CASPIY.NET

ГЛАВА 7. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ИОНООБМЕННОГО УПРОЧНЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ОСТЕКЛЕНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

В периодической и патентной литературе сообщается об использовании ионообменной технологии для упрочнения: защитных, диоптрийных, фотохромных, солнцезащитных очковых стекол и линз [298, 373, 407, 422, 445, 451, 461, 495, 497, 553, 640, 667, 826, 832, 1041-1047]; цветных светофильтров и сигнальных стекол [373, 640, 826, 827]; cтеклотарных изделий и стеклопосуды [556, 581, 640, 720, 728, 730, 734, 736, 759, 986, 990-992, 1027, 1048-1058]; строительного и архитектурного стекол [297, 397, 708, 729, 1059, 1060]; остекления транспортных (наземных, воздушных, морских, космических) средств [234, 264, 297, 372, 374, 397, 413, 666, 831, 861, 958, 1059-1071]; пуленепробиваемой брони [1070, 1073]; лабораторных пипеток [231, 661, 1073]; лазерного стекла [504, 687, 688, 1074]; вакуумных сосудов Дьюара [609, 1075, 1076]; стеклянных труб различного назначения [558, 583, 584, 676, 1073, 1077]; покровного часового стекла [264, 265, 407, 472, 505, 1078, 1079]; солнечных коллекторов [21, 1080]; линз перископов, оптических приборов и системы наведения противотанковых снарядов [264, 819, 1066, 1081, 1082]; окон (фотолюков) для аэрофотосъемки [264, 862, 1083]; стекол для жидких кристаллов [265]; катушек для магнитофонных лент [861]; подложек для магнитных и оптических запоминающих устройств [861, 1084]; стекол, разбиваемых по команде (капсул нефтяных скважин, обтекателей ракет, фонаря катапультирования самолета, оболочек кумулятивных зарядов, крышек предохранителей, пробирок для различных материалов) [373, 861, 1066, 1085].

Однако, ни сама технология, ни особенности упрочнения конкретного изделия нигде подробно не описаны. В лучшем случае указывается режим упрочнения того или иного изделия. При использовании же ионообменной технологии нужно иметь в виду, что каждое изделие “ставит” перед исследователем свои специфические проблемы.

В этой главе технология ионообменного упрочнения дана с позиций ее использования для упрочнения элементов остекления транспортных средств и, главным образом, элементов остекления летательных аппаратов. Выбор последних в качестве объекта исследования обусловлен тем, что к ним предъявляются очень высокие требования по оптико-механическим параметрам [1086-1089]. Они должны обладать: высокой надежностью; способностью выдерживать аэродинамический нагрев; отличными оптическими характеристиками; возможно меньшей массой; способностью обеспечивать безопасное завершение полета при неблагоприятных внешних условиях. Иными словами, в современных летательных аппаратах силикатное стекло выполняет не только функции оптического элемента, предназначенного для фото-, теле-, лазерного и визуального наблюдения, но и функции конструкционного материала, способного выдерживать различные виды механических и термических нагрузок, обеспечивая надежность объекта в целом и безопасность экипажа.

По функциональному назначению остекление транспортных средств можно разделить (см. также табл. 6.13) на три вида: внутрикабинное остекление (остекление приборов, осветителей); внешнее бортовое остекление (фары, фотолюки, светомаяки); защитное остекление кабины (окна, лобовое остекление). Условия эксплуатации, следовательно, и требования, предъявляемые к эти изделиям, отличаются друг от друга. Поэтому и условия их упрочнения, даже если они изготовлены из одного и того же стекла, также должны отличаться.

Прежде, чем перейти к описанию технологии упрочнения следует сделать несколько замечаний общего характера.

1. Необходимость проведения исследований, изложенных в этой главе, вызвана тем, что сводки лабораторных исследований, даже кажущиеся исчерпывающими, оказываются недостаточными для определения эксплуатационной надежности изделий конструкционной оптики. Единственным объективным критерием правильности использования той или иной технологии или режима упрочнения хрупких материалов могут служить натурные испытания, выполненные на натурных изделиях.

