УДК 629.7

Антикоррозионная защита космической техники

Севашко Евгения Александровна – инженер-технолог 1 категории Научно-производственного объединения им. С. А. Лавочкина.

Ботиков Георгий Николаевич – инженер-технолог 2 категории Научно-производственного объединения им. С. А. Лавочкина.

Аннотация: В статье анализируются особенности антикоррозионной защиты космической техники. Рассматриваются специфика и опасность космического коррозионного воздействия на летательные и космические аппараты. Приводятся классы окружающей среды, в зависимости от которых подбирается антикоррозионное покрытие. Выявляются возможности антикоррозионной защиты наиболее широко применяемых в космической технике алюминиевых сплавов. Приводятся передовые методы и средства борьбы с космической коррозией.

Ключевые слова: коррозия, антикоррозионная защита, космическая техника, сплавы, покрытия.

Космическое пространство – агрессивная среда: на попадающие в него материалы воздействуют ультрафиолетовое и рентгеновское излучения, вакуум и заряженные частицы высокой энергии, в первую очередь электроны и протоны солнечного ветра [1]. На космическую технику оказывают коррозионное влияние атмосферные атомы, ионы и свободные радикалы, в особенности атомарный кислород. Спецификой космической техники является использование оболочек толщиной 2-3 мм, в которых коррозию требуется обнаруживать при незначительных поражениях (порядка 100 мкм) [2]. На ранних стадиях коррозии, когда вероятность обнаружения дефектов остаётся низкой, происходит микродеструкция материала, представляющая высокую потенциальную опасность. Развитию коррозионных процессов способствует наличие в модулях станции «холодных» зон, в которых температура корпуса ниже температуры точки росы, усугублению – напряжённое состояние оболочки, которое возникает под влиянием внутреннего атмосферного давления. В совокупности с воздействием микроорганизмов-биодеструкторов, в том числе на участки с высокой влажностью, и влиянием полётного напряжения обечайки коррозионные процессы создают идеальные условия для развития коррозионного растрескивания под напряжением, крайне негативно сказывающегося на целостности космической техники.

Целью работы является изучение особенностей антикоррозионной защиты космической техники. Для её достижения были использованы аналитический, синтетический, индуктивный и дедуктивный методы обработки тематических исследований, научных публикаций и релевантных литературных источников.

В космонавтике выбор средств и методов антикоррозионной защиты определяется классом сред, воздействию которых материалы и оборудование космического аппарата подвергаются внутри и снаружи в течение жизненного цикла [3]. В NASA выделяют следующие классы окружающей среды:

  1. Погружение в морскую воду. Покрытия этого класса должны выдерживать погружение в морскую воду в два раза дольше установленной максимальной продолжительности, полученной при испытаниях.
  2. Нахождение на морском побережье. Системы покрытий этого класса должны обеспечивать антикоррозионную защиту, в два раза превышающую максимально ожидаемое воздействие окружающей среды. Также они должны быть устойчивы к циклическому воздействию соляного тумана и УФ-излучению на окрашенный металл.
  3. Воздействие факторов среды в 50 милях от побережья. Покрытия этого класса испытываются аналогично предыдущему: в чередующихся циклах воздействия УФ-излучения и соляного тумана.
  4. Воздействие потенциально коррозионных химических систем или микробиологическое воздействие. Покрытия должны пройти испытания на устойчивость к росту плесени, грибковому воздействию и химической коррозии.
  5. Помещения с неконтролируемой влажностью. Покрытия этого класса испытывают согласно стандартам.
  6. Помещения с контролируемой влажностью. Для покрытий этого класса тестирование не требуется.
  7. Отсеки экипажа. Покрытия этого класса тестируются на устойчивость к соляному туману, вибрации, усталость и напряжение конфигурации в условиях, моделируемых в условиях миссии.

