Изобретение относится к области технологий производства бронезащитных материалов.The invention relates to the field of production technology armored materials.
Один из способов упрочнения пористого алюминия заключается в внедрении в его поры керамического материала на основе оксида алюминия (Al2O3). Существуют способы получения керамики на основе оксида алюминия: RU 2176985, RU 2013128751, RU 2128153, RU 2205152, RU 2485074, RU 2280016. Данные способы основаны на процессе спекания заранее изготовленного мелкодисперсного порошка оксида алюминия при больших температурах, но применение данных способов для образования керамического слоя на поверхности пор не применимо ввиду большой температуры спекания, превышающей температуру плавления алюминиевой матрицы. Помимо данного недостатка данными способами невозможно сформировать локализованный объем упрочнения, поскольку не существует способа задать границы его формирования при воздействии высоких температур. Существуют способы получения оксида алюминия на поверхности алюминия, основанные на методе микродугового оксидирования: RU 2123546, RU 2361970, RU 2377341, RU 2483144, RU 2495161. Технический результат данных способов направлен на совершенствование процесса нанесения керамических покрытий на металлы вентильной группы, основной недостаток которых заключается в статическом воздействии электролита на оксидируемый образец, что делает невозможным оксидирование внутриобъемного пространства пористой алюминиевой структуры. Наиболее близким прототипом по способу получения керамического оксида алюминия в объеме пористого алюминия является изобретение RU 2621527, которое состоит в том, что заготовки из пористого открытоячеистого алюминия помещаются в емкость с однокомпонентным электролитом с жидким стеклом и подвергаются микродуговому оксидированию в анодно-катодном режиме с падающей мощностью в течение не менее 120 минут, при оксидировании на заготовках из пористого алюминия осуществляется выступ с прямоугольным профилем со сторонами 10×150 мм, который служит токопроводом для подвода электрического тока, а также в применении в процессе оксидирования системы принудительного охлаждения и компрессора для циркулирования электролита с давлением не менее 0,8 МПа. Причинами, препятствующими получению технического результата данным изобретением, является отсутствие технологических процессов по формированию границ контура локализации объема пор подвергаемых оксидированию и подачи в данный объем электролита, что делает невозможным формирование в единой открытоячеестой алюминиевой матрице двух или более слоев с различными механическими параметрами.One of the methods for hardening porous aluminum is to introduce a ceramic material based on aluminum oxide (Al 2 O 3 ) into its pores. There are methods for producing ceramics based on aluminum oxide: RU 2176985, RU 2013128751, RU 2128153, RU 2205152, RU 2485074, RU 2280016. These methods are based on the sintering process of prefabricated fine alumina powder at high temperatures, but using these methods to form ceramic layer on the surface of the pores is not applicable due to the high sintering temperature exceeding the melting point of the aluminum matrix. In addition to this lack of these methods it is impossible to form a localized amount of hardening, since there is no way to set the boundaries of its formation when exposed to high temperatures. There are ways to obtain aluminum oxide on the surface of aluminum, based on the method of microarc oxidation: RU 2123546, RU 2361970, RU 2377341, RU 2483144, RU 2495161. The technical result of these methods is aimed at improving the process of applying ceramic coatings on valve group metals, the main disadvantage of which is in the static effect of the electrolyte on the sample being oxidized, which makes it impossible to oxidize the internal volume of the porous aluminum structure. The closest prototype for the method of obtaining ceramic aluminum oxide in the volume of porous aluminum is the invention RU 2621527, which consists in the fact that blanks of porous open-cell aluminum are placed in a container with a single-component electrolyte with liquid glass and subjected to microarc oxidation in anodic-cathodic mode with falling power for at least 120 minutes, during oxidation, a protrusion with a rectangular profile with sides of 10 × 150 mm, which serves as conductor for supplying electric current, as well as in application in the process of oxidation of a forced cooling system and a compressor for circulating electrolyte with a pressure of at least 0.8 MPa. The reasons that impede the receipt of the technical result of this invention is the lack of technological processes for forming the boundaries of the localization circuit of the pore volume subjected to oxidation and supply of electrolyte into this volume, which makes it impossible to form two or more layers with different mechanical parameters in a single open-cell aluminum matrix.
Технический результат изобретения состоит в обеспечении возможности формирования в единой алюминиевой пористой матрице одного или более объемов пор, упрочненных методом микродугового оксидирования, разделенных с неоксидированным объемом пор четкой границей.The technical result of the invention consists in providing the possibility of forming in a single aluminum porous matrix one or more pore volumes strengthened by microarc oxidation, separated with an unoxidized pore volume by a clear boundary.