2. Как было отмечено в разделе 2.4 надежность эксплуатации ИКО можно повысит двумя путями: усовершенствованием конструкции и (или) упрочнением элементов остекления. В данной работе эта задача в основном решалась путем повышения прочности элементов остекления, по существу, не изменяя конструкцию изделия в целом. Другая задача заключалась в снижении массы (толщины) существующего изделия, не ухудшая его надежность.

3. Подробное описание технологии упрочнения каждого изделия приводит к необоснованному повтору. Поэтому обсуждены основные операции традиционной технологии, рассмотрены возможные пути их усовершенствования, указаны некоторые характерные особенности упрочнения того или иного изделия, а приведенные режимы упрочнения ни в коем случае не претендуют на окончательность.

7.1. Упрочнение элементов внутрикабинного остекления

Традиционная технология ионообменного упрочнения предусматривает (рис. 7.1) последовательное выполнение операций: изготовление изделия; визуальный осмотр; установка изделия в технологическую рамку; предварительный нагрев; изотермическая ионообменная обработка; охлаждение; мойка; сушка; маркировка; контроль.

Ограничимся описанием технологии упрочнения защитных стекол и стеклопакетов (светоклин с компенсатором) герметизированных аэронавигационных приборов. По классификации, приведенной в табл. 6.13, эти изделия относятся к типам А и Г. При их упрочнении надо учитывать, что стойкость к ударным воздействиям определяется прочностью поверхности 2, а к длительному статическому нагружению - прочностью поверхности 3, и то, что существует реальная возможность ухудшения качества поверхности 3 в процессе эксплуатации изделия.

Остекление аэронавигационных приборов, кроме высокой механической надежности, должно обеспечить условия для получения экипажем быстрой и точной зрительной информации в любых условиях полета. С увеличением высоты полета усиливается (особенно в сумерки) контраст между освещенными и неосвещенными частями кабины, а ночью на стеклах приборов появляются блики и зеркальные отражения от осветительных приборов. Все это может привести к увеличению времени считывания показания приборов в 2-3 раза и к созданию аварийной ситуации. Для исключения этих явлений необходимо снизить коэффициент отражения света от поверхности стекол.

Решить комплексно проблему повышения оптико-механических параметров элементов остекления аэронавигационных приборов удается их упрочнением с помощью ионообменной технологии и снижением коэффициента отражения света путем нанесения просветляющих покрытий.

Приборные стекла могут быть изготовлены из листового или оптического стекол. Изготовление изделий из листового стекла сводится к резке и обработке края, а из оптического стекла, кроме того, подвергают шлифовке и полировке. Влияние этих операций на достигаемый в результате обмена ионов Na^{+ ¬}_® K⁺ уровень прочности был показан в разделе 4.9. Не будет излишним еще раз подчеркнуть, что выбор режима упрочнения и стабильность достигаемого уровня прочности в значительной степени определяются технологической предысторией стеклоизделия.

Визуальный осмотр упрочняемых изделий обычно сводится к выявлению трещин, царапин, потертостей и других дефектов. Но такой осмотр не гарантирует получения высокопрочного изделия. При упрочнении особо ответственных изделий желательно ввести операцию предварительной отбраковки слабопрочных изделий путем их нагружения воздухом или водой. Введение этой операции повышает минимальный уровень прочности ионообменно упрочненных защитных стекол аэронавигационных приборов до двух раз. С этой же целью некоторые изделия можно подвергать травлению или слабой воздушной закалке.

Рис. 7.1. Технология ионообменного упрочнения изделий конструкционной оптики. и.о.о. - ионообменная обработка.

Выбор технологической рамки диктуется в основном возможностью одновременного упрочнения большого количества изделий и удобством в работе. Для упрочнения рассматриваемых изделий использовалась рамка кассетного типа (рис. 7.2а).

