Результат интеллектуальной деятельности: Способ нанесения антикоррозионного покрытия на детонирующий удлиненный заряд

Изобретение относится к бортовой и наземной пироавтоматике изделий ракетно-космической, авиационной, военно-морской, специальной технике, в частности - к детонирующим удлиненным зарядам (ДУЗ) как круглым, так и, главным образом, кумулятивным, и может быть использовано для надежной защиты оболочек и кумулятивных выемок таких зарядов от коррозии, как в нормальных условиях эксплуатации, так и в условиях воздействия высоких и криогенных температур, глубокого вакуума, радиации, морской воды и соленого тумана. Изобретение может быть использовано дополнительно для изготовления прецезионных облицовок осесимметричных кумулятивных зарядов из таких чистых металлов, как медь, железо, никель, хром, а также из труднообрабатываемых механическими способами также чистых тяжелых металлов (вольфрама, обедненного урана и др.)

Одним их эффективных средств разделения детонационного типа для бортовых и наземных систем и механизмов пироавтоматики являются детонирующие удлиненные заряды, представляющие собой заряды высокоплотных и высокобризантных взрывчатых веществ - ВВ (чаще всего - гексогена, октогена, реже - ГНС, ГНДС, НТФА) в металлических (медных, латунных, алюминиевых, стальных, свинцовых и др.) оболочках с профилированной вдоль образующей кумулятивной выемкой различной формы (цилиндрической, «серповидной», клиновидной, параболической и др.) для кумулятивных ДУЗ или без нее для ДУЗ круглого сечения. Несмотря на обилие названий таких зарядов в специальной литературе: ДУЗ - детонирующий удлиненный заряд; УКЗ - удлиненный кумулятивный заряд; УЗ - удлиненный заряд (некумулятивного типа или круглый); КЗУ - кумулятивный заряд удлиненный; ЗКЛ - заряд кумулятивный линейный и др. для определенности воспользуемся обобщенной аббревиатурой ДУЗ. Способов изготовления ДУЗ на сегодняшний день существует несколько. Это и волочение, и прокатка, и глухое прессование, и комбинированный метод «прокатка + волочение», и другие. Тем не менее, основным способом изготовления ДУЗ для изделий ракетно-космической, авиационной, военно-морской, специальной техники, а также части прострелочно-взрывной аппаратуры, предназначенной главным образом для ликвидации аварий в нефтяных и газовых скважинах, остается волочение (Селиванов В.В., Кобылкин И.Ф., Новиков С.А. Взрывные технологии. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 648 с.; ТУ41-12-39-96. Удлиненные кумулятивные заряды - УКЗ. Технические условия. М., Изд-во Госстандарт, 1996 и др.). Сущность его состоит в том, что предварительно подготовленную трубу-заготовку, снабженную захваткой, после заполнения с вибрационным уплотнением кристаллическим ВВ пропускают через ряд волок с последовательно уменьшающимся диаметром проходного отверстия (очка). Для ДУЗ кумулятивного типа одновременно с волочением формируется и кумулятивная выемка. Одной из завершающих операций изготовления ДУЗ является нанесение на изделия, предназначенные для работы на объектах ракетно-космической техники прикладного назначения, военной авиации, военно-морской техники, а также в составе негерметичной прострелочно-взрывной аппаратуры, антикоррозионного покрытия.

Наносится оно согласно технологическому процессу на заряды, обрезанные под необходимый размер, выгнутые (при необходимости) по профилю разрезаемой преграды и с надетыми на торцы колпачками.

Из всего разнообразия известных и применяемых сегодня способов поверхностного нанесения антикоррозионных покрытий (Химическая энциклопедия: В 5 т.: Т.1: А - Дарзана / Ред. кол.: Кнуньянц И.Л. (гл. ред.) и др. - М.: Советская энциклопедия., 1988. - 623 с.; Т.2: Доффа - Меди, 1990. - 671 с.), включающего в себя и такие традиционные электрохимические методы легирования, как, например, гальваностегия - нанесение тонких покрытий толщиной до десятка мкм никеля, хрома, свинца, золота, палладия, платины, и нанесение на защищаемые изделия органических изолирующих покрытий - лакокрасочных покрытий (ЛКП), служащих барьером, препятствующим диффузии и ограничивающим доступ окружающей, зачастую агрессивной, среды к защищаемой поверхности, и прогрессивные современные диффузионные методы легирования, такие как диффузионное цинкование, атилирование или хромирование, для защиты ДУЗ практическое применение нашел только способ защиты с нанесением ЛКП. Это несмотря на то, что практически всем лакокрасочным материалам (ЛКМ) присущи ограниченные паро-, газо- и водонепроницаемость и термостойкость. Главной причиной, исключающей возможность применения современных прогрессивных способов антикоррозийной зашиты применительно к ДУЗ, является наличие в них взрывчатого вещества, не допускающего воздействия высокой температуры (при диффузионном цинковании, атилировании или хромировании защищаемое изделие нагревают в порошкообразной шихте, содержащей соответственно Zn, Al или Сr, до температуры 350-370°С), электрического поля и растворов (расплавов) электролитов, применяемых в гальванотехнике.

