29.05.2018
218.016.5430

СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ ДЛЯ ПРОТИВОМЕТЕОРИТНОЙ ЗАЩИТЫ

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к деформируемым сплавам на основе алюминия и может быть использовано для защиты космических аппаратов от микрометеоритов и техногенных тел. Сплав на основе алюминия содержит, мас. %: цинк 5,8-11; магний 1,5-3,5; медь 0,1-3; марганец 0,1-0,5; по меньшей мере один элемент из группы: бериллий, лантан, 0,0001-0,2 каждого, по меньшей мере два элемента из группы: гафний 0,05-1,0, титан, цирконий, хром, 0,05-0,3 каждого, причем при содержании двух элементов выбор осуществляется из группы: титан, цирконий, гафний, необязательно церий, 0,0001-0,2, остальное - алюминий и неизбежные примеси в сумме не более 0,7. Изобретение направлено на повышение сопротивляемости сплавов ударному воздействию. 5 ил., 2 табл.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к деформируемым сплавам на основе алюминия, предназначенным преимущественно для экранов противометеоритной защиты (ПМЗ) космических аппаратов.

Применение различного вида экранов, создающих преграду на пути движущихся баллистических инденторов (микрометеоритов, осколков космического мусора), является одним из способов защиты космических аппаратов.

Взаимодействие индентора с преградой определяется большим количеством факторов: скоростью соударения, размером индентора, временем его соприкосновения с преградой, жесткостью и физико-механическими свойствами материалов преграды и индентора, откольной прочностью материала преграды, трением между индентором и преградой, фазовой диаграммой соударения.

В качестве защитных материалов для ПМЗ используются металлы (сплавы на основе алюминия или титана), керамика, полимерные, абразивные, минеральные, пористые и вспененные материалы, баллистические стойкие ткани, герметики, застывающие в вакууме, жидкости или воздушные прослойки. Для повышения защитных свойств используется композиционная защита, включающая слои, которые функционально являются энергопоглощающими, разрушающими (как правило, жертвенными) и задерживающими. При этом повышение защитных свойств может быть достигнуто повышением свойств основного энергопоглощающего слоя.

Определяющим критерием стойкости материалов при воздействии высокоскоростного индентора является сопротивление удару по результатам баллистических испытаний, в идеальном случае по баллистической предельной зависимости. Критерием защитных свойств материалов на баллистическом режиме в определенной степени может служить энергия пробоя при соударении индентора с плоской преградой. Известно, что уровень защитных свойств, обусловливающих сопротивляемость ударному воздействию, при достаточном запасе пластичности в определенной степени характеризует прочность (твердость) сплавов.

Для орбитальных космических аппаратов особенно важна низкая удельная масса ПМЗ. В связи с этим используются тонкие, 1-3 мм, листы. Сплавы на основе алюминия для ПМЗ привлекательны высокой удельной прочностью.

Сплавы на основе алюминия широко разрабатываются для броневой защиты объектов техники от пуль, снарядов, осколков и др. Используются главным образом высокопрочные сплавы систем Al-Zn-Mg и Al-Zn-Mg-Cu.

Прочность (твердость) сплавов систем Al-Zn-Mg и Al-Zn-Mg-Cu возрастает с увеличением содержания основных легирующих элементов (Zn, Mg и Cu). Отечественные сплавы 1901 и 1903 системы Al-Zn-Mg и их зарубежные аналоги 7017, 7020, 7039, 7075 имеют суммарное содержание Zn+Mg 6,8-9,2 (мас. %). Отечественные сплавы 1950 и В96Ц системы Al-Zn-Mg-Cu и их зарубежный аналог 7178, характеризующиеся максимальной прочностью (твердостью), имеют суммарное содержание Zn+Mg+Cu 8,2-14,6 (мас. %). Вместе с тем увеличение содержания Zn, Mg и Cu снижает пластичность сплавов, что изменяет конфигурацию пробоя листа при поражении баллистическими инденторами (фигура 1). В результате, повышение прочности (твердости) сплавов при суммарном содержании (Zn+Mg+Cu)>8-9% не приводит к росту защитных свойств из-за образования тыльных осколков. Поэтому эти сплавы для броневой защиты используются в виде композиционной многослойной брони. При этом защита формируется из нескольких соединенных один с другим защитных слоев сплавов различного состава и свойств из условия наиболее эффективного поглощения энергии баллистических инденторов.