Предварительный нагрев изделий, как и охлаждение после изотермической выдержки в расплаве соли, можно проводить с возможно большей скоростью, исключающей их разрушение от термических напряжений. Для изделий из натриевокальциевосиликатных стекол достаточно обеспечить, чтобы градиент температуры по полю листа и по толщине не превышал 30-40 К. Градиент температуры, возникающий при переносе из печи нагрева в ванну упрочнения, надо свести к минимуму. Стадию нагрева желательно сочетать с термообработкой стеклоизделий. Достигаемый при этом эффект показан на рис. 4.17.

Выбор режима изотермической выдержки в расплаве соли определяется эксплуатационными требованиями, предъявляемым к стеклоизделию. Повышение температуры позволяет сократить продолжительность упрочнения, но при этом ухудшаются оптические характеристики изделия, снижается его химическая стойкость и ускоряется процесс старения ванны. Наш опыт использования ванн на основе KNO₃ позволяет рекомендовать в качестве наиболее оптимальной температуру расплава, равную 723-748 К. К тому же, правила пожарной безопасности не разрешают эксплуатировать селитровые ванны при температуре выше 723 К.

При определении длительности упрочнения защитных стекол аэронавигационных приборов необходимо учитывать возможность абразивного воздействия (см. раздел 6.14), влияние условий нанесения просветляющих покрытий на прочность (см. раздел 6.1.6) и выбор оптимального режима упрочнения с помощью Т-фактора прочности (см. раздел 6.14.8). В результате был выбран следующий режим: температура 738±5 К, время 48±1 ч. Упрочнение защитных стекол, изготовленных из ТПС, по указанному режиму обеспечивает не менее, чем 4-х кратное повышение несущей способности.

Рис. 7.2. Рамка для ионообменного упрочнения стеклоизделий. 1 - кассета, 2 - термокомпенсатор, 3 - изделие, 4 - крюки для подвешивания, 5 - каркас рамки, 6 - уровень расплава KNO₃, 7 - застывший KNO₃, 8 - боковые фиксаторы, 9 - штанга, А - неподвижные упоры, Б - подвижные упоры.

При упрочнении некоторых изделий из термически полированного стекла нужно учитывать и следующее обстоятельство. В разделе 3.4 отмечалось, что обработка ТПС в расплаве KNO₃ приводит к образованию на противоположных поверхностях различных по абсолютной величине сжимающих напряжений. Стекла тонких номиналов при этом могут искривляться. Предотвращение искривления достигается:

- предварительным снижением блокирующего влияния оловянной пленки на щелочной обмен путем контактирования Sn-поверхности с расплавом соли натрия и (или) лития при температуре 623-723 К в течение 0.01-100 ч [1090];

-предварительным снижением (обесще­ла­чи­ванием) содержания ионов Na⁺ на At-поверхности путем ее контактирования с газами типа CCl₃F, CCl₂F₂, SO₂, HF при температуре 723-923 К [1091];

- предварительным увеличением содержания ионов Na⁺ на Sn-поверхности путем ее контактирования с солью натрия при температуре 653-923 К в течение 0.1-70 ч [1092];

- предварительным упрочнением Sn-поверхности путем ее контактирования с солью калия при температуре 653-923 К в течение 0.1-70 ч [1093].

Последний метод наиболее эффективен. Его технологичность существенно повышается при использовании для упрочнения Sn-поверхности твердофазной ионообменной технологии.

При обычном упрочнении светоклиньев, изготовленных из оптического стекла К-108, (погружение изделий в расплав) их несущая способность повышается в 2.5-3 раза. Для улучшения равномерности распределения сжимающих напряжений изделия с сильной разнотолщинностью стенок предлагается [426] обрабатывать последовательно в расплавах KNO₃, содержащих соответственно 10, 50, 6, 30, 3, 15, и 1% NaNO₃. Рассматриваемое изделие более целесообразно упрочнить градиентным способом, согласно которому его выдерживают в расплаве KNO₃ таким образом, чтобы отношение времени обработки (t, ч) к квадрату толщины упрочняемой части (Н, мм) составляло примерно 1.5 ч/мм². Это достигалось подъемом изделия из расплава с заданной скоростью, и такое упрочнение повышает их несущую способность в 4 раза.

