Введение к работе
Актуальность работы
Среди многочисленных факторов, влияющих на функционирование радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) при ее эксплуатации в космическом пространстве, особо следует выделить воздействие полей ионизирующего излучения космического пространства (ИИКП), а также различных ударных, циклических и квазистатических нагрузок. Поэтому актуальными научно-техническими и технологическими задачами являются создание таких защитных корпусных конструкций для элементной базы, которые воспринимали бы на себя воздействие вышеперечисленных факторов и, тем самым, повышали надежность и долговечность эксплуатации РЭА космических аппаратов (КА). Перспективным направлением при создании защитных корпусных конструкций (корпусов, кожухов) приборов РЭА является использование сплавов на основе алюминия с добавками редкоземельных металлов (РЗМ). Такие сплавы по коррозионной стойкости и способности к нанесению покрытий аналогичны традиционным алюминий-магниевым сплавам, но, в месте с тем, превосходят их по ослаблению воздействия ИИКП, а также по характеристикам прочности.
Разработкой и исследованием сплавов на основе алюминия с добавками РЗМ занимались в России и за рубежом такие известные ученые, как Е.М. Савицкий, С.Б. Сидельников, В.Ю. Конкевич, Л.Л. Рохлин, Б.М. Фрейдин, F.H. Spedding, M. Hosseinifar, M. McGuire, O. Rios и др. Особую важность использования РЗМ при разработке новых сплавов на основе алюминия отмечали академик Е.Н. Каблов и его сотрудники О.Г. Оспенникова, А.В. Вершков. В конце 1970-х – начале 1980-х годов в ОАО «ВИЛС» совместно с КБ «Южмаш» был разработан сплав на основе алюминия с добавками РЗМ 01439, обладающий свойствами защиты от излучения и предназначенный для головной части ракеты. Затем в АО «Российские космические системы» (ФГУП «РНИИ КП») совместно с ОАО «ВИЛС», а также в АО «НИИ ТП» также были проведены исследования и получены ценные результаты по разработке новых сплавов на основе алюминия с добавками РЗМ. Отдельные физико-механические характеристики данных сплавов оказались лучше, чем у традиционно используемых в космическом приборостроении. Однако оптимальные химический состав и микроструктура, соответствующие наилучшему сочетанию механических свойств этих сплавов при различных способах нагружения не были выявлены.
В связи с этим в настоящей диссертационной работе была поставлена
цель – исследовать связи химического состава и структуры сплавов на основе алюминия с добавками РЗМ с комплексом механических свойств, обеспечивающих заданный уровень прочности и надежную эксплуатацию защитных корпусных конструкций приборов РЭА КА.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
исследовать влияние систем легирования и технологии получения на структуру сплавов на основе алюминия с добавками РЗМ;
исследовать влияние структуры на комплекс механических свойств сплавов, определяемых при статическом, динамическом и циклическом нагружениях;
применить математические методы планирования эксперимента при моделировании химического состава новых экспериментальных сплавов для улучшения уровня механических свойств;
разработать и экспериментально опробовать экспресс-методику оперативной оценки механических свойств новых сплавов на основе алюминия с добавками РЗМ и их сварных соединений индентированием без изготовления и испытания образцов на растяжение;
исследовать способы получения неразъемных соединений с определением механических свойств индентированием непосредственно в защитных корпусных конструкциях приборов РЭА КА.
Методы исследования
В процессе выполнения диссертационной работы были проведены материаловедческие исследования, включая структурно-фазовый анализ опытных сплавов методами оптической и электронной микроскопии. Для определения механических свойств новых опытных сплавов и их сварных соединений были проведены испытания образцов на растяжение, усталость, ударный изгиб с оценкой ударной вязкости и ее составляющих (работы зарождения и работы распространения трещины), а также динамической трещиностойкости. С целью определения химического состава, соответствующего лучшему сочетанию механических свойств сплавов, использовался метод математического моделирования. В ходе исследования применялись статистические методы обработки экспериментальных данных. Для разработки безобразцового метода контроля механических свойств новых опытных сплавов и их сварных соединений были применены современные методы индентирования, включая кинетическое (инструментальное) индентирование с регистрацией диаграмм вдавливания.
В качестве объекта исследования были использованы образцы из новых сплавов на основе алюминия с добавками РЗМ трех систем легирования:
система I – Al-Dy-La-Cr-Zr; система II – Al-Ce-Cr-Zr; система III – Al-Mg-Sc-Zr-La-Ce. Все сплавы получены с применением гранульной технологии.
Научная новизна работы
-
Установлено влияние количества и номенклатуры РЗМ в составе сплава на структуру и механические свойства, что позволило выявить наиболее оптимальную систему легирования.
