CC BY
245
УДК 669.715, 678.034
Е.Н. Каблов, В.В. Антипов, О.Г. Сенаторова, Н.Ф. Лукина
НОВЫЙ КЛАСС СЛОИСТЫХ АЛЮМОСТЕКЛОПЛАСТИКОВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЙ-ЛИТИЕВОГО СПЛАВА 1441 С ПОНИЖЕННОЙ ПЛОТНОСТЬЮ
Представлены основные особенности и комплекс характеристик (прочность, трещиностойкость, усталость, коррозионная стойкость, пожаростойкость) нового конструкционного авиационного материала - гибридного слоистого алюмостеклопластика класса СИАЛ (GLARE - за рубежом), в основном на базе тонких листов (0,3... 0,5 мм) из высокотехнологичного при прокатке, высокомодульного (Е = 80 ГПа), легкого (d = 2,6 г/см3) Al-Li сплава 1441.
E-mail: admin@viam.ru
Ключевые слова: СИАЛ, монолитный сплав, препрег, волокна, комплекс характеристик.
Разработанные в 1990-х годах слоистые гибридные металлополи-мерные композиционные материалы (МПКМ, за рубежом их называют волокнисто-металлические слоистые материалы FML - Fibre Metal Laminates) являются принципиально новым конструкционным материалом для силовых конструкций авиационной техники [1]. Они состоят из чередующихся тонких (0,3...0,5 мм) металлических листов и прослоек пластика - клеевого препрега с армирующими волокнами (рис. 1). Количество и структура листов и полимерных прослоек определяется назначением детали и конструкции. По сравнению с монолитными листами из металлических сплавов они отличаются прежде всего кардинально повышенным (в 10 раз) сопротивлением разрушению (что позволяет в полной мере реализовать концепцию «безопасной повреждаемости» при проектировании), пониженной (на 10-15 %) плотностью (достижение которой является одной из главных задач для летательных аппаратов), повышенной прочностью и рядом других неординарных характеристик.
В настоящее время практическое развитие и применение нашли слоистые алюмостеклопластики: марки СИАЛ (Стеклопластик И АЛюминий) - в России, марки GLARE (Glass Laminate Aluminium RLinforced) - в Западной Европе и США. GLARE применяется для обшивок и соединительных лент отсеков фюзеляжа крупнейшего самолета А-380 (рис. 2) с весовой эффективностью более 500 кг при повышении живучести и надежности [2, 3]. Стандартные варианты GLARE содержат листы из дуралюмина 2024Т3 в естественно состаренном состоянии (Д16чТ, 1163Т в России), которые обычно используют как ресурсные для фюзеляжных обшивок, и препрег со стеклом S2.
Рис. 1. Типичная микроструктура 1441-СИАЛ-3-1 пятислойного строения (3/2) с перекрестным армированием (0/90) слоя пластика
Рис. 2. Верхняя обшивка фюзеляжа самолета А-380 из материала GLARE
ВИАМом создан, запатентован [4-6] и паспортизован, осваивается и рекомендуется конкурентоспособный СИАЛ на базе высокотехнологичного при прокатке высокомодульного (Е = 80 ГПа) Л1-Ы-сплава 1441 пониженной плотности (ё = 2,6 г/см3) [7]. Использование этого материала, условно обозначенного 1441-СИАЛ (1441-БМЬ), приводит к дальнейшему повышению весовой эффективности, а также жесткости конструкций на ~5% [6, 8].
Результаты. Сплав 1441 системы Л1-Си-М§-Ы с добавкой Хх относится ко второму поколению алюминий-литиевых сплавов. Он отличается высокой технологичностью и позволяет получать холодной рулонной прокаткой тонкие листы требуемой толщины (до 0,3 мм) (рис. 3), которые рекомендуется применять для СИАЛов в состоянии Т11 (после двухступенчатого старения по режиму 150 °С, 4 ч + 170 °С, 30 ч). Листы имеют повышенный предел текучести, хороший уровень долговечности при малоцикловой усталости (МЦУ) и скорости роста трещины усталости (СРТУ).
Плакированные (с двух сторон) и неплакированные листы габаритами (0,3.. ,0,4)х 1200x3000 мм освоены в ОАО «КУМЗ».