Известен высокопрочный сплав на основе алюминия системы Al-Zn-Mg для применения в качестве лицевого энергопоглощающего слоя многослойной защиты по патенту РФ №2071025. Сплав содержит цинк, магний, марганец, хром, титан, цирконий, медь и неизбежные примеси при следующем соотношении компонентов (мас. %):

цинк 6,4-7,2
магний 2,6-3,2
марганец 0,07-0,14
хром 0,15-0,25
титан 0,03-0,09
цирконий 0,05-0,12
медь до 0,2
железо не более 0,35
кремний не более 0,25
алюминий основа

В случае тонких, толщиной 1-3 мм, листов для ПМЗ из данного сплава их прочность (твердость) снижается, уменьшая эффективность защиты.

Наиболее близким к предлагаемому сплаву по технической сущности и достигаемому эффекту является высокопрочный сплав на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu по патенту ЕР №1231290, принятый за прототип. Сплав содержит цинк, магний, медь, марганец, хром, цирконий, гафний, ванадий, титан, скандий и неизбежные примеси при следующем соотношении компонентов (мас. %):

цинк 7,0-11,0
магний 1,8-3,0
медь 1,2-2,6

по меньшей мере один элемент из группы

марганец 0,05-0,4
хром 0,05-0,3
цирконий 0,05-0,2
гафний 0,05-0,3
ванадий 0,05-0,3
титан 0,01-0,2
скандий 0,05-0,3
алюминий и неизбежные примеси остальное

Легирование цинком, магнием и медью в регламентированных количествах в сочетании с модифицированием цирконием, гафнием, ванадием, титаном и/или скандием обеспечивают высокие прочность, твердость и защитные свойства сплава при поражении баллистическими инденторами.

Эффективность применения сплава для ПМЗ недостаточна из-за снижения пластичности и увеличения вероятности образования тыльных осколков. Их образование могло бы предотвратить слоистое строение листа. Однако тонкие многослойные листы для ПМЗ по сравнению с однослойными еще менее эффективны.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение сопротивляемости ударному воздействию тонких листов сплава для ПМЗ. Технический эффект достигается тем, что сплав на основе алюминия, содержащий цинк, магний, медь, марганец, хром, цирконий, гафний, титан, дополнительно сдержит бериллий, церий, лантан при следующем соотношении компонентов (мас. %):

цинк 5,8-11
магний 1,5-3,5
медь 0,1-3
марганец 0,1-0,5
хром 0,05-0,3

по меньшей мере один элемент из группы: бериллий, церий, лантан в количестве 0,0001-0,2 мас. % каждого,

по меньшей мере два элемента из группы: хром, титан, цирконий в количестве 0,05-0,3 мас. % каждого и/или гафний в количестве 0,05-1,0 мас. %, причем в случае двух элементов выбор осуществляется из группы титан, цирконий, гафний,

остальное - алюминий и неизбежные примеси (железо, кремний, кислород и пр.) в сумме не более 0,7 мас. %.

Содержание цинка 5,8-11 мас. %, магния 1,5-3,5 мас. % и меди 1,5-3 мас. % в сплаве определяется условиями обеспечения оптимальной прочности, коррозионной стойкости и технологичности.

Содержание марганца в пределах 0,1-0,5 мас. % обеспечивает измельчение первичного зерна и затрудняет его рост при рекристаллизации.

Комплексное модифицирование по меньшей мере двумя сильными модификаторами из группы IV6: цирконий, титан в количестве 0,05-0,3 мас. % и гафний в пределах 0,05-1,0 мас. % усиливает эффект модифицирования при ограниченном содержании каждого из компонентов. Комплексное модифицирование позволяет эффективно измельчать зерно и способствует повышению прочности. Хром в количестве 0,05-0,3 мас. % способствует повышению коррозионной стойкости сплава.

