Введение к работе
Актуальность темы. Одним из критериев оценки качества космических аппаратов (КА) является отношение массы полезного груза КА к его полной массе. Учитывая то, что вывод на околоземную орбиту одного кг груза обходится в 5...10 тыс. долларов и ограничен возможностями ракеты-носителя, задача снижения массы отдельных элементов КА с целью увеличения массы полезной нагрузки является актуальной задачей. В современных КА данная задача решается различными конструктивными и технологическими методами, в том числе применением легких конструкционных материалов с покрытиями.
В го же время использование на борту КА различных подвижных механических сопряжений привело к необходимости применения в парах трения тяжелых конструкционных сталей и хромоникелевых сплавов, обеспечивающих необходимую надежность функционирования сопряжений в условиях сухого трения и открытого пространства. Хотя в ряде подобных случаев известны отказы, происходящие из-за схватывания поверхностей сопряжения, особенно после их длительной выдержки в условиях открытого космического пространства. Вместе с тем, замена в узлах трения деталей из сталей на аналогичные из легких сплавов может обеспечить существенное снижение общей массы КА и увеличение полезной нагрузки, размещаемой на его борту. Из материалов легких сплавов по конструкционной прочности наиболее приемлемыми для тяжелонагруженных узлов трения являются титановые сплавы. Однако они обладают очень низкими триботехническими свойствами даже в условиях применения жидких смазок. Вместе с тем разработки Самарского государственного аэрокосмического университета показали принципиальную возможность использования в узлах трения деталей из титановых сплавов со специальным^ триботехническими вакуумными ионно-плазменными покрытиями на основе нитрида титана.
Однако создание и внедрение технологии нанесения триботехнических вакуумных ионно-плазменных покрытий на основе нитрида титана на детали из титановых сплавов высоконагруженных (высокоответственных) узлов КА потребовало: модернизации оборудования для напыления с целью снижения температуры нитридообразования покрытий и уменьшения микрокапельной фазы, генерируемой катодным узлом; проведения комплексных, в том числе и теоретических исследований условий плазмохимического синтеза нитридных покрытий стехиометрического состава; проведения комплексных исследований эксплуатационных свойств деталей с покрытием.
Цель работы. Повышение надежности и снижение массы узлов трения космических аппаратов за счет разработки и внедрения плазменной технологии высоких энергий нанесения покрытий на основе нитрида титана на детали из титановых сплавов для замены аналогичных стальных деталей.
Для достижения поставленной цели автором были решены следующие задачи.
-
Модернизировано оборудование для вакуумного ионно-плазменного напыления с целью снижения температуры нитридообразования, уменьшения микрокапельной фазы в покрытии и расширения диапазона регулирования кинетической энергии ионов титана.
-
Разработана математическая модель плазмохимического синтеза покрытий из нитрида титана, позволяющая теоретическим путем выбрать диапазоны параметров напыления, обеспечивающих необходимую степень стехиометрии покрытия при высокой скорости его наращивания в допустимом для материала основы диапазоне изменения температуры конденсации.
-
Проведены комплексные исследования плазменных потоков, физико-механических и эксплуатационных свойств образцов и деталей с покрытиями на основе нитрида титана с целью разработки методики выбора
^ 6птиЖпьньгх~режимов~напьіления и разработки технологии нанесения" покрытий на детали узлов трения из титановых сплавов.
-
Разработана унифицированная конструкторская документация и типовые технологические процессы нанесения триботехнчческих покрытий на детали КА 353У.0358.002.УКД-41-84 и 353У.0358.002.УКД-45-86.
-
Разработаны технологические процессы нанесения покрытий на детали 17Ф51.0140-33, 17В312.1220-1, 17Ф113.8700-37 узлов трения из титановых сплавов ВТ-5, ВТ-14 и ВГ-22 и внедрены в производство космических аппаратов ГНП РКЦ «ЦСКБ-Прогресс».
Автор выносит на защиту.
