×
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 71-80 из 120.
02.02.2019
№219.016.b651

Способ обеспечения теплового режима бортовых приборов в отсеке ракеты космического назначения

Изобретение относятся к ракетно-космической технике. Способ обеспечения теплового режима бортовых приборов в отсеке ракеты космического назначения (РКН) включает подведение по магистральному газоводу и подачу газового компонента через распылитель переменного сечения в отсек в направлении снизу...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002678731
Дата охранного документа: 31.01.2019
02.02.2019
№219.016.b662

Способ защиты космического аппарата от столкновения с активно сближающимся объектом

Изобретение относится к космической технике и может использоваться для защиты космического аппарата с активно сближающимся объектом. Защита космического аппарата от столкновения с активно сближающимся объектом осуществляется по регистрации непрерывной последовательности сигналов с нарастающей...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002678759
Дата охранного документа: 31.01.2019
03.02.2019
№219.016.b69a

Преобразователь постоянного напряжения в постоянное

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для создания систем гарантированного питания, электроприводов постоянного и переменного тока, где требуется повышение или понижение напряжения первичного источника электропитания постоянного тока. Технический результат заключается...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002678774
Дата охранного документа: 01.02.2019
16.02.2019
№219.016.bb88

Способ запуска камеры жидкостного ракетного двигателя или газогенератора с лазерным воспламенением топлива и устройство для его осуществления

Группа изобретений относится к ракетно-космической технике, а именно к способу запуска камеры ЖРД или газогенератора многократного запуска с лазерным воспламенением топлива, использующего как жидкие, так и газообразные ракетные топлива, и устройству для его осуществления. Способ включает этапы,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002679949
Дата охранного документа: 14.02.2019
17.02.2019
№219.016.bbbe

Антенна эллиптической поляризации

Технической проблемой, решаемой изобретением, является разработка антенны космической радиосвязи, излучающей или принимающей электромагнитные волны эллиптической поляризации в широкой полосе частот, формирующей близкие к осесимметричным амплитудную и поляризационную диаграммы направленности с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002680110
Дата охранного документа: 15.02.2019
17.02.2019
№219.016.bbc4

Релейный коммутатор

Изобретение относится к устройствам автоматики и может найти применение в ответственной аппаратуре, имеющей повышенные требования к надежности, например в устройствах управлениях ракетно-космической техники (РКТ). Релейный коммутатор содержит три дистанционных переключателя с двумя контактными...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002680088
Дата охранного документа: 15.02.2019
21.02.2019
№219.016.c505

Способ ориентации навигационного космического аппарата

Изобретение относится к области космической техники. В способе ориентации навигационного космического аппарата (КА) при проведении упреждающих программных разворотов по информации звездного прибора в процессе проведения упреждающего программного разворота на каждом цикле управления вычисляют...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002680356
Дата охранного документа: 19.02.2019
21.02.2019
№219.016.c533

Система электропитания космического аппарата

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение энергетической эффективности, расширение функциональных возможностей бортовых систем электропитания (СЭП), улучшение электромагнитной совместимости. Система электропитания космического аппарата состоит из солнечной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002680245
Дата охранного документа: 19.02.2019
21.02.2019
№219.016.c559

Устройство для защиты космического аппарата от высокоскоростного ударного воздействия частиц космического мусора

Изобретение относится к области обеспечения долговременной устойчивости космической деятельности и может быть использовано для защиты космического аппарата (КА) от столкновения с частицами космического мусора (КМ). Устройство для защиты КА от высокоскоростного ударного воздействия частиц КМ...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002680359
Дата охранного документа: 19.02.2019
23.02.2019
№219.016.c5ed

Устройство отделения для нескольких полезных нагрузок от одной ракеты-носителя

Изобретение относится к космической технике. Устройство отделения для нескольких полезных нагрузок (ПН) от одной ракеты-носителя (РН) содержит установленную на РН ферму, опорную часть, разъединяемое удерживающее устройство, толкатель. Опорная часть расположена по периметру ПН. Для каждой ПН...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002680468
Дата охранного документа: 21.02.2019
Показаны записи 21-26 из 26.
01.03.2019
№219.016.cee1

Экран для защиты космического аппарата от высокоскоростного ударного воздействия метеороидов

Изобретение относится к космической технике, а именно к экранам для защиты космического аппарата от высокоскоростного ударного воздействия метеороидов. Экран содержит ячеистую конструкцию из металлической сетки. Экран выполнен сборным из ячеек, каждая из которых имеет форму правильного...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002457160
Дата охранного документа: 27.07.2012
10.07.2019
№219.017.b13c

Криогенный экран

Криогенный экран относится к космической промышленности и предназначен для глубокого охлаждения испытуемых космических аппаратов или их узлов на испытательных стендах или в вакуумных камерах. Экран содержит металлический радиатор с каналами для циркуляции хладагентов, выполненный в виде плоской...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002469927
Дата охранного документа: 20.12.2012
16.08.2019
№219.017.c090

Матрица для прессования материалов с малой технологической пластичностью

Изобретение относится к обработке металлов давлением, а именно к конструкции матриц для прессования труднодеформируемых материалов с малой технологической пластичностью, в частности алюминиевых сплавов. Матрица имеет трехмерную изогнутую рабочую поверхность, которая включает вогнутый входной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002697306
Дата охранного документа: 13.08.2019
14.03.2020
№220.018.0bb9

Деформируемый свариваемый алюминиево-кальциевый сплав

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплаву на основе алюминия, и может быть использовано для изготовления деформированных полуфабрикатов, предназначенных для получения деталей ответственного назначения, пригодных для аргонодуговой сварки и допускающих нагревы до 350°С....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002716568
Дата охранного документа: 12.03.2020
04.07.2020
№220.018.2f12

Кристаллизатор для вертикального литья слитков

Изобретение относится непрерывной и полунепрерывной разливке металлов. Кристаллизатор содержит корпус с каналом подвода и отвода охлаждающей жидкости, распределительную камеру и камеру (9) первичного охлаждения слитка, разделенные, по меньшей мере, одной диафрагмой (6) и одной вертикальной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002725377
Дата охранного документа: 02.07.2020
17.06.2023
№223.018.8020

Способ изготовления пули

Изобретение относится к производству вооружения и может быть использовано при изготовлении снарядов, в частности пуль из вольфрамового сплава. Из вольфрамового сплава на заготовке нарезают две кольцевые канавки, на поверхность канавок наносят гальваническое никелевое покрытие. Из медного прутка...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002760119
Дата охранного документа: 22.11.2021
+ добавить свой РИД