Способ производства бронезащитной структуры на основе пористого алюминия с локализованным объемом упрочнения предназначен для формирования в единой алюминиевой пористой матрице одного или более объемов пор, упрочненных методом микродугового оксидирования, разделенных с неоксидированным объемом пор четкой границей. Способ производства включает четыре этапа. На первом этапе производится механическая обработка заготовки из пористого алюминия и придание ей формы, соответствующей геометрии защищаемого объекта. Форма может быть, как пластиной в виде параллепипеда, так и содержать изгибы и углы. Толщина пластины зависит от заданных критериев стойкости, но не может быть мене 10 мм. На одной из торцевых сторон заготовки пластины заранее проектируется и вытачивается выступ высотой не менее 50 мм с поперечным сечением в виде окружности. Диаметр окружности соответствует толщине пластины. Данный профиль служит токопроводом и гидропроводом для подвода электрического тока и электролита объему пор подвергающемуся микродуговому оксидированию. На втором этапе формованная заготовка из пористого алюминия с изготовленным на ней выступом помещается в центрифугу. Центрифуга представляет собой цилиндрическую емкость, на дне которой по центру закреплен вертикальный вал, соединенный с электродвигателем. Перпендикулярно оси вала к нему прикреплены не менее четырех рычагов с расположенными по краям стаканами. Под рычагами расположены нити нагревательного элемента, размещенные радиально относительно дна емкости и оси вала. Под нагревательными элементами расположены лопасти крыльчатки, закрепленной соосно на валу. Заготовки выступами помещаются в стаканы так чтобы стороны не предназначенные для оксидирования располагались во внутрь емкости. Далее берется губчатый мягкий материал, в качестве которого может использоваться войлок либо поролон. Форма материала должна быть идентичной профилю заготовки. Губчатый материал пропитывается заранее подготовленным жидким гидрофобным диэлектрическим полимером. Далее материал крепится к стороне заготовки, не предназначенной для оксидирования клейкой лентой либо проволокой. Аналогичная операция проводится со всеми заготовками помещенными в центрифугу. Далее запускается двигатель центрифуги, заготовки начинают вращаться относительно оси вала. Под действием центростремительной силы жидкий гидрофобный диэлектрический полимер перетекает из губчатого материала в тело заготовки. Одновременно при вращении вала происходит нагрев нитей и выделение тепла, а под действием потоков воздуха, создаваемых крыльчаткой, тепло конвектирует вокруг заготовок. Под действием теплового эффекта жидкий гидрофобный диэлектрический полимер застывает на заданной толщине пористого объема заготовки, тем самым формируя границу локализованного объема, который будет подвержен микродуговому оксидированию за счет образования на стенках пор объема не предназначенного оксидированию тонкого слоя диэлектрика. Время работы центрифуги, а также технологические параметры (скорость вращения, температура нагрева нитей), подбираются опытным путем и зависят от геометрических параметров заготовки и количества необходимых к формированию объемов предназначенных для оксидирования. Если задачей является локализация объема упрочнения, который будет расположен по центру общего объема заготовки, то после пропитки жидким гидрофобным диэлектрическим полимером на заданную толщину с одной стороны расположение заготовок в центрифуге меняется другой стороной, и операция повторяется. На третьем этапе подготовленные после центрифуги заготовки помещаются в установку для последующего оксидирования локализованного объема и наращивания в нем упроченного слоя оксида алюминия. Установка для оксидирования локализованного объема пористого алюминия состоит из ванны, в которую заливается смесь электролита с жидким натриевым стеклом, компрессора для осуществления подачи электролита под давлением, охлаждающего устройства, электрических проводов, распределительной рампы и патрубков, соединяющих элементы установки. Заготовки помещаются в ванну с электролитом выступами вверх, на выступы наматываются электрические провода, которые проходят через патрубки. После надежного подсоединения проводов сверху одеваются резиновые патрубки так, чтобы зона соединения проводов оказалась внутри патрубка. Далее на местах соединения выступа с патрубками затягиваются хомуты для герметизации. Концы патрубков соединяются с распределительной рампой. Особенность патрубков заключается в том, что во внутреннем объеме расположен электрический провод, который через уплотненное отверстие выходит наружу для последующего соединения с энергетической конденсаторной установкой. Распределительная рампа соединяется патрубками с устройством охлаждения электролита, компрессором и ванной в единый контур. Выступы на заготовках обеспечивают непрерывную проводимость электрического тока и подачу под давлением в локализованный объем заготовки электролита. Поскольку на стенки пор остального объема заготовки нанесен слой диэлектрика, то площадь пор заключенная в данном объеме не будет участвовать в электрохимической реакции оксидирования. Упрочненный слой оксида алюминия будет формироваться в заданном локализованном объеме пор. На четвертом этапе заготовки прошедшие стадию формирования локализованного объема упрочнения подвергаются механической обработке, в процессе которой выступы удаляются.The production method of an armored structure based on porous