CC BY
4Электронный журнал «Труды МАИ». Выпуск № 72
www.mai.ru/science/trudy/
УДК: 539.3
Экспериментальное исследование механических свойств полимерных покрытий на образцах из алюминиевого сплава
12 11 Гетманов А.Г. , Мамонов C.B. *, Мартиросов М.И. , Рабинский Л.Н **.
1 Московский авиационный институт (национальный исследовательский
университет), МАИ, Волоколамское шоссе, 4, Москва, А-80, ГСП-3, 125993, Россия
Компания «Транснефть», ул. Полянка, 57, Москва, 119180, Россия
*e-mail:sergei.mamonov @ gmail. com
* *e-mail:f9_dec @ mai. ru
Аннотация
Анализируются результаты экспериментальных исследований по растяжению алюминиевых образцов без покрытия и с нанесенными на них защитными покрытиями различных типов, предложена методика определения модуля упругости.
Ключевые слова: эксперимент, растяжение, алюминиевый сплав, защитные покрытия, порошковые краски, лаки, модуль упругости
Введение
Одним из основных металлических конструкционных материалов для авиастроения в настоящее время является алюминий, используемый в виде сплавов. Однако в связи с агрессивностью окружающей среды детали авиационных элементов конструкций из алюминиевых сплавов требуют нанесения различных защитных лакокрасочных покрытий. Это обусловлено, прежде всего, хорошими
антикоррозионными характеристиками большинства применяемых покрытий. Сочетание алюминиевой основы и лакокрасочного покрытия обеспечивает конструкции в целом прочность, долговечность, устойчивость к истиранию и необходимые функциональные свойства.
Постановка задачи Экспериментальное исследование механических свойств покрытий проведено на образцах-полосах из алюминиевого сплава 1163 РДТВ (РД - плакированные листы с плакировкой регламентированной толщины, Т - закаленные в воде и естественно состаренные, В - обшивочные). Основными преимуществами сплава на основе алюминия являются: низкая плотность, высокая удельная прочность, хорошая коррозионная стойкость, легкость механической обработки. Алюминиевые сплавы сравнительно легко поддаются горячей и холодной деформации, прокатке, ковке, прессованию, волочению, гибке, листовой штамповке. Все сплавы на основе алюминия можно сваривать точечной сваркой, а специальные - сваркой плавлением и другими видами сварки. Алюминиевые сплавы легко обрабатываются резанием. Сплав 1163 системы А1 - Си - Mg - один из основных конструкционных металлических материалов в авиастроении. По сравнению с другими сплавами этой системы он обладает повышенной выносливостью и более высокой вязкостью разрушения, благодаря чему его активно применяют в самолетах длительного ресурса в элементах конструкций, критичных по усталости. Механические характеристики данного сплава (ГОСТ 21631-76, ТУ 1-801-84-83) представлены в таблице 1 по В-базису. В-базис - расчетное значение, определенное с вероятностью
неразрушения 90% и доверительной вероятностью 95%. В-базис принимается при условии стопроцентного контроля образцов. Таблица 1
Механические характеристики сплава 1163 РДТВ
№ п/п Механическая характеристика Значение
1 2 3
1 Предел прочности, МПа 459
2 Условный предел текучести, МПа 341
3 Модуль упругости, 105 МПа 0,69
4 Модуль сдвига, 105 МПа 0,27
5 Коэффициент Пуассона 0,31
6 Относительное удлинение, % 13
7 Плотность, кг/м3 2780
Ширина испытуемых образцов-полос составляла 12 мм, длина 120 мм. В экспериментах исследовались образцы следующей толщины: 1,0 мм, 1,2 мм, 1,5 мм и 1,9 мм. В качестве покрытий использовались порошковая полимерная краска фирмы ЕиКОРОЬУЕМ (Италия) на эпоксидно-полиэфирной основе, а также современные защитные лаки (непигментированные покрытия). Нанесение на окрашиваемую поверхность в качестве второго слоя лака значительно повышает прочностные и эксплуатационные характеристики покрытия в целом. Перед нанесением покрытий на алюминиевые образцы-полосы проводилась предварительная подготовка поверхностей: обезжиривание (удаление с поверхности органических загрязнений) и хроматирование (обработка поверхности соединениями, содержащими шестивалентный хром, что повышает защитные свойства алюминиевых сплавов и делает покрытие более долговечным).
Качественная подготовка окрашиваемой поверхности обеспечивает высокие адгезионные характеристики.
В работе исследовались следующие лакокрасочные покрытия:
- Покрытие №1. Краска черная (RAL 9005) глянцевая порошковая без лака;
- Покрытие №2. Краска черная (RAL 9005) глянцевая порошковая + защитный порошковый лак Limerton (Франция);
- Покрытие №3. Краска черная (RAL 9005) глянцевая порошковая + защитно-декоративный лак (с блестками), нанесенный по технологии Glitter;
- Покрытие №4. Краска черная (RAL9005) глянцевая порошковая + защитный керамический наноструктурированный лак Ceramiclear Deltron D8105 фирмы PPG Industries (США). Этот лак содержит керамические наночастицы, которые после нанесения лака на поверхность, затвердевая в печи полимеризации, образуют густую сетчатую структуру, которая выступает в качестве защитного слоя окрашиваемой алюминиевой поверхности, улучшает ее эксплуатационные свойства.