По тем же самым причинам неприменимыми для антикоррозийной защиты ДУЗ оказываются и усовершенствованные комбинированные методы обработки, например, аэрокосмических материалов концентрированными потоками энергии - высокодозная полиэнергетическая ионная имплантация или лазерно-магнитный метод обработки (Быковский Ю.А., Неволин В.Н., Фаминский В.Ю. Ионная и лазерная имплантация металлических материалов. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 240 с.), и перспективные методы получения покрытий с применением современных вакуумных технологий, такие как вакуумное напыление и газофазное (пиролитическое) осаждение ряда химических соединений, например, карбидохромовых: бис-этилхрома, бис-этилбензолхрома, бис-кумолхрома и т.д. (описание изобретения RU №2194088 С2, МПК С23С 16/00, 2002; Анциферов В.Н., Анциферова И.В., Васин В.А. и др. Плазменные, лазерные и пиролитические методы нанесения покрытий. М.; СПб.: Реноме, 2012. - 404 с.; Ефремов A.M., Светцов В.И., Рыбкин В.В.. Вакуумно-плазменные процессы и технологии. Иваново: ИГХТУ, 2006. - 260 с. и др.).

Известны несколько методов нанесения защитных ЛКП (Рейбман А.И. Защитные лакокрасочные покрытия. - 5-е изд., перераб. и доп. - Л.: Химия, 1982. - 320 с.):

1. Нанесение ЛКМ кистью или ручным валиком.

2. Пневматическое распыление с использованием краскораспылителя (краскопульта) с навесным бачком для ЛКМ, или красконагнетательным баком и источника сжатого воздуха. ЖМ может при этом наносится как при комнатной температуре, так и с предварительным подогревом.

3. Безвоздушное распыление (под действием высокого гидравлического давления).

4. Электростатическое, пневмо- и гидроэлектростатическое распыление - окраска в электрическом поле высокого напряжения (напряжение, подводимое к распылителю, может достигать 90÷120 кВ).

5. Нанесение порошковых полимерных материалов, включающее газопламенный метод (окрашивание в пламени кислородно-ацетиленовой горелки); окрашивание в псевдосжиженном слое; в электрическом поле высокого напряжения и плазменный метод (порошковый материал нагревается в потоке плазмы, имеющей температуру до 8000°С, и, расплавляясь, с большой скоростью наносится на обрабатываемую поверхность, выдерживающую кратковременный нагрев до 350°С).

6. Метод электроосаждения - осаждение пленкообразующего материала из водного раствора на окрашиваемое изделие с помощью постоянного электрического тока.

Нетрудно видеть, что из достаточно большого числа освоенных способов нанесения ЛКП на защищаемые изделия и конструкции в отношении ДУЗ реализуемыми остаются лишь способы нанесения антикоррозионного покрытия кистью или ручным валиком и пневматического распыления. Последний из перечисленных способов остается штатным по сей день. ЛКП для защиты ДУЗ состоят, как правило, из одного слоя фосфатирующей грунтовки марки ВЛ-02 на поливинилбутиральной основе и двух, трех или четырех слоев перхлорвиниловых эмалей марок ХВ-124, ХВ-16 или эмалей на основе сополимеров винилхлорида с винилацетатом (марок ХС-720 и ХС-510). Наносят покрытия послойно пневматическим распылением с помощью ручных краскопультов в распылительных камерах с промежуточной сушкой каждого слоя.

Недостатками штатного способа нанесения защитного покрытия на ДУЗ и самого покрытия являются:

1. Недостаточная технологичность процесса, связанная с большими временными затратами (время сушки между слоями эмали составляет 2÷2,5 часа), отсутствием инструментального контроля толщины и равномерности нанесения ЛКП по всей поверхности ДУЗ, особенно в кумулятивной выемке, большой вероятностью образования на окрашиваемой поверхности наплывов и подтеков ЛКМ, большими потерями ЛКМ на туманообразование и значительными законтурными потерями (достигают от 25 до 50%), а также значительным расходом растворителей для разведения ЛКМ до рабочей вязкости и для промывки инструмента.

2. Неполное удовлетворение покрытиями возросшим современным требованиям по антикоррозийной защите ДУЗ особенно в условиях морской атмосферы, по термостойкости, криогенной стойкости (при температурах -184÷ -190°С наблюдается вспучивание покрытия), а также по адгезионным свойствам и пористости покрытий. Ограниченная паро-, газо- и водонепроницаемость ЛКП.