С целью сокращения времени упрочнения или повышения степени упрочнения часто применяют двухстадийные способы упрочнения - на первой стадии температура упрочнения поддерживается на уровне 758-878 К, а на второй стадии снижается на 20-100 К [297, 405, 529, 1094, 1095]. Аналогичные способы с использованием ванн различных составов описаны в [296, 387, 526, 528, 1096]. При упрочнении изделий в небольших ваннах можно воспользоваться неизотермическим способом упрочнения [1097, 1098]. Он предусматривает нагревание стеклоизделия сначала на воздухе, а затем в расплаве KNO₃ со скоростью 4-8 град/мин до температуры равной (0.9-1.1)Tg, выдержку при этой температуре в продолжении заданного времени и охлаждение со скоростью 6-10 град/мин сначала в расплаве KNO₃ до 615 К, а затем на воздухе до комнатной температуры. Использование этого способа для упрочнения светоклиньев повышает их несущую способность в 4.5-5.0 раз. Но его реализация сопряжена с определенными техническими трудностями.

Мойку упрочненных стеклоизделий обычно проводят водопроводной водой, а сушку - протиркой сухой салфеткой. Сушку при высоких температурах можно проводить в случаях, когда упрочненное стеклоизделие подвергают дополнительной термостабилизации (см. раздел. 6.11), маркировке или доупрочнению аэрозольным способом слабоупрочненных участков.

Маркировка упрочненного стеклоизделия различными красками и лаковыми покрытиями особых трудностей не вызывает. При этом желательно, чтобы условия их сушки совпадали с условиями термостабилизации. Чтобы не возвращаться к этому вопросу еще раз, обсудим маркировку ионообменно упрочняемого изделия. Нанесенная до упрочнения маркировка должна удовлетворять двум требованиям: оставаться неизменной после упрочнения и не загрязнять ванну упрочнения примесными ионами. Этим требованиям вполне отвечает маркировка скользящими алюминиевым и медным дисками. Но при этом участок маркировки упрочняется слабо за счет блокировки обмена ионов Na^{+ ¬}_® K⁺ металлической пленкой. Способ (см. раздел 5.5), предусматривающий предварительное локальное упрочнение участка маркировки аэрозольным методом, обеспечивает получение равнопрочного изделия.

Среди других приемов маркировки можно отметить обработку упрочняемого изделия лазерным лучом (в местах обработки возникает белая непрозрачная окраска) [1099], предварительное нанесение пасты, содержащей берлинскую лазурь KFe[Fe(CN)₆], на торцевую поверхность (в процессе ионообменной обработки синий цвет индикатора переходит в желтый) [1100], а также использование “чернил” на основе солей серебра [28, 29].

7.2. Упрочнение элементов внешнего бортового остекления

Элементы внешнего бортового остекления летательных аппаратов должны противостоять аэродинамическому разогреву, а герметизированные - и одновременному нарастанию давления. Чтобы обеспечить стойкость бортового остекления к термическим напряжениям обычно их изготавливают из термостойких бесщелочных или малощелочных стекол. Технология их производства сложна и потому % выхода годных изделий невысок.

Рассмотрим целесообразность использования ионообменно упрочненных изделий, изготовленных из щелочных технологичных стекол, в качестве элементов внешнего бортового остекления летательных аппаратов. Была исследована возможность замены аэрокартографического фотолюка, изготовленного из термостойкого стекла 3.1-29, на ионообменно упрочненный фотолюк, изготовленный из стекла 3.1-12, а также возможность повышения термостойкости серийного остекления светомаяка (стекло 3.1-16).

Рис. 7.3. Условия испытания аэрокартографического фотолюка.