Содержание марганца, циркония, титана, хрома и гафния ограничено указанными пределами во избежание образования грубых интерметаллидов при литье слитков под прокатку в охлаждаемый кристаллизатор, обработке давлением и термообработке.

Добавка бериллия, церия и лантана позволяет эффективно защитить жидкий расплав от окисления при выплавке, рафинирует расплав, снижая скорость окисления сплавов, содержащих более 1 мас. % магния, до уровня скорости окисления алюминия, уменьшает содержание оксидов в металле, способствует уменьшению газовой пористости и, как следствие, снижает вероятность расслоений при поражении баллистическими инденторами.

Примеры конкретного применения

Из сплавов четырех составов (таблица 1) отливали полунепрерывным методом в охлаждаемый кристаллизатор слитки диаметром 95 мм. Сплавы 1-3 - предлагаемого состава, сплав 4 - прототип. Слитки гомогенизировали по режиму 480°С, 6 ч. Затем из них прессовали полосы с поперечным сечением 16×40 мм, из которых поперек прессования прокатывали листы толщиной 2 мм. Листы подвергали закалке в воду с температуры 467°С и искусственному старению по режиму 120°С, 20 ч.

Структура листов однородная, слабо рекристаллизованная. Включения интерметаллидов не превышали 10 мкм.

Защитные свойства листов оценивали по энергии пробоя при соударении цилиндрического индентора диаметром 2 мм из стали 45, имеющего твердость НВ 2100 МПа, с плоской преградой в виде диска диаметром 10 мм, свободно опирающегося по контуру (фиг. 2), и по характеру пробоя листа (см. фиг. 1).

Предлагаемые сплавы за счет высоких механических свойств и мелкозернистой однородной структуры по сравнению с прототипом позволяют (таблица 2):

- при легировании ближе к верхнему пределу (составы 1 и 2) обеспечить повышение энергии пробоя на 10-50% и снизить вероятность образования тыльных осколков (конфигурация пробоя «в» и «б» согласно фиг. 1 соответственно);

- при легировании ближе к нижнему пределу (составы 2 и 3) исключить откол тыльного слоя с выбросом осколков (конфигурация пробоя «б» согласно фиг. 1) при сохранении энергии пробоя.

Сплав-прототип (состав 4) при меньшей энергии пробоя характеризуется выбросом тыльных осколков (конфигурация пробоя «д» согласно фиг. 1).

Использование предлагаемых сплавов позволит достигнуть дальнейшего повышения эффективности ПМЗ космических аппаратов.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 - Конфигурация пробоя листа при поражении баллистическими инденторами (М.А. Штремель. Разрушение: Кн. 1: Разрушение материала / Минобрнауки РФ, МИСиС. - 2014. - 669 с.):

а - выбивание пробки; б - канал упругопластического расширения; в - расслоение (откол) с упругопластическим отгибом; г - дробление вмятины с выбросом осколков назад; д - откол с выбросом осколков вперед.

Фиг. 2 - Схема испытаний материалов на ударное воздействие соударением индентора с преградой.

Фиг. 3 - Структура в месте пробоя и конфигурация пробоя листа из предлагаемого сплава состава 1 (конфигурация «в» согласно фиг. 1).

Фиг. 4 - Структура в месте пробоя и конфигурация пробоя листа из предлагаемого сплава состава 2 и 3 (конфигурация «б» согласно фиг. 1).

Фиг. 5 - Структура в месте пробоя и конфигурация пробоя листа из сплава-прототипа состава 4 (конфигурация «д» согласно фиг. 1).


СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ ДЛЯ ПРОТИВОМЕТЕОРИТНОЙ ЗАЩИТЫ
СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ ДЛЯ ПРОТИВОМЕТЕОРИТНОЙ ЗАЩИТЫ
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-10 из 119.
25.08.2017
№217.015.bb66

Ракетно-прямоточный двигатель с регулируемым расходом твёрдого топлива

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано в гиперзвуковых (М≥5) крылатых ракетах с ракетно-прямоточными двигателями, предназначенных для полетов на больших высотах. Ракетно-прямоточный двигатель содержит воздухозаборник, газогенератор с зарядом твердого топлива,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002615889
Дата охранного документа: 11.04.2017
29.12.2017
№217.015.f0f4

Кантователь (варианты)

Изобретение относится к конструкциям, предназначенным для кантования (поворота) изделий различного назначения, предпочтительнее космических аппаратов. Кантователь содержит основание, две стойки, к которым на оси кантования закреплена грузовая платформа, которая снабжена поворотной планшайбой, и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002638997
Дата охранного документа: 19.12.2017
29.12.2017
№217.015.f62d

Способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в составе автономной системы электропитания искусственного спутника земли

Использование: в области электротехники. Технический результат – более точное определение времени начала балансировки аккумуляторов. Способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в составе автономной системы электропитания искусственного спутника Земли заключается в контроле...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002637815
Дата охранного документа: 07.12.2017
20.01.2018
№218.016.1384

Способ управления автономной системой электроснабжения космического аппарата

Использование: в области электротехники в системах электроснабжения (СЭС) космических аппаратов (КА). Технический результат - обеспечение штатного отключения сеансной нагрузки при нештатной ситуации. Способ управления автономной системой электроснабжения, которая содержит солнечную батарею и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002634473
Дата охранного документа: 31.10.2017
20.01.2018
№218.016.1773

Фильтр

Изобретение предназначено для фильтрования. Фильтр содержит корпус, помещенную внутрь корпуса несущую трубу и рабочие модули, закрепленные поперек несущей трубы. Каждый из рабочих модулей содержит расположенные на удалении друг от друга первый и второй фильтровальные пакеты, каждый из которых...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002635802
Дата охранного документа: 16.11.2017
17.02.2018
№218.016.2b00

Способ получения термически стабильного носителя для катализатора сжигания монотоплива

Изобретение относится к области химии и может быть использовано для получения носителей для катализаторов, обладающих высокой площадью поверхности и термостабильностью в условиях сверхвысоких температур, например, в процессах сжигания монотоплива, в том числе "зеленого топлива" на основе...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002642966
Дата охранного документа: 30.01.2018
04.04.2018
№218.016.3663

Способ ориентации космического аппарата в солнечно-земной системе координат

Изобретение относится к управлению ориентацией космических аппаратов (КА), осуществляемой в солнечно-земной системе координат. Способ включает ориентацию первой оси КА на Землю путем разворотов вокруг второй и третьей осей КА с помощью электромеханических исполнительных органов. При отсутствии...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002646392
Дата охранного документа: 02.03.2018
10.05.2018
№218.016.4058

Способ разгрузки управляющих двигателей-маховиков космического аппарата

Изобретение относится к управлению относительным движением космического аппарата (КА). Разгрузка управляющих двигателей-маховиков (ДМ) в выбранном канале ориентации осуществляется по двухконтурной схеме. Первый контур реализует необходимую ориентацию КА и накапливает импульс внешнего...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002648906
Дата охранного документа: 28.03.2018
09.06.2018
№218.016.5a5a

Рефлектор

Изобретение относится к производству изделий из композиционных материалов, а именно конструкциям и способам изготовления прецизионных рефлекторов антенн с отражающей поверхностью, образованной не только кривой второго порядка, но и специальным сложным профилем. Задачами настоящего изобретения...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002655473
Дата охранного документа: 28.05.2018
11.06.2018
№218.016.60d0

Топливный бак и его заборное устройство

Группа изобретений относится к космической технике. Топливный бак содержит заборное и фазоразделительное устройства. Заборное устройство содержит корпус, снабженный шпангоутом Т-образной формы, опорным кольцом, цилиндрической боковой стенкой, боковыми стойками и внешнем продольным стержнем....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002657137
Дата охранного документа: 08.06.2018
Показаны записи 1-10 из 25.
20.01.2013
№216.012.1d75

Контурная тепловая труба

Изобретение относится к области теплотехники, в частности к контурным тепловым трубам, и может быть использовано в различных системах терморегулирования, в том числе в составе космических аппаратов для эффективного отведения тепловых потоков от твердых тепловыделяющих поверхностей, а также от...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002473035
Дата охранного документа: 20.01.2013
10.02.2013
№216.012.243e