-
Математическую модель плазмохимического синтеза покрытий из нитрида титана.
-
Способ повышения качества покрытий из нитрида титана и снижения температуры нитридообразования.
-
Результаты комплексных исследований плазменных потоков, физико-механических и эксплуатационных свойств образцов и деталей из титановых сплавов ВТ-4, ВТ-14, ВТ-22 с покрытиями на основе нитрида титана.
-
Технологию ионно-плазменного нанесения нитрида титана на детали из титановых сплавов узлов трения КА и результаты ее внедрения в производство.
Научная новизна. Разработанная математическая модель плазмохимического синтеза покрытий из нитрида титана учитывает все основные факторы, сопутствующие процессу вакуумного ионно-плазменного напыления, в том числе непрерывное изменение температуры конденсации и наличие на поверхности двух видов состояний адсорбции молекулярного азота. Математическая модель позволяет расчетным путем определить диапазоны параметров напыления, обеспечивающие необходимую степень стехиометрии покрытия при высокой скорости его наращивания в допустимом для материала основы диапазоне изменений температуры конденсации.
Впервые проведено комплексное исследование триботехнических свойств титановых пар трения с покрытием из нитрида титана, полученным при температурах конденсации от 473 К до 573 К.
Технические решения модернизации технологического ионно-плазменного оборудования, позволяющие повысить качество формируемых покрытий, защищены авторскими свидетельствами.
Практическая ценность. Снижена масса узлов трения КА и повышена их надежность за счет замены стальных деталей на титановые с покрытием, позволившая увеличить массу полезной нагрузки КА. Разработана методика выбора технологических параметров напыления, позволяющая получать покрытия из нитрида титана с высокими триботехническими свойствами, не ухудшая при этом физико-химические свойства основы из титановых сплавов.
Показана возможность получения стехиометрйчёскйх покрытий из нитрида титана при температурах поверхности от 473 К до 573 К, что позволило наносить их на титановые сплавы. Разработаны и внедрены технологии нанесения антифрикционного износостойкого покрытия на основе нитрида титана на рабочие поверхности титановых пар трения для КА. Разработана совместно с ГНП РКЦ "ЦСКБ Прогресс" унифицированная конструкторская документация и типовые технологические процессы 353У.0358.002.УКД-41-84 н 353У.0358.002.УКД-45-86.
Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в производство КА предприятия ГНП РКЦ "ЦСКБ Прогресс" на деталях 17Ф51.0140-33, 17ВЗ 12.1220-1, 17Ф 113.8700-37, изготовленных из титановых сплавов ВТ-4, ВТ-14, ВТ-22. Экономический эффект от внедрения только указанных разработок составляет 382,5тысяч рублей в год. Реализация результатов работы подтверждена актом внедрения.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на 12 конференциях: «Износ в машинах и методы защиты от него», ВНТК, Москва, 1985 г.; «Практика разработки и внедрения новых методов нанесения покрытий», ВНТК, Челябинск, 1986 г.; «Пути ускорения НТП», ОНТК, Куйбышев, 1986 г.; Китайско-Российско-Украинский симпозиум по космонавтике и технологиям, КНР, Сиань, 1994 г.; «Математическое моделирование систем и явлений», Самара, 1995 г.; «Генная инженерия в сплавах», МНТК, Россия, Самара, 1998 г. и др.
Результаты работы демонстрировались на ВДНХ СССР в 1988, 1989 гг. и отмечены почетным дипломом и медалями.
Публикации. По результатам выполненных исследований и разработок имеется 41 публикация в центральной печати, из них 19 тезисов докладов на конференциях и 13 авторских свидетельств на изобретения. В библиофафический список диссертации включено 27 публикаций, наиболее
полно отражающих основные положения и результаты диссертационной работы.
Структура и объем работы. Диссертация содержит 152 страницы машинописного текста, 41 рисунок, 22 таблицы и состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных источников и приложения.