3. Снижение пробивного действия окрашенных ДУЗ (основного показателя эффективности зарядов кумулятивного типа). Вызвано это тем, что все ЛКМ без исключения характеризуются существенно большей сжимаемостью (другие часто встречающиеся в специальной литературе термины: акустическая жесткость среды или инмпеданс - произведение ρ₀c₀, где ρ₀ - плотность невозмущенной среды; с₀ - скорость звука в ней), чем металлы. Поэтому при переходе ударной волны из оболочки и облицовки кумулятивной выемки ДУЗ в ЛКП будет иметь место скачкообразный спад давления на фронте этой волны, что приведет к снижению кумулятивного эффекта. Так, по данным исследований, полученным в 70-х годах в Военной академии им. Ф.Э. Дзержинского (ныне Военная академия РВСН им. Петра Великого) штатное ЛКП, состоящее из одного слоя грунта ВЛ-02 и трех слоев эмали ХВ-124, толщиной 60÷100 мкм снижает предельную толщину пробития преграды (сплав АМг-6) УКЗ-5 более чем на 20%; (расшифровка аббревиатуры УКЗ-5: УКЗ - удлиненный кумулятивный заряда; 5 - калибр или наружный диаметр заряда).

4. Недостаточно хорошие санитарно-гигиенические условия труда, потребность в мощной системе вытяжной вентиляции.

Из перечисленных выше недостатков второй может быть снижен за счет замены штатной эмали ХВ-124 на эмали ХС-1169 и ХС-1170. ЛКП схем на основе этих эмалей в три раза превосходят по антикоррозийной стойкости в морской воде и в соленом тумане ЛКП штатной схемы (при одинаковом количестве слоев эмали). Время сушки между слоями сокращается с 2÷2,5 часов до 30 минут. ЛКП на основе эмали ХС-1170 превосходят штатное ЛКП по термостойкости (190°С в течение 1 часа), а ЛКП на основе эмали ХС-1169 - по криогенной стойкости. Все остальные недостатки при этом сохраняются.

Попытка замены ЛКП для защиты ДУЗ от коррозии главным образом в средах, содержащих хлориды металлов (например, в морской воде), на поверхностное кадмирование исходной трубы-заготовки должного результата не дала. Во-первых, акустическая жесткость Cd меньше жесткости Сu, поэтому покрытие кумулятивной выемки ДУЗ даже очень тонким слоем кадмия неминуемо снижает пробивную способность заряда. Так, экспериментально подтвержден тот факт, что наличие покрытия из кадмия толщиной примерно 6 мкм снижает предельную глубину пробития алюминиевой преграды АМг-6 того же УКЗ-5 примерно на 14%. Кроме того, поскольку покрытие наносится на пустую трубу-заготовку, то после ее снаряжения ВВ и последующего волочения через ряд стальных волок (фильер) покрытие не только утончается (с 15 мкм перед набивкой до 6 мкм после волочения), но и на отдельных участках (особенно в области кумулятивной выемки) теряет сплошность. Поэтому на практике поверх кадмиевого покрытия на ДУЗ наносят штатное ЛКП, что приводит еще к большему снижению пробивной способности заряда.

Известен способ изготовления поверхностных покрытий и металлических изделий, в основу которого положен парофазный метод термического разложения легколетучих соединений металлов, в частности, карбонилов - соединений металлов с монооксидом углерода СО (описание изобретения SU №353715 A1, M.кл. А61с 13/08, 1972). Это - либо кристаллические, либо жидкие, либо газообразные вещества, обладающие одним общим свойством - нестойкостью при их нагревании. Соединения при этом разлагаются, СО улетучивается, а металлы осаждаются, покрывая окружающие предметы монолитной пленкой, атомы которой так близко прилегают друг к другу, что образуют почти теоретическую плотность. Изделие (модель, подложку) практически из любого металлического или неметаллического материала, способного выдерживать кратковременный нагрев до температуры 120°С, помещают в камере, заполненной азотом или другим инертным газом. Инфракрасными излучателями, помещенными снаружи камеры, изделие нагревают до 120°С, а в камеру подают карбонил, нагретый до температуры 25°С. За 15 минут поверхность модели «одевает» монолитный слой металла карбонила толщиной примерно в 0,3 мм, причем твердость его (по Винкерсу) равна примерно 1500 кГ/мм². Получаемое покрытие практически свободно от пор. Скорость осаждения металла при карбонильном методе в 20 раз выше по сравнению с гальваническим методом. Регулировать толщину покрытия можно временем пребывания модели в камере, а контролировать ее с погрешностью, не превышающей нескольких ангстремов, можно кварцевым осциллятором.

Данный известный способ по назначению, технической сущности и достигаемому результату наиболее близок к предлагаемому.