Относительно тонкие плакированные листы 1441 (0,5.0,8 мм) около 15 лет используются в самолетах-амфибиях ТАНК им. Г.М. Бе-риева, что является хорошей основой для применения листов сплава 1441 в составе СИАЛов.
Исследования показали, что тонкие листы из сплава 1441Т11 имеют мелкозернистую (ёср ~ 30 мкм), преимущественно рекристал-лизованную структуру. Как и для других Л1-Ы-сплавов, для листов из
Рис. 3. Свойства листов сплава 1441 (а) и вид холоднокатаного рулона (б)
сплава 1441 характерна обратная анизотропия - реальные прочностные свойства в поперечном направлении несколько выше (на -10.20 МПа), чем свойства в долевом направлении.
Технология подготовки поверхности листов (анодное окисление, грунтовка) перед формованием 1441-СИАЛ близка к подготовке поверхности листов из традиционных алюминиевых сплавов типа Д16чАТ, В95пч/очАТ2. Процесс автоклавного формования можно проводить при повышенной температуре (170 °С вместо 120 °С в случае использования дуралюминов [2, 3]), что улучшает теплостойкость материала при эксплуатации.
Монослои препрега состоят из клеевого высокопрочного термореактивного связующего, армированного на ~55-65 % об. стеклона-полнителями. Клеевое связующее обеспечивает монолитность слоистого материала - высокие адгезионные свойства на границах раздела алюминиевый лист - прослойка пластика, пластик - волокна наполнителя. В качестве стеклонаполнителя используются волокна (см. рис.1) диаметром 8.10 мкм в виде специальной кордной ткани или ровинга (что определяется назначением конструкции) из высокопрочных высокомодульных стекол ВМП и ВМД [9] со свойствами: d = 2,55.2,58 г/см3, ов = 4500.5000 МПа, Е = 90.92 ГПа, а = = (35.37)-107 °С-1 в интервале 0.350 °С (что свидетельствует о большей совместимости при формовании с алюминиевыми листами стекловолокон, чем органо- и углеволокон).
Созданы и паспортизованы несколько вариантов композиций 1441-СИАЛ с различным армированием прослоек пластика: однонаправленные 100:1 % об. (СИАЛ-1-1) для стопперов, с перекрестным армированием в соотношении 50:50 % об. (СИАЛ-3-1 - равнопрочный), 70:30 % об. (СИАЛ-2-1), отвечающих условиям работы фюзеляжных обшивок и др.
Механические характеристики при статических и усталостных нагружениях определяются преимущественно по методикам (образцы, оборудование), принятым для алюминиевых конструкционных листов, из которых СИАЛы состоят более чем на 60 % об., в том числе обязательно на поверхности; СИАЛы рекомендуются для применения вместо монолитных алюминиевых листов.
Большой объем испытаний 1441-СИАЛ в сопоставлении со стандартным композитом GLARE был выполнен совместно с компанией AIRBUS в соответствии с ее методиками и стандартами AITM [8].
Плотность 1441-СИАЛ оптимальной структуры составляет d ~ ~ 2,35 г/см , что на 5 % ниже плотности стандартного GLARE (d ~ - 2,48 г/см3).
Типичный уровень прочностных свойств при растяжении для базового равнопрочного СИАЛ-3-1 пятислойной структуры составляет
3/2 (3 алюминиевых листа + 2 прослойки стеклопластика): ов = = 600...650 МПа, оо,2 = 270...290 МПа; для однонаправленного СИАЛ-1-1 той же структуры: ов = 1000.1100 МПа, о0,2 = = 300.350 МПа.
Экспериментальные и расчетные данные показали, что прочностные и усталостные характеристики СИАЛов возрастают с уменьшением толщины алюминиевых и полимерных слоев, увеличением мно-гослойности, а также с повышением степени армирования стекловолокнами.