Терморегулирующее устройство на базе контурной тепловой трубы

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано при создании регулируемых теплопередающих устройств и систем терморегулирования на их основе, в частности в космической технике, а также для обеспечения теплового режима оборудования, работающего в суровых климатических...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002474780
Дата охранного документа: 10.02.2013
10.07.2013
№216.012.53d4

Система терморегулирования приборного отсека посадочного лунного модуля

Изобретение (в обоих вариантах) относится к терморегулированию межпланетных космических аппаратов, в частности посадочных модулей, длительно функционирующих на Луне и других небесных телах. По первому варианту, система содержит радиоизотопный теплогенератор (РТ), платформу с оборудованием и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002487063
Дата охранного документа: 10.07.2013
20.07.2013
№216.012.5698

Способ получения крупногабаритных кольцевых полуфабрикатов из деформируемых алюминиевых сплавов

Изобретение может быть использовано в машиностроении для получения цельнокатаных полуфабрикатов из деформируемых алюминиевых сплавов в виде крупногабаритных втулок или бандажей. Отливку получают способом центробежного литья в среде инертного газа. Расплав подают в изложницу с максимально...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002487776
Дата охранного документа: 20.07.2013
27.01.2014
№216.012.9c80

Способ автоматического регулирования теплопровода радиатора на базе контурной тепловой трубы

Изобретение относится к области теплотехники, в частности к контурным тепловым трубам, и может быть использовано при создании регулируемых радиационных теплообменников космических аппаратов. В предлагаемом способе автоматического регулирования температуры тепловыделяющего оборудования КА...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002505770
Дата охранного документа: 27.01.2014
20.07.2014
№216.012.df78

Сплав на основе хрома

Изобретение относится к деформируемым сплавам на основе хрома, работающим в окислительных средах при повышенных температурах в течение длительного времени. Сплав на основе хрома содержит, мас.%: никель 20,0-40,0, вольфрам 0,5-5,0, ванадий 0,05-1,0, титан 0,05-1,0, железо 0,1-5,0, хром -...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002522994
Дата охранного документа: 20.07.2014
27.12.2014
№216.013.14d8

Теплопередающая панель космического аппарата

Теплопередающая панель космического аппарата относится к космической технике и может быть использована в системах терморегулирования космических аппаратов (КА) при обеспечении теплового режима оборудования, установленного на искусственных спутниках Земли, межпланетных станциях, спускаемых...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002536760
Дата охранного документа: 27.12.2014
20.02.2015
№216.013.295d

Способ штамповки труднодеформируемых материалов (варианты)

Изобретение относится к области обработки металлов давлением и может быть использовано при изготовлении высокотемпературной объемной штамповкой заготовок из материалов с ограниченной пластичностью. При осуществлении каждого варианта способа, включающего осадку и формообразование заготовки...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002542046
Дата охранного документа: 20.02.2015
27.05.2015
№216.013.4eeb

Сплав на основе алюминия для паяных конструкций

Изобретение относится к деформируемым сплавам на основе алюминия, предназначенным для применения в паяных конструкциях. Сплав содержит, мас.%: марганец 0,3-1,2, кремний 0,35-1,5, магний 0,4-1,4, медь 0,3-4,8, железо - 0,05-0,7, бериллий 0,0001-0,1, хром, титан, цирконий, ванадий - 0,1-1,0...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002551721
Дата охранного документа: 27.05.2015
20.07.2015
№216.013.6398

Деформируемый сплав на основе алюминия для паяных конструкций

Изобретение относится к деформируемым сплавам на основе алюминия, предназначенным для применения в паяных конструкциях. Деформируемый сплав на основе алюминия для паяных конструкций содержит, мас. %: цинк 3,4-5,0, магний 1,0-2,5, марганец 0,2-0,9, хром 0,1-1,0, цирконий 0,1-1,0, медь до 0,5,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002557043
Дата охранного документа: 20.07.2015