Этим известным способом по сравнению с предыдущим достигается 1) значительное повышение технологичности процесса, связанное с существенным сокращением времени нанесения покрытия, практическим отсутствием потерь материалов, возможностью задавать необходимую толщину покрытия и контролировать ее с высокой точностью, равномерностью нанесения однородного покрытия по всей поверхности ДУЗ, не зависящей от опыта, профессионализма работника и качества материалов и инструмента; 2) получение поверхностного защитного покрытия благородными металлами с чрезвычайно низкой пористостью, с хорошими адгезионными свойствами и высокой паро-, газо- и водонепроницаемостью; 3) получение покрытий из металлов с большей акустической жесткостью, чем материал оболочки ДУЗ (таких, как, например, вольфрам, молибден, никель, хром и др.), что обеспечит дополнительно повышение пробивного действия ДУЗ кумулятивного типа.

Однако, несмотря на перечисленные выше достоинства наиболее близкого к заявленному способа нанесения антикоррозийного покрытия, использование его в «чистом виде» применительно к ДУЗ сопряжено с рядом трудностей. Во-первых, несмотря на то, что температура нагрева, составляющая 120°С, ниже порога термической стойкости ДУЗ с гексогеновым, октогеновым и, тем более, с ГНС-, ГНДС- и НТФА-снаряжением, тем не менее с точки зрения безопасности производства температура поверхности оболочки ДУЗ не должна превышать 80÷85°С. Во-вторых, время процесса нанесения защитного покрытия (и воздействия повышенной температуры) желательно снизить с десятков до нескольких минут. В-третьих, повышение адгезионного сцепления защитного покрытия и снижение его пористости в наиболее близком к заявленному способе является частичным из-за наличия в камере азота или другого инертного газа-носителя, а также из-за образующегося при разложении карбонила газообразного СО.

Техническое решение по предлагаемому изобретению направлено на достижение технического результата, заключающегося в устранении названных недостатков, а именно:

- в снижении температуры нагрева ДУЗ и температуры осаждения металла из карбонила на поверхность заряда;

- в сокращении времени покрытия ДУЗ защитным слоем металла;

- в увеличении прочности адгезионного сцепления наносимого металлического покрытия и его газо-, паро-, водонепроницаемости;

- в улучшении технологичности процесса покрытия ДУЗ;

- в расширении функциональных возможностей карбонильного метода.

Для достижения указанного технического результата предлагаемый способ, как и указанный выше известный, наиболее близкий к нему, включает термостатирование размещенного в рабочей камере изделия, представляющего собой в частном случае детонирующий удлиненный заряд, и осаждение на его поверхности металла путем разложения исходных металлсодержащих соединений карбонильной группы в потоке газа-носителя.

В отличие от наиболее близкого известного в способе по предлагаемому изобретению термостатирование осуществляют при температуре 80÷85°С в течение 3÷5 минут; в качестве исходных металлсодержащих соединений и газа-носителя используют карбонилы металлов, акустическая жесткость которых больше и/или не меньше жесткости материала оболочки ДУЗ, и сероводород соответственно. При этом пары карбонила металла и сероводород подают одновременно со скоростью, равной 1,0÷1,5 г/час и 0,1÷0,2 г/час соответственно при остаточном давлении в рабочей камере 10^-1÷10 Па.

Благодаря тому, что в качестве газа-носителя предлагается использовать сероводород, подаваемый в рабочую камеру одновременно с парами карбонила, а сама камера вакуумируется, уменьшается пористость покрытия (отсутствует инертный газ-носитель; выделяющийся в результате разложения карбонила монооксид углерода, вступая в реакцию с сероводородом, образует твердые углерод, серу и воду), увеличивается прочность адгезионного сцепления наносимого металлического покрытия, сокращается время, необходимое для нанесения покрытия.

Вакуумирование рабочей камеры до остаточного давления 10^-1÷10 Па позволяет снизить температуру нагрева защищаемого изделия (детонирующего удлиненного заряда) со 120°С до вполне безопасных 80÷85°С. Кроме того, уменьшается вероятность перехода образующейся в результате реакции воды в парообразное состояние. Время термостатирования ДУЗ и скорости процессов подачи паров карбонила и газа-носителя (сероводорода) установлены экспериментально, исходя из условий обеспечения высокой технологичности процесса при высоком качестве защитного покрытия.

Предложенный способ позволяет наносить покрытия разнообразных металлов любой толщины практически на любые материалы (как металлические, так и неметаллические - полимеры и минеральные материалы природного и искусственного происхождения, выдерживающие кратковременный нагрев до температуры 80÷85°С) и любой формы. Представляется возможным изготавливать, в частности, прецезионные кумулятивные облицовки для осесимметричных зарядов любого профиля из любых металлов, включая вольфрам или обедненный уран, чем обеспечивается расширение функциональных возможностей предлагаемого способа.