Одним из главных преимуществ СИАЛов (в том числе 1441-СИАЛ на базе листов сплава 1441 и GLARE), определяющих живучесть и ресурс самолетных конструкций, является их чрезвычайно высокое сопротивление СРТУ, которые на порядок ниже, чем в монолитных алюминиевых листах (рис. 4): dl/dN составляет < 0,2 мм/кцикл против
О 5 10 15 20 25 30 35
АК. МПа\;м
Рис. 4. Зависимость скорости роста трещины усталости в 1441-СИАЛ и монолитных листах от размаха коэффициента интенсивности напряжений (образец 140x420 мм, omax = 118 МПа, f = 5 Гц, R = 0,1)
2,0 мм/кцикл при АК = 31 МПа^м. Это подтвердили испытания типовых крупногабаритных листовых образцов различной ширины (до В = 500 мм) с центральным сквозным надрезом в виде отверстия и пропилом.
Возникающая у концентратора усталостная микротрещина при длине 1-2 мм прекращает практически свое развитие, так как позади кончика трещины в алюминиевых листах волокна остаются целыми и сдерживают длительно раскрытие трещины (рис. 5, а), а также снимают часть нагрузки с листов. Некоторым барьером для продвижения трещины служит связующее, как в клеевых конструкциях [1].
Установлено, что усталостное разрушение в стандартных образцах (30^200 мм) с центральным отверстием (К = 2,6) при испытаниях на малоцикловую усталость всегда зарождается около отверстия во внешних алюминиевых листах, а затем на связующем под трещиной образуется «псевдотрещина» треугольной конфигурации, приводящая к «тонкому» отслаиванию связующего (рис. 5, б). Это было выявлено после стравливания с поверхности алюминиевых листов.
Преимущество СИАЛов по усталостной долговечности сохраняется и в различных заклепочных соединениях (рис. 6), что очень важно, так как клепка является основным процессом соединения листовых деталей. Для СИАЛов предпочтительна прессовая клепка.
СИАЛы на базе листов 1441 характеризуются высокой коррозионной стойкостью. Прямыми стандартными испытаниями на общую
Рис. 5. Поперечное сечение образца (30x200 мм) 1441-СИАЛ со стороны отверстия (К = 2,6) после испытаний на МЦУ (а) и вид отслоений в прослойках пластика (х10) (б)
Рис. 6. Образец трехрядного соединения внахлест прессовкой клепкой (а) и кривые развития трещин усталости в соединениях по усредненным данным (б)
коррозию установлено, что СИАЛы сохраняют показатели механических свойств на уровне исходных значений после пребывания в искусственных камерах тепла и влаги (при влажности 98 % и Т = 80 °С) и солевого тумана (имитирующей приморскую атмосферу при 5 % №С1), не имеют расслоений после 3-летней натурной экспозиции в условиях Геленджика (приморская зона) и Москвы (промышленная зона). Высокая коррозионная стойкость СИАЛа подтверждается тем, что, несмотря на некоторое ускорение роста трещины усталости в агрессивной коррозионной среде, СРТУ остается невысокой (см. рис. 4).
Все это объясняется низким влагонасыщением стеклянных волокон [11], хорошей адгезионной прочностью межфазных границ раздела (алюминиевые листы - пластик, волокна - клеевое связующее), а также антикоррозионными покрытиями алюминиевых листов (анодно-окисными, грунтовкой, плакирующим слоем).
Еще одна важная особенность СИАЛов заключается в том, что они обладают повышенной огнестойкостью. Это позволяет использовать их в качестве противопожарных перегородок и облицовок багажных отсеков [12].
Проведенные испытания специальных композиций СИАЛов на лабораторной установке (образец 200x200 мм) и на установке в ГосНИИГА (образец 410x610 мм) в соответствии с требованиями Авиационных правил показали, что СИАЛы позволяют на порядок (с 1,5 мин до 15 мин при 1100 °С) увеличить время проникновения пламени, сохранить жесткость конструкции и тем самым увеличить время эвакуации пассажиров и грузов. Существенно повышенное сопротивление и отсутствие сквозного прогорания (рис. 7, а) объясняется двумя обстоятельствами: наличием стекловолокон (температура плавления ~1700 °С) и расслоением материала. Установлен следующий механизм противодействия пламени: внешние тонкие алюминиевые листы быстро (примерно через 20 с) прогорают, следующие за ними армирующие стеклянные волокна (рис. 7, б) в составе пластика создают барьер огню. Эпоксидная клеевая матрица слоя пластика подвергается термодеструкции, вызывая образование газообразных продуктов и практически полное расслоение материала, что позволяет проходить воздуху через промежуточные слои, действуя как дополнительный изолирующий эффект от пламени.