Неупрочненные фотолюки, изготовленные из стекла 3.1-12, не выдержали испытания; как правило, они разрушались по истечении 10-12 минут от начала испытания по условиям рис. 7.3. Несколько неожиданным явилось то, что около 30% изделий, упрочненных таким образом, чтобы их термостойкость стала выше термостойкости изделий, изготовленных из стекла 3.1-29, разрушались от термических напряжений. На основе результатов, изложенных в разделе 6.15, было высказано предположение, что отдельные участки торцевой поверхности фотолюка, а именно места контакта с технологической рамкой, остаются неупрочненными или слабоупрочненными. Доказательства справедливости этого предположения приведены в следующем разделе, а здесь укажем только на один из способов исключения этого негативного явления. Для данных изделий оказалось достаточным произвести перед ионообменным упрочнением обработку мест контакта с рамкой насыщенным водным раствором KNO₃ и выдержать их в печи нагрева при температуре 748±10 К в течение 3-4 ч. По всей вероятности для многих ИКО, эксплуатируемых в условиях термического нагружения, можно будет ограничиться локальным упрочнением только краевой зоны. Подобные способы описаны в патентах [1101-1103]. Принимая во внимание, что фотолюк эксплуатируется при одновременном воздействии термических и механических нагрузок он дополнительно подвергался обработке в расплаве KNO₃(A) при температуре 723±5 К в течение 72 ч. Упрочненные таким образом изделия выдерживают с большим запасом все виды испытания.

Использование ионообменной технологии для модификации свойств изделий конструкционной оптики раскрывает иногда неожиданные возможности. Например. Радиус кривизны фотолюка аэрокартографических аппаратов должен иметь строго определенную величину - не менее (15-20)·10⁴ см [1104]. Однако, возникающий на определенных этапах полета перепад температуры на противоположных поверхностях фотолюка приводят к ее изгибу [1105], и поверхности принимают форму концентрических колец с радиусом кривизны

R₁ = H/[a(T₂-T₁)],                                                                (7.1)

R₂ = R₁+H,                                                                     (7.2)

где Н - толщина изделия, a - ТКЛР стекла, (Т₂-Т₁) - осевой градиент температуры.

Это в свою очередь приводит к искажению изображения протяженного предмета. Ионообменная технология позволяет путем создания неодинаковых сжимающих напряжений на противоположных поверхностях фотолюка заранее создать изгиб, по абсолютной величине равный изгибу, создаваемому за счет температурного градиента, но противоположный по направлению. Аналогичным образом можно исключить изгиб, возникающий в процессе ионообменной обработки изделий с разными площадями противоположных поверхностей. Использование последнего метода для упрочнения глубоководных иллюминаторов, изготовленных из стекла 3.1-4, позволяет повысить их несущую способность более, чем в 3 раза.

Светосигнальное оборудование предназначено для обеспечения безопасности полетов путем установления световой связи между самолетами и наземными пунктами. Безопасность полетов в значительной степени зависит от дальности обнаружения светового источника. Увеличение мощности источника света светомаяка МСЛ-3 в условиях ясной ночи увеличивает дальность видимости с 18-20 до 60-120 км [1086]. Но увеличение мощности источника света приводит к возникновению в остеклении маяка (стекло 3.1-16) термических напряжений, разрушающих его. Термостойкость остекления светомаяка можно повысит либо его изготовлением из более термостойкого стекла, либо упрочнением уже существующего изделия. Последний вариант имеет существенные экономические преимущества, ибо позволяет расширить диапазон использования конкретного стекла в народном хозяйстве. Упрочнение элемента остекления светомаяка МСЛ-3 в расплаве KNO₃(A) при 723±5 К в продолжении 48±1 ч повышает его термостойкость более чем в 2 раза (рис. 6.56), что гарантирует безопасность его эксплуатации. Важно и то, что абразивное повреждение поверхности упрочненных изделий не оказывает значимого влияния на термостойкость; их термостойкость в основном определяется прочностью края на изгиб или прочностью торцевой поверхности на разрыв (см. раздел 6.15.3) т.е., прочностью обрамленной части изделия. Даже жесткое абразивное повреждение поверхности ионообменно упрочненного фотолюка не привело к его разрушению при стандартных условиях испытания.

