ ИССЛЕДОВАНИЯ

Havko-

Ж ГРАДА

а

Рис. 5. Металлический ( а ) и сетчатый композитный ( б ) адаптеры [3]

б

ня и многие объемные конструкции российского инженера В. Г. Шухова, из которых хорошо известна телевизионная башня на Шаболовке. К таким конструкциям относятся и анизогридные сетчатые конструкции, широко применяемые в космической технике [3] для изготовления различных объемных трубчатых и конических конструкций, включая «переходный отсек» (адаптер), обеспечивающий механическое соединение космического аппарата с ракетой-носителем. Такие адаптеры пришли на смену металлическим адаптерам (рис. 5).

Алюминиевые профили с волокнистой структурой. При этом возможен еще один вариант изготовления адаптеров и других сетчатых конструкций с применением алюминиевых профилей с волокнистым внутренним строением, которые получают путем прессования (экструзии) композиции, состоящей из частиц алюминия и нанопорошков (НП) химических соединений. Следует отметить, что этому новому классу материалов в последнее время уделяется большое внимание. НП представляют собой сверхмелкозернистые образования с размерами частиц, не превышающими 100 нм (1 нм = 10^-9 м) [4], которые обладают уникальными физико-химическими и механическими свойствами, существенно отличающимися от свойств материалов того же химического состава в массивном состоянии [5], которые могут в определенной степени передаваться получаемым из них или с их участием изделиям. Причина уникальности свойств НП заключается в том, что количество атомов в их поверхностном слое и в объеме оказывается соизмеримым [6]. Наночастицы обладают существенно искаженной кристаллической решеткой, что влияет на энергию активации большинства процессов, в которых они участвуют, меняя их привычный ход и последовательность.

Обладающие специфическими свойствами НП при их применении в технике могут обеспечить получение новых материалов с заданными характеристиками [7], что было нами установлено на целом ряде чугунов, сталей и алюмини-

Рис. 6. Типичные профили с волокнистой структурой, отпрессованные из алюминиевого деформируемого сплава Д1 и нанопорошка нитрида титана TiN.

Для оценки размеров профилей -см. в левом верхнем углу фотографии – показаны две цилиндрические технологические пробы ∅ 72 мм

Рис. 7. Пруток, отпрессованный из алюминиевых гранул и НП евых сплавов в виде повышения механических свойств литых изделий в результате введения в расплав различных НП (нитриды, карбиды, оксиды и др.) [8].

Технология получения профилей. В тонкостенный алюминиевый контейнер засыпали плакированные нанопорошком частицы алюминия или конструкционных алюминиевых деформируемых сплавов. Затем отверстие в контейнере закрывали

Наноэкструзионная технология изготовления конструкционных алюминиевых профилей алюминиевой крышкой и производили ее заваль-цовку. Контейнер помещали в контейнер гидравлического пресса и с усилием прессования 100.. .120 тс со скоростью 3,5 см/с производили прессование прутков диаметром от 5 до 9,5 мм. В результате получали профили, геометрия которых определялась геометрией отверстия фильеры (рис. 6).

Полученные таким способом профили имели тонкостенную оболочку (десятые доли мм) и внутреннее волокнистое строение, что видно на примере прутка (рис. 7). Это объясняется тем, что из-за нахождения на поверхности гранул частиц НП в процессе экструзии гранулы деформировались изолированно друг от друга, что подтверждается результатами микроскопического изучения поверхности как плакированных частиц алюминия, так и волокон.

В прутках диаметром 9,5 мм насчитывалось от 1100 до 1200 волокон сечением 0,005…0,075 мм2. Расчет показал, что длина таких волокон в зависимости от размера гранул находилась в диапазоне 400…3200 мм.

При испытании механических свойств профилей, отпрессованных из гранул алюминиевых деформируемых сплавов, были получены:

а_в = 98,1 МПа, а₀ , ₂ = 48,1 МПа и 5 = 42,8 мм, тогда как при прессовании таких же профилей из гранул + НП BN σ_в повышается до 113,8 МПа (больше на16,0 %), σ_0,2 до 56,9 МПа (больше на 18,3 %) и 5 до 43,2 (больше на 0,9 %), а из гранул + НП TiCN – σ_в до 121,6 МПа (больше на 24,0 %), σ_0,2 до 59,9 МПа (больше на 22,5 %) и δ до 43,9 (больше на 2,6 %).

В процессе проведения экспериментов (большая часть исследований выполнена в производственных условиях) было установлено, что независимо от химического состава НП, их кристаллической системы и класса, элементов симметрии, пространственной группы, структурного типа, периода решетки, плотности, температуры плавления и других рассмотренных параметров все они создавали близкий рост механических свойств изделий.

Заключение

На основании полученных результатов можно считать, что профили с волокнистой структурой могут найти применение для изготовления сетчатых конструкций.