Космической коррозии в наибольшей степени подвержены движущиеся части аппаратов, узлы стыков, крепления и обшивка [4]. Часто коррозия возникает в зонах механических повреждений защитных покрытий, в результате некачественной смазки или локальных нарушений смазочной плёнки. Для устранения последней причины для смазки узлов и механизмов авиационно-космической техники используются антифрикционные твёрдосмазочные покрытия, содержащие высокодисперсные частицы твёрдых смазочных веществ – дисульфида молибдена, поляризованного графита или политетрафторэтилена, которые равномерно распределены в смеси связующих компонентов (титанаты, эпоксидные смолы, полиуретаны, полиамид-имидные, акриловые, фенольные и другие компоненты) и растворителей [5]. Связующие элементы обеспечивают адгезию, химическую стойкость и антикоррозионные свойства покрытий в диапазоне рабочих температур от - 200 до + 255°С.

Наибольшее распространение в космической технике получили алюминиевые сплавы, что обусловлено высокими конструкционными свойствами алюминия: он хорошо поддаётся штамповке, имеет высокие антикоррозионные свойства, пластичность и удельную прочность [6]. Алюминиевые сплавы, используемые в конструкциях летательных и космических аппаратов, обеспечивают сочетание хорошего соотношения прочности, веса и стоимости, однако они подвержены гальванической коррозии, для борьбы с которой используются соединения на основе Cr(VI) [7]. Шестивалентный хром является эталоном ингибирования коррозии, обеспечивая защиту в широком диапазоне pH и концентрации электролита. Хроматы являются как анодными, так и катодными ингибиторами, ограничивающими скорость растворения металлов и одновременно снижающими скорость реакций восстановления. Помимо этого, шестивалентный хром придаёт покрытию характер «самовосстановления» при коррозионном воздействии.

В то же время данные исследований показывают, что соединения на основе шестивалентного хрома несут угрозу для здоровья человека и окружающей среды, поэтому их применение жёстко регулируется. В качестве альтернативных антикоррозийных покрытий для алюминиевых сплавов используется трёхвалентная форма хрома, менее эффективная, но более безопасная.

Более перспективными являются покрытия на основе циркония и титана, способные ингибировать анодную коррозию. Титан используется как в виде комплексных фторидов, так и как основа сплава Ti-6Al-4V, обладающего высокими коррозионной и эрозионной стойкостью, удельным отношением прочности к массе, механической и усталостной прочностью, сбалансированным сочетанием механических свойств и обрабатываемости [8]. Технологии аддитивного производства титановых сплавов можно разделить на две группы: прямой подвод энергии и материала и синтез на подложке. Для производства аэрокосмических компонентов содержание кислорода в титановых порошках должно быть менее 0,15 % веса.

Однако титановые сплавы имеют свои ограничения: они могут быть уязвимы к водородному охрупчиванию и не должны использоваться при парциальном давлении кислорода. В связи с этим большая часть мировых разработок сосредоточена на разработке антикоррозионных покрытий для алюминиевых сплавов, а также совершенствовании самих сплавов [9]. Так, добавление в сплавы системы Al–Cu–Li легирующих элементов, в частности Zn, позволяет улучшить показатели их коррозионной стойкости. Также на повышение антикоррозионных свойств этой группы сплавов благоприятно влияет многоступенчатый режим старения.

Другое перспективное направление повышения антикоррозионной защиты космической техники – использование наноуглеродных нанокомпозитов [10]. В их основе лежат наноуглеродные нанонаполнители (углеродные нанотрубки, графен, наноалмаз и другие), которыми заполняются различные полимерные матрицы (термореактивные материалы, термопласты и проводящие полимеры). Повышение коррозионной стойкости обеспечивается за счёт создания в полимерах с дисперсией наноуглеродов электропроводящей сети, способствующей транспортировке заряда, анодной пассивации, катодной и электролитической защите. Активная защита от коррозии достигается благодаря использованию покрытий с добавками, которые высвобождаются при любом повреждении и восстанавливают защитный слой на поверхности металла.