Для класса изделий, рассматриваемых в данном разделе, более важно учесть влияние релаксации ионообменных напряжений на их несущую способность. Экспериментальные данные, приведенные в разделе 6.10.2, показывают, что такое стекло можно эксплуатировать длительное время при температуре окружающей среды, не превышающей 623 К.

7.3. Упрочнение элементов остекления кабины самолета

Обеспечение безопасности полетов летательных аппаратов в прямую зависит от надежности эксплуатации защитного остекления кабины. В этом разделе рассмотрены возможности повышения надежности эксплуатации птицестойкого и пуленепробиваемого остекления самолета, а также иллюминатора космического корабля многоразового использования с помощью ионообменной технологии.

Фирма “Tripex Sofety Glass” разработала [1106] птицестойкое лобовое стекло для самолетов “Harrier”, “DHC-7”, “А 300В”, “Boing 747”, состоящее из стекла хемкор (с токопроводящим покрытием) толщиной 3 мм, двух поливинилбутиральных слоев толщиной 4 и 7 мм и двух закаленных стекол Тен-Твенти толщиной 12 мм. Общая толщина изделия составляет 38-40 мм, и оно выдерживает удар пти­цы массой 1.812 кг при скорости соударения 740 км/ч. Для остекления отечественных самолетов используют пентоплекс, изготовленный из 6-ти миллиметровых воздушно закаленных стекол. Общая толщина этого изделия составляет 23-25 мм, и оно выдерживает удар птицы массой 1.812 кг при скорости соударения 540 км/ч.

Были предприняты попытки повысить птицестойкость пентоплекса до уровня птицестойкости изделия, разработанного фирмой “Tripex Sofety Glass”.

Несущая способность лобового стекла самолета определяется прочностью поверхности, обращенной внутрь кабины (табл. 6.13, тип В). На основании анализа экспериментальных данных, обобщенных в разделе 6.14, был выбран следующий режим упрочнения: температура 723±5 К, время 72±1 ч. Такой режим обеспечивает получение конструкционного материала, у которого сочетание “s^m-h_s” составляет 330МПа-58мкм (рис. 3.26). Механическая прочность при этом увеличивается со 150 до 520 МПа (рис. 4.13). Сравнение этих параметров с параметрами закаленного стекла показывает, что использование ионообменно упрочненного стекла для изготовления пентоплекса должно повысить птицестойкость примерно до скорости соударения равной 1000 км/ч. Однако, изделия упрочненные ионным обменом, разрушались при скорости соударения 650 км/ч. Причем, большая часть из них разрушалась с края. Две причины можно выделить: либо в краевой области при нагружении изделия возникают растягивающие напряжения, превышающие предел его прочности, либо места контакта стеклопластин с рамкой в процессе ионообменной обработки не упрочняются.

Тензометрирование показало, что краевые растягивающие напряжения не превышают 10% напряжений, возникающих в центральной зоне (в зоне удара) изделия. Поскольку при выбранном режиме упрочнения прочность края стекла составляет 60% прочности поверхности (рис. 4.18), то краевые растягивающие напряжения не могут служить причиной разрушения стеклоизделия.

Для проверки второго предположения были поставлены две серии опытов. В первой серии образцы листового стекла размером 60х60 мм упрочнялись в различных приспособлениях. Оказалось, что если стекло в процессе ионообменной обработки соприкасается с металлом, то это место практически не упрочняется, а изоляция несколькими слоями стеклоленты стекла от металла в недостаточной степени обеспечивает доступ расплава KNO₃ к поверхности стекла; прочность при этом увеличивается с 200 до 330 МПа [648].

Во второй серии опытов определялась несущая способность при избыточном давлении стеклянных дисков диаметром 160 мм и триплексов, изготовленных из них. В отличие от закаленных, часть ионообменно упрочненных дисков разрушается с края. Шлифовка небольшого участка торцевой поверхности упрочненных изделий также приводит к их разрушению с края. Разрушение стекол с краевой зоны удается исключить как упрочнением их в рамке с подвижными упорами, так и упрочнением методом двойного ионного обмена. Хорошие результаты дает и локальное упрочнение мест контакта изделия с рамкой аэрозольным способом до или после ионообменной обработки.

