Введение к работе
Актуальность темы диссертации
К применяемым в ракетно-космической технике конструкционным материалам предъявляются весьма жесткие требования по коррозионной и термической прочности, пластичности, обрабатываемости, свариваемости, весу и тд Так, например, в перспективных системах терморегулирования космических аппаратов предполагается использовать аммиак в качестве рабочего тела При этом конструкционные материалы, контактирующие с аммиаком, испытывают значительное коррозионное и термическое воздействия и должны обеспечить продолжительный ресурс системы (15 лет и более) при минимальной массе конструкции Сходные проблемы присущи тепловым трубам, элементам конструкции радиаторов и солнечных батарей, аккумуляторам
В настоящее время перечисленные задачи решаются в основном подбором относительно легких конструкционных материалов, методов и режимов их термомехапической обработки, а также применением дополнительных воздействий в процессе их изготовления Это приводит к некоторому повышению эксплуатационных характеристик конструкционных материалов, в том числе их прочности, пластичности, коррозионных свойств Аналогичное и даже более существенное улучшение эксплуатационных характеристик конструкционных материалов можно получить при сверхбыстром охлаждении (скорости до 106 107 К/с) и кристаллизации капельных потоков расплавленного металла, из которых формируются компакты вышеуказанных материалов В этом случае может быть достигнуто особо сильное снижение размеров зерна, вплоть до получения некоторых металлических конструкционных материалов в аморфном состоянии Однако из-за отсутствия достоверных теоретических и экспериментальных данных по процессам тепломассообмена и гидродинамики при формировании и последующем сверхбыстром охлаждении и кристаллизации капельных потоков расплавленного металла эти методы пока находятся в стадии лабораторных исследований
Автором диссертации разработана и при его непосредственном участии создана экспериментальная установка ВЭЛУ, реализующая основные элементы перспективной технологии вакуумного литья диспергированным расплавом Установка предназначена для изучения физических процессов, сопровождающих получение, охлаждение и кристаллизацию капель расплавленных металлов Разработана методика получения монодисперсных потоков капель в вакууме, основанная на использовании электронных пушек ЭПА-60 для плавления быстровращающейся заготовки из алюминиевых сплавов Разработана методика сверхбыстрого охлаждения и кристаллизации расплавленных металлических капель за счет их высокоскоростного соударения с водоохлаждаемой подложкой, имеющей возможность перемещаться в двух направлениях
Актуальность темы диссертации обусловлена тем, что в ней рассматриваются малоизученные вопросы теплофизики и гидродинамики, связанные с получением высокоскоростных капельных потоков диспергированного жидкого металла и его последующим сверхбыстрым охлаждением и кристаллизацией применительно к задачам получения конструкционных материалов с улучшенными свойствами для энергетических и двигательных установок космических аппаратов
Цель работы состояла в получении первичных эксперимент альньгх данных о протекающих в установке ВЭЛУ тепломассообменпых процессах, определении основных физических механизмов и разработке расчетных методик, адекватно описывающих наблюдаемые в экспериментах явления
Научная новизна работы состоит в следующем
1 Разработана оригинальная экспериментальная установка для исследования
теплофизических и гидрогазодинамических процессов при вакуумном диспергировании
расплавленных металлов, позволяющая проводить эксперименты и измерения основных
физических параметров в широком диапазоне действующих факторов На установке
получены материалы с улучшенными эксплутационными характеристиками
2 Впервые проведены экспериментальные исследования процессов, протекающих
при получении в вакууме высокоскоростных (10-80 м/с) монодисперсных капельных
потоков и их кристаллизации в условиях сверхбыстрого охлаждения при ударном
взаимодействии с преградой Установлены основные закономерности образования
монодисперсных капельных потоков при центробежном диспергировании
конструкционных материалов на основе алюминиевых сплавов
3 Предложены расчетные модели, описывающие теплофизические и
гидродинамические процессы на поверхности вращающейся заготовки при воздействии
на нее электронного пучка
-
Впервые изучены вопросы паро-газовыделения летучих компонентов сплавов в вакуумную камеру из капельного потока и с поверхности вращающейся заготовки Предложена расчетная модель для описания этих процессов
-
Впервые доказана возможность получения массивных (более 1 см толщиной), имеющих равномерную структуру мелкокристаллических (размер зерна менее 4 мкм) компакт-образцов
Практическая значимость диссертации состоит в том, что полученные экспериментальные данные и разработанные расчетные методики могут быть использованы для создания и оптимизации перспективной технологии получения конструкционных материалов из различных марок алюминиевых сплавов с повышенными эксплуатационными характеристиками Итоги исследований реализованы в ФГУП «Центр Келдыша», ОАО РКК «Энергия» им С П Королева и ФГУП «НПО «Техномаш»
Достоверность полученных результатов подтверждается прямым сопоставлением результатов расчета, модельных и натурных экспериментов, а также анализом погрешностей измерений при проведении экспериментальных работ
На защиту выносится
1 Экспериментальная установка для центробежного диспергирования
металлических материалов при злектронно-лучевом нагреве и плавлении вращающейся
заготовки с целью получения высокоскоростных (10 - 80 м/с) капель и последующего их
ударного компактирования в вакууме в монолитные образцы с улучшенными свойствами
по сравнению с характеристиками сплавов такого же химического состава, традиционно
выпускаемых промышленностью
2 Экспериментальные результаты по характеристикам потока капель расплава и
скорости охлаждения расплава при соударении капель с термостатируемой подложкой
3 Методика расчета теплового режима ванны расплава на поверхности
вращающейся заготовки при воздействии на нее электронного пучка
-
Методики расчета диффузии и выделения в вакуум паров летучих компонентов алюминиевых сплавов
-
Модель образования направленного потока капель расплава
6 Результат исследования и сравнения физико-химических характеристик
образцов, полученных в экспериментах с параметрами аналогичных металлических
материалов, традиционно выпускаемых промышленностью
Апробация работы
Основные положения диссертации доложены
на научно - технических советах Российского космического агентства, г Москва 1994 и 1996 гг.
на научно-техническом семинаре в Институте электросварки им Е О Пат она НАН Украины, г Киев, 1995 г,
на научно-практической конференции по проблемам безконтейнерпого электроннолучевого переплава титановых и других сплавов Институт электросварки им Е О Патона АН Украины, г Киев, 1996 г ,
- па семинаре в ФГУП «Исследовательский Центр имени М В Келдыша», г Москва,
2002 г, 2008 г
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов и списка использованной литературы Объем диссертации составляет ll^i страниц, включая 47 рисунков и таблиц, 71 библиографических названия