aluminum with a localized volume of hardening is intended to form in a single aluminum porous matrix one or more pore volumes strengthened by microarc oxidation, separated with an unoxidized pore volume with a clear boundary. The production method includes four stages. At the first stage, the workpiece is machined from porous aluminum and made into a form corresponding to the geometry of the object to be protected. The form can be, as a plate in the form of a parallelepiped, and contain bends and corners. Plate thickness depends on the specified criteria of resistance, but can not be less than 10 mm. On one of the end sides of the blank plate, a protrusion with a height of at least 50 mm with a cross-section in the form of a circle is projected and turned out in advance. The diameter of the circle corresponds to the thickness of the plate. This profile serves as a conductor and hydraulic line for supplying electric current and electrolyte to the pore volume subjected to microarc oxidation. At the second stage, the molded billet of porous aluminum with a ledge made on it is placed in a centrifuge. A centrifuge is a cylindrical tank, at the bottom of which a vertical shaft is fixed in the center and connected to an electric motor. Perpendicular to the axis of the shaft attached to it at least four levers located at the edges of the glasses. Below the arms are the threads of the heating element placed radially relative to the bottom of the container and the shaft axis. Under the heating elements are the blades of the impeller, fixed coaxially on the shaft. The billet projections are placed in glasses so that the sides not intended for oxidation are located inside the container. Next, take a spongy soft material, which can be used as felt or foam. The shape of the material must be identical to the profile of the workpiece. Spongy material is impregnated with pre-prepared liquid hydrophobic dielectric polymer. Next, the material is attached to the side of the workpiece, not intended for oxidation with adhesive tape or wire. A similar operation is carried out with all blanks placed in a centrifuge. Next, the centrifuge engine starts, the blanks begin to rotate about the axis of the shaft. Under the action of centripetal force, the liquid hydrophobic dielectric polymer flows from the spongy material into the body of the workpiece. At the same time, as the shaft rotates, the filaments are heated and heat is generated, and under the action of the air flow generated by the impeller, heat convects around the blanks. Under the action of the thermal effect, the liquid hydrophobic dielectric polymer hardens at a given thickness of the porous volume of the workpiece, thereby forming the boundary of a localized volume that will be susceptible to microarc oxidation due to the formation of a volume of non-oxidized thin dielectric layer on the pore walls. The operating time of the centrifuge, as well as technological parameters (rotation speed, temperature of heating of the filaments), are chosen experimentally and depend on the geometrical parameters of the workpiece and the number of volumes required for the formation intended for oxidation. If the task is to localize the volume of hardening, which will be located in the center of the total volume of the workpiece, then after impregnation with a liquid hydrophobic dielectric polymer to a predetermined thickness on one side, the arrangement of the blanks in the centrifuge changes with the other side, and the operation is repeated. At the third stage, the blanks prepared after the centrifuge are placed in the installation for the subsequent oxidation of the localized volume and the build-up of a hardened aluminum oxide layer in it. The installation for oxidizing the localized volume of porous aluminum consists of a bath into which a mixture of electrolyte with liquid sodium glass is poured, a compressor for supplying electrolyte under pressure, a cooling device, electrical wires, a distribution ramp, and nozzles connecting the elements of the installation. The blanks are placed in a bath with electrolyte protrusions up, electrical wires that run through the pipes are wound onto the protrusions. After the wires are securely connected from above, the rubber nipples are put on so that the connection area of the wires is inside the nipple. Further, at the junction points of the protrusion with the pipes, the clamps for sealing are tightened. The ends of the pipes are connected to the distribution ramp. A special feature of the pipes is that there is an electric wire in the internal volume, which goes out through the sealed hole for subsequent connection to the power capacitor installation. The distribution ramp is connected by nozzles with an electrolyte cooling device, a compressor and a bath into a single circuit. The protrusions on the workpieces provide continuous conductivity of electric current and supply under pressure to the localized volume of the electrolyte preform. Since a dielectric layer is applied to the pore walls of the remaining volume of the blank, the pore area enclosed in this volume will not participate in the electrochemical oxidation reaction. A hardened aluminum oxide layer will be formed in a given localized pore volume. At the fourth stage, the workpieces that have passed the stage of forming a localized volume of hardening are machined, during which the protrusions are removed.
На фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3 изображены виды сверху, сбоку и снизу схемы расположения заготовок из пористого алюминия в центрифуге, где заготовки 1 с выступами 2 помещены в стаканы 3, расположенные на рычагах 4, закрепленных на валу 5, под рычагами расположены нити нагревательного элемента 6 и лопасти крыльчатки 7, все узлы закреплены в корпусе центрифуги 8, к одной из сторон заготовок прикреплен губчатый материал 9. На фиг. 4 изображена схема расположения заготовок из пористого алюминия со сформированным контуром объема упрочнения в установке для оксидирования, где к заготовкам помещенным в ванну с электролитом 10 подсоединены электрические провода 11, находящиеся в патрубках 12, закрепленных одним концом на выступах заготовок хомутами 13, другим концом на распределительной рампе 14, которая патрубками 15, 16 и 17 соединена в единый контур с компрессором 18 и устройством охлаждения электролита 19.FIG. 1, fig. 2 and FIG. 3 shows top, side and bottom views of the layout of porous aluminum blanks in a centrifuge, where blanks 1 with protrusions 2 are placed in cups 3 located on levers 4 fixed on shaft 5, threads of heating element 6 and blades of impeller 7 are located under levers, all the nodes are fixed in the centrifuge case 8; a spongy material 9 is attached to one of the sides of the blanks. In FIG. 4 shows the layout of blanks made of porous aluminum with a formed contour of the volume of hardening in an oxidation unit, where electric wires 11 are connected to blanks placed in a bath with electrolyte 10, which are located in nozzles 12, fixed at one end on the projections of the blanks with clamps 13 and the other end of the distribution ramp 14, which pipes 15, 16 and 17 are connected in a single circuit with a compressor 18 and an electrolyte cooling device 19.
Осуществление способа производства бронезащитной структуры на основе пористого алюминия может быть произведено в следующем примере. Изготавливаются заготовки из пористого алюминия с приданием ей формы соответствующей геометрии защищаемого объекта и выступом (токопроводом и гидропроводом) как представлено на фиг. 4. Далее заготовки выступами 2 помещаются в стаканы центрифуги, как представлено на фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3. Подготавливается губчатый материал 9 путем пропитки его в жидком гидрофобном диэлектрическом полимере, который при помощи проволки или клейкой ленты крепится к стороне заготовки обращенной внутрь центрифуги. Далее запускается центрифуга на заданное время. В процессе вращения полимер перетекает в поры заготовки и под действием конвекции тепла, создаваемой нагревательными элементами 6 и крыльчаткой 7, затвердевает и образует на стенках пор неоксидируемого слоя диэлектрический слой. Затем заготовки помещаются в установку для оксидирования, как показано на фиг. 2. К выступам заготовок подсоединяются провода 11 и патрубки 12, которые закрепляются хомутами 13. Концы проводов подсоединяются к энергетической конденсаторной установке. Далее устройство оксидирования запускается. Компрессор 18 начинает подавать под давлением электролит на распределительную рампу, которая распределяет потоки по патрубкам. Электролит под давлением проникает во внутренний объем заготовки и под воздействием электрического тока происходит электрохимическая реакция на поверхности стенок пор в объеме, который не был подвержен пропитки гидрофобным диэлектрическим полимером. После оксидирования формируется структура сочетающая в себе несколько чередующихся слоев, ограниченных объемом пор с образовавшимся слоем оксида алюминия и без него. После оксидирования заготовки извлекаются из установки, а выступы механическим путем удаляются.The implementation of the production method armored structure based on porous aluminum can be made in the following example. Workpieces are made of porous aluminum, giving it the shape of the corresponding geometry of the object to be protected and a protrusion (conductor and hydraulic conductor) as shown in FIG. 4. Next, the blanks with the projections 2 are placed in the centrifuge glasses, as shown in FIG. 1, fig. 2 and FIG. 3. The sponge material 9 is prepared by impregnating it in a liquid hydrophobic dielectric polymer, which is fastened with wire or adhesive tape to the side of the workpiece facing the inside of the centrifuge. Next, run the centrifuge for a specified time. In the process of rotation, the polymer flows into the pores of the workpiece and under the action of convection heat generated by the heating elements 6 and the impeller 7, hardens and forms a dielectric layer on the walls of the pores of the non-oxidizable layer. The preforms are then placed in an oxidation unit, as shown in FIG. 2. To the protrusions of the blanks are connected wires 11 and nozzles 12, which are fastened with clamps 13. The ends of the wires are connected to the power capacitor installation. Next, the oxidation device starts. Compressor 18 begins to supply electrolyte to the distribution ramp under pressure, which distributes the flow through the pipes. The electrolyte under pressure penetrates into the internal volume of the workpiece and under the influence of electric current, an electrochemical reaction occurs on the surface of the pore walls in a volume that was not susceptible to impregnation with a hydrophobic dielectric polymer. After oxidation, a structure is formed that combines several alternating layers, limited by the volume of pores with the formed layer of aluminum oxide and without it. After oxidation, the workpieces are removed from the installation, and the protrusions are mechanically removed.