Перемена мест контакта стеклоизделия с рамкой производилась в процессе ионообменной обработки, примерно, через половину общей продолжительности упрочнения [1107]. В случае упрочнения малогабаритных изделий (типа часового стекла) их можно поместить на проволочной раме, а крупные изделия - на ролики и путем барботирования воздуха или вращением роликов обеспечить перемещение по раме [717, 1108]. Метод двойного ионного обмена предусматривает [1109] повторную обработку упрочненного и термостабилизированного изделия в расплаве KNO₃ (рис. 7.1). Этот метод обеспечивает повышение птицестойкости пентоплекса до скорости соударения 780 км/ч (среднее из 5 испытаний). Метод двойного ионного обмена, предусматривающий выполнение операции “углубления” сжатого слоя путем термообработки при 753-873 К [387, 1110] вместо операции термостабилизации, не дал положительных результатов.

Надо отметить, что прогнозированное по результатам испытания образцов повышение птицестойкости (до ~1000 км/ч) не достигается, вероятно, из-за проявления масштабных эффектов.

При соударении снаряда с преградой отражение импульса сжатия от тыльной поверхности сопровождается возникновением в ней растягивающих напряжений и разрушением по откольному механизму [1111, 1112]. Поэтому при разработке режима упрочнения прозрачной брони достаточно обеспечить получение высоких значений прочности тыльной поверхности, а краевые явления здесь не играют существенной роли.

Пулестойкая прозрачная броня самолета МИГ-21 состоит из закаленных силикатных стекол толщиной 5 и 25 мм, склеенных с помощью поливинилбутираля и органической подушки толщиной 20-25 мм [1113]. Ионообменная технология позволяет не только упростить технологию их производства, но и снизить массу и толщину изделия соответственно на 28 и 44%.

Другое важное преимущество ионообменно упрочненной прозрачной брони по сравнению с закаленной заключается в локальном характере разрушения (рис. 6.28). Такое изделие сохраняет достаточную для безопасной посадки самолета видимость. В процессе эксплуатации изделий данного класса важно обеспечить надежную защиту тыльной поверхности от абразивного повреждения. Этого можно достичь созданием изделий камерной конструкции, либо подклейкой тон­­кого органического стекла или прозрачной пленки на тыльную поверхность.

Рис. 7.4. Условия эксплуатации иллюминаторов космического корабля многоразового использования [853]. а - вход в плотные слои атмосферы, б - выход на орбиту.

Иллюминаторы космических кораблей многоразового использования состоят из трех панелей. Наружная и средняя панели (термические панели) изготовлены из оптического кварцевого стекла, внутренняя (панель давления) - из упрочненного стекла. Изменение температуры поверхностей панелей при входе космического аппарата в плотные слои атмосферы и при выходе на орбиту, а также предельные значения давления в кабине и между панелями показаны на рис. 7.4. В кабине поддерживается нормальное атмосферное давление; его повышение до 1.204 кг/см² (0.12 МПа) возможно при неправильном срабатывании регулятора.

При изготовлении панели давления для кораблей серии Space Shuttle рассматривалась [1069, 1114] возможность использования натриевокальциевосиликатного, боросиликатного (стекло 3.1-162) и алюмосиликатного (стекло 3.1-163) стекол. Использование алюмосиликатного стекла имеет два преимущества: низкий ТКЛР и высокий уровень надежности.

Уровень надежности экс­­плуатации изделий конструкционной оптики определяется коэффициентом безопасности

К_б = s_к/s_э,                                                                          (7.3)

где s_к - напряжение контрольного испытания, s_э - напряжение эксплуатации.

В [852, 853] показано (см. также раздел 6.8), что минимальный срок службы иллюминаторов космических кораблей является функцией К_б:

t_min = s_э^-2f(s_к/s_э).                                                                (7.4)

Рис. 7.5. Срок службы иллюминаторов космического корабля многоразового использования [853]. Стекло; 1 - плавленный кварц; 2 - 3.1-163; 3 - 3.1-162.