-
Установлено влияние технологии получения гранул сплавов на их микроструктуру и механические свойства. Технология с использованием установки центробежного распыления дает возможность получить более мелкодисперсную структуру с лучшими механическими характеристиками за счет более высокой скорости охлаждения сплава, чем технология с использованием установки вибрационного литья.
-
Установлена взаимосвязь между химическим составом и механическими свойствами сплавов на основе алюминия с добавками РЗМ с использованием методов математического моделирования. Дополнительный учет при моделировании и регрессионном анализе отношения предела текучести к временному сопротивлению позволяет более обоснованно выбрать химический состав сплава.
-
Обоснована методика безобразцового определения механических свойств сплавов на основе алюминия с добавками РЗМ, основанная на связи диаграмм вдавливания и растяжения в области равномерной деформации. Надежность и достоверность полученных результатов подтверждены
использованием в экспериментальных исследованиях современных (мирового уровня) аттестованных машин и приборов, государственных стандартов на методы определения механических свойств металлов, анализа химического состава и микроструктуры, а также типовых методов математического моделирования и статистической обработки экспериментальных данных.
Личный вклад автора
Автор принимал участие в постановке цели и задач исследования, проведении экспериментальных исследований, обсуждении полученных результатов и подготовке публикаций. Все эксперименты, выполненные в настоящей работе, проведены самим соискателем или при его непосредственном участии.
На защиту выносятся следующие положения и результаты
1. Анализ и заключение по оптимальным структурно-фазовому составу и механическим свойствам сплавов на основе алюминия с добавками РЗМ трех систем легирования (система I – Al-Dy-La-Cr-Zr; система II – Al-Ce-Cr-Zr; система III – Al-Mg-Sc-Zr-La-Ce).
-
Связи между структурой, механическими свойствами и химическим составом исследуемых сплавов, позволяющие подобрать оптимальные технологию получения и систему легирования для планирования эксперимента и разработки математической модели данной системы легирования.
-
Экспресс-методика безобразцового определения механических свойств сплавов на основе алюминия с добавками РЗМ по диаграммам вдавливания сферического индентора.
Практическая значимость результатов работы
Результаты выполненных исследований позволили оценить влияние химического состава и технологии получения сплавов на основе алюминия с добавками РЗМ на их структуру, механические и технологические характеристики. Это дает возможность обоснованно выбрать направление для дальнейших исследований и разработки данных сплавов.
Предложена экспресс-методика безобразцового контроля механических свойств алюминиевых сплавов с добавками РЗМ индентированием для определения модуля нормальной упругости E, предела текучести 0,2, временного сопротивления В и относительного равномерного удлинения р на стадии отработки технологического процесса получения сплавов и корректировки химического состава. Это позволяет сократить затраты времени и материалов для подготовки и проведения испытаний, а также получить дополнительные сведения о механических характеристиках в локальных зонах заготовок, сварных соединений и готовых изделий.
Реализация и внедрение результатов работы
Установленные связи между структурой и механическими свойствами позволили определить оптимальную систему легирования сплава алюминия с добавками РЗМ, а также выбрать предпочтительный способ получения сплавов. Данные результаты будут учтены и использованы в дальнейшей работе по созданию и внедрению новых перспективных сплавов на основе алюминия с добавками РЗМ в космическом приборостроении в качестве материалов корпусных конструкций приборов РЭА КА для защиты от воздействия эксплуатационных факторов.
Предложенная экспресс-методика безобразцового контроля механических свойств сплавов на основе алюминия с добавками РЗМ была апробирована и использована для контроля механических свойств основного метала и металла сварных соединений на прототипах защитных кожухов в АО «Российские космические системы» (прилагается акт об использовании).
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы представлены
и обсуждены на следующих конференциях:
– XVIII-XXI Международных научно-технических конференциях студентов
и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»
(г. Москва, НИУ «МЭИ», 2012-2016); – V Международной конференции «Деформация и разрушение материалов и
наноматериалов» DFMN-2013 (г. Москва, ИМЕТ РАН, 2013 г.); – XII Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и
аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов»
(г. Москва, ИМЕТ РАН, 2015); – VI, VIII Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные
проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных
технологий» (г.Москва, ОАО «Российские космические системы», 2013 г.); – VI всероссийской конференции по испытаниям и исследованиям свойств
материалов «ТестМат» (г. Москва, ФГУП "ВИАМ" ГНЦ РФ, 2015); – Международной конференции «Электронно-лучевая сварка и смежные технологии» (г. Москва, МЭИ, 2015 г).
Публикации
По теме диссертации опубликованы 14 работ в российских и международных научных журналах, сборниках конференций, в том числе 4 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ (одна из них представлена в библиометрической базе данных SCOPUS).
Структура и объем диссертации