Рис. 7. Вид образцов (410x610 мм) 1441-СИАЛ после огневых испытаний во ФГУП «ГосНИИГА»:
а - слой препрега со стекловолокном; б - поверхность алюминиевого листа со стороны, противоположной пламени
Заключение. Уникальный комплекс свойств слоистых алюмо-стеклопластиков нового класса - легких, трещиностойких, высокопрочных, пожаростойких СИАЛов на базе Al-Li-сплава 1441 создает перспективу их применения для облегчения, повышения ресурса и живучести листовых авиационных конструкций (особенно подверженных усталостному нагружению - обшивок фюзеляжа, хвостового оперения планера), для огнестойких облицовок багажных отделений, а также для ремонтных работ поврежденных конструкций в качестве стоперов трещин. Требуются новые подходы к конструированию и к культуре технологии производства.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Клееные металлические и слоистые металлополимерные композиты. Цветные металлы и сплавы. Композиционные металлические материалы / И.Н. Фридляндер, Л.И. Аниховская, О.Г. Сенаторова, В.В. Сидельников и др.; под ред. И.Н. Фридляндера, Е.Н. Каблова и др. М.: Машиностроение. 2001. Т. II-3. С. 814-832.
2. Fibre Metal Laminates / Ed. by Ad. Vlot, Jan W. Gunnink. Kluwer Academic Publishers, 2001. 529 p.
3. Beumler Th. Flying GLARE. TV Delft, 2004. 460 p.
4. Слоистый композиционный материал и изделие, выполненное из него: Патент РФ 2185964 / Е.Н. Каблов, И.Н. Фридляндер, Л.И. Аниховская, О.Г. Сенаторова, В.В. Сидельников, Н.А. Лавро и др. 2002.
5. Слоистый композиционный материал и изделие, выполненное из него: Патент РФ 2270098 / И.Н. Фридляндер, Е.Н. Каблов, О.Г. Сенаторова, В.В. Антипов, В.В. Сидельников и др. 2004.
6. Слоистые алюмополимерные материалы СИАЛ / И.Н. Фридляндер, О.Г. Сенаторова, Н.Ф. Лукина, В.В. Антипов // Авиационные материалы: сб. ст. 75 лет ВИАМ. М.: ВИАМ, 2005. С. 188-192.
7. Fridlyander I.N., Antipov V.V., Fedorenko T.P. Product Properties of High Workability 1441 Al-Li Alloy. Proc. of ICAA-9, Australia, 2004. Р. 1051-1954.
8. Antipov V.V., Senatorova O.G. (VIAM), Beumler T., Ijpma M. (AIRBUS). Proc. of ECAA, Germany, 2011. Р. 222-224.
9. Хазанов В. Е. Современные многофункциональные армирующие материалы и дисперсные наполнители для композитов // Химическая промышленность. Сер. Стеклянные волокна и стеклопластики. 1992. № 1. С. 1-8.
10. Клеевые препреги и композиционные и слоистые алюмополимерные материалы на их основе / Н.Ф. Лукина, Л.А. Дементьева, А.А. Сереженков, Е.В. Котова, О.Г. Сенаторова, В.В. Сидельников //Российский химический журнал. 2010. № 1. Т. LIV. С. 53-56.
11. Сорбция и диффузия влаги в слоистых металлополимерных композиционных материалах типа СИАЛ / О.В. Старцев, А.С. Кротов, О.Г. Сенато-рова, Л.И. Аниховская, В.В. Антипов, Д.В. Гращенков // Материаловедение. 2011. № 12. С. 38-44.
12. Антипов В. В., Сенаторова О. Г., Сидельников В. В. Исследование пожаростойкости слоистых гибридных алюмостеклопластиков класса СИАЛ //Авиационные материалы и технологии. 2011. № 3. С. 36-41.
Статья поступила в редакцию 31.10.2011