Выполненные Видерхоном расчеты приведены на рис. 7.5. Видно, что при одинаковом К_б срок службы иллюминатора из алюмосиликатного стекла выше срока службы иллюминатора из боросиликатного стекла. Однако минимальный срок службы иллюминатора из боросиликатного стекла можно повысить, задавая более высокое, чем для иллюминатора из алюмосиликатного стекла, значение К_б. Так, из рис. 7.6 следует, что увеличение коэффициента безопасности с 1.8 до 3.1 кг/см² повышает t_min в 10⁶ раз. Естественно, при этом увеличивается процент отбракованных изделий, но в целом использование боросиликатного стекла для изготовления панели давления экономически более выгодно, чем использование алюмосиликатного стекла. Поэтому рассматривалась возможность изготовления иллюминатора космического корабля многоразового использования из стекла 3.1-13. Кинетика ионообменного упрочнения этого стекла дана на рис. 4.22. Панель давления, изготовленная из боросиликатного стекла и упрочненная ионным обменом при температуре 723±5 К в течение 96±2 ч, выдержала все виды испытаний. Надежность эксплуатации иллюминатора можно повысить еще на 25-30% осуществлением повторной ионообменной обработки упрочненных и подвергнутых контрольным испытаниям изделий [1115].

Особое внимание при ионообменном упрочнении толстых крупногабаритных изделий необходимо обратить на стадию охлаждения. На этой стадии на торцах стеклоизделий могут возникнуть сколы. Причина их образования заключается в следующем. По достижении температуры охлаждения, равной 609 К (температура плавления KNO₃), расплав, скопившийся в местах контакта изделия с рамкой (рис. 7.2б), застывает. При дальнейшем снижении температуры из-за разницы между коэффициентами расширения рамки (a_р) и стекла (a_с) на поверхности раздела стекло||металл возникают сдвиговые напряжения. Для оценки этих напряжений запишем уравнения расширения стекла (D_с) и рамки (D_р) в виде

D_c = a_сlDT,                                                                           (7.5)

D_p = a_plDT.                                                                          (7.6)

При полном ограничении деформации рамки усилия, образуемые в местах контакта изделия с рамкой, определяться выражением

F = (a_c-a_p)DTE_pS_p,                                                             (7.7)

где Е_р - модуль упругости материала рамки, S_p - поперечное сечение рамки. Тогда сдвиговые напряжения можно оценить с помощью выражения:

t = F/S_к,                                                                             (7.8)

где S_к - площадь скола.

Если принять, что Е_р=200 ГПа (сталь); a_р=13·10-6 К^-1; a_с=5·10^-6 К^-1 (стекло 3.1-13); DТ=320 К; S_p=250 мм²; S_к=100 мм², то получим F»12·10⁴ H, t»1200 МПа. Порядок величин F и t указывает на возможность образования сколов. Использование рамки, изображенной на рис. 7.2б, для упрочнения иллюминаторов приводило почти к 100%-му браку. Термокомпенсатор между неподвижными упорами рамки снижает вероятность образования сколов примерно на 50% [1116]. Образование сколов в местах контакта с рамкой удается полностью исключить использованием для их упрочнения рамки с подвижными упорами, боковые фиксаторы которых соединены с упорами через термокомпенсаторы (рис. 7.2в). Подвижность упора обеспечивает люфт между каркасом рамки и штангой.

В этой же связи следует заметить, что при упрочнении крупногабаритных (с линейным размером не менее 500 мм) изделий, изготовленных из листового стекла толщиной 3-5 мм, в рамке с неподвижными упорами образование сколов практически не наблюдается; эти изделия при усадке рамки изгибаются. При упрочнении малогабаритных (с линейным размером 100-150 мм) изделий в кассетах имеет место образование сколов примерно у 10% изделий. Эта цифра уменьшается почти в 2 раза, если снабдить кассету термокомпенсаторами, как показано на рис. 7.2а. Процент выхода годных изделий можно увеличить также путем подработки скола и повторного упрочнения.