Также для антикоррозионной защиты алюминиевых сплавов может использоваться тонкое керамическое покрытие, которое наносится в два этапа [11]. Сперва путём анодирования на подложке формируется химически однородный тонкий базовый слой, затем наноразмерные поры в базовом слое герметизируются, а вся поверхность покрывается химически стойким наноламинатом Al2O3/TiO2 методом атомно-слоевого осаждения. В результате формируется ионный барьер, значительно повышающий химическую стойкость покрытия.

Таким образом, космическая коррозия представляет собой серьёзную проблему для космической техники, поскольку при относительно незначительных поражениях приводит к микродеструкции материала, формирующей условия для развития коррозионного растрескивания под напряжением. Для защиты космической техники от коррозионной микродеструкции разрабатываются новые технологии антикоррозионной защиты, изготовления и обработки металлических и иных материалов, проводятся исследования возможностей сочетания материалов в конструкциях и перспектив профилактических мероприятий.

Список литературы

  1. Corrosion In Space. Academic Accelerator. Available at: https://academic-accelerator.com/encyclopedia/corrosion-in-space (Accessed 31.12.2023).
  2. Бычков В.Б., Беляев В.С., Шорин В.Н. Акустико-эмиссионная диагностика состояния гермокорпуса обитаемых модулей орбитальной станции: возможности и перспективы // Наука на МКС: Третья международная конференция, посвящённая 25-летию Международной космической станции. – М.: ИКИ РАН, 2023. – С. 70-74.
  3. Corrosion Protection For Space Flight Hardware: NASA Technical Standard / NASA-STD-6012A. Approved: 2022-03-23, 58 p.
  4. Антипов В.В. 90-летняя практика противокоррозионной защиты / В.В. Антипов, В.А. Дуюнова, М.С. Оглодков, М.А. Фомина, Т.П. Французова, И.А. Козлов // Труды ВИАМ. – 2022. – № 6 (112). – С. 108-126. – DOI: 10.18577/2307-6046-2022-0-6-108-126
  5. Антифрикционные покрытия и их преимущества перед пластичными смазками [Электронный ресурс] // БОРФИ. – URL: https://borfi.ru/press/201.html (дата обращения: 31.12.2023).
  6. Дуюнова В.А., Леонов А.А., Молодцов С.В. Вклад ВИАМ в разработку лёгких сплавов и борьбу с коррозией изделий ракетно-космической техники // Труды ВИАМ. – 2020. – № 2 (86). – С. 22-30. – DOI: 10.18577/2307-6046-2020-0-2-22-30
  7. Naden B. Chromate-Free Coatings Systems For Aerospace And Defence Applications. Paint Research Association, 2019. Available at: https://pra-world.com/news/chromate-free-coatings-systems-for-aerospace-and-defence-applications/ (Accessed 31.12.2023).
  8. Камский Г.В. Влияние технологических параметров селективного электронно-лучевого спекания и горячего изостатического прессования на формирование структуры и свойств сплава Ti-6Al-4V медицинского назначения: дис. … канд. техн. наук: 05.16.01 / Григорий Владимирович Камский; Урал. фед. ун-т им. Б.Н. Ельцина. – Екатеринбург, 2021. – 154 с.
  9. Оглодков М.С. Направления развития перспективных алюминий-литиевых сплавов для авиационно-космической техники (обзор) / М.С. Оглодков, Н.Д. Щетинина, А.С. Рудченко, М.Д. Пантелеев // Авиационные материалы и технологии. – 2020. – № 1 (58). – С. 19-29. – DOI: 10.18577/2071-9140-2020-0-1-19-29
  10. Kausar A., Ahmad I., Zhao T. Corrosion-Resisting Nanocarbon Nanocomposites for Aerospace Application: An Up-to-Date Account. Applied Nano, 2023, vol. 4 (2), pp. 138-158. DOI: 10.3390/applnano4020008
  11. Merisalu M., Aarik L., Kozlova J., Mändar H., Tarre A., Sammelselg V. Effective Corrosion Protection Of Aluminum Alloy AA2024-T3 With Novel Thin Nanostructured Oxide Coating. Surface and Coatings Technology, 2021, vol. 411. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2021.126993