Нанесение покрытий проводилось в порошковой камере Gema (Швейцария) методом электростатического распыления. При этом электрически заряженные частицы порошковой краски притягиваются к заземленной окрашиваемой поверхности и прилипают к ней. Толщина покрытий составляет ~100 мкм, причем для покрытий типа: краска + лак, толщина краски составляет ~60 мкм, а лака ~40 мкм. Для покрытия №1 толщина краски составляет ~100 мкм. Контроль толщины покрытия осуществлялся электронным толщиномером QuaNix 7500 (Германия), предназначенным для измерения толщины покрытия на ферромагнитных и
неферромагнитных поверхностях. Такой прибор обладает точностью ±1 мкм + 0,02Х, где X - результат измерения.
Полимеризация нанесенного покрытия проходило в печи полимеризации (термокамере).
Определение модуля упругости покрытия основано на сопоставлении значений модуля упругости, полученных для исходного материала (в рассматриваемом исследовании алюминиевый сплав 1163 РДТВ) и эффективного модуля упругости для образцов с изучаемыми покрытиями. Различия между этими величинами составляют 10-15%. В этом случае точность оценки модуля упругости покрытия в значительной степени зависит от точности определения напряжения и деформации в процессе испытаний образцов материалов [1, 2].
Эксперименты проводились на электромеханической испытательной машине Г^ТКОК (Великобритания), модель 5960. Управление испытательной машиной осуществлялось посредством программного обеспечения ГКБТЯОК Б1иеЫ11, с помощью которого проводилось задание параметров испытания, управление системой, сбор и анализ данных, полученных в ходе экспериментальных работ.
Анализ полученных результатов
Основное соотношение для определения связи между эффективным модулем
упругости трехслойного образца (алюминиевая подложка + полимерное покрытие с
двух сторон) и модулем упругости алюминиевого сплава 1163 РДТВ и
лакокрасочного покрытия можно получить из рассмотрения задачи о растяжении
трехслойной полосы. Примем, что в испытании задается определенный уровень
деформаций, общий как для слоя покрытия, так и для полосы алюминиевой подложки. Уравнение равновесия полосы в этом случае можно записать в виде [1]: № = ^Ед + ЗмЕдь (1)
или
Е0 = Ъ^о + EAlSAl/S0, (2)
где Б0, Е0 - общая площадь сечения образца-полосы и эффективный модуль упругости, определяемый по результатам испытания на растяжение полосы с покрытием, Бд, Еп - площадь поперечного сечения, соответствующая слою покрытия и модуль упругости покрытия, БА1, ЕА1 - площадь поперечного сечения алюминиевой полосы и модуль упругости алюминиевого сплава 1163 РДТВ.
Формула (2) использовалась для расчета модуля упругости исследуемого покрытия.
Экспериментальные и рассчитанные по формуле (2) значения представлены в нижеприведенной таблице 2.
Таблица 2
Результаты испытаний на растяжение образцов с покрытиями и
экспериментальные значения модуля упругости исследуемых покрытий
№ покрытия-образца Площадь поперечного сечения образца, мм2 Площадь поперечного сечения алюминиевой подложки, мм2 Площадь поперечного сечения покрытия, мм2 Эффективный модуль упругости, 105 МПа Модуль упругости покрытия, 104 МПа
1 2 3 4 5 6
1-1 14,4 12 2,4 0,62500 0,3000
1-2 14,4 12 2,4 0,62583 0,3050
1-3 16,8 14,4 2,4 0,63571 0,3100
1-4 16,8 14,4 2,4 0,63471 0,3030
1-5 20,4 18 2,4 0,64459 0,3040
1-6 20,4 18 2,4 0,64459 0,3040
1-7 25,2 22,8 2,4 0,65343 0,3060
1-8 25,2 22,8 2,4 0,65305 0,3020
1-1 14,4 12 2,4 0,58475 0,0585
1-2 14,4 12 2,4 0,58483 0,0590
1-3 16,8 14,4 2,4 0,59971 0,0580
1-4 16,8 14,4 2,4 0,59979 0,0585
1-5 20,4 18 2,4 0,61541 0,0560
1-6 20,4 18 2,4 0,61553 0,0570
1-7 25,2 22,8 2,4 0,62988 0,0587
1-8 25,2 22,8 2,4 0,62993 0,0593
1-1 14,4 12 2,4 0,60368 0,1721
1-2 14,4 12 2,4 0,60350 0,1710
1-3 16,8 14,4 2,4 0,61593 0,1715
1-4 16,8 14,4 2,4 0,61589 0,1712
1-5 20,4 18 2,4 0,62900 0,1715
1-6 20,4 18 2,4 0,62905 0,1719
1-7 25,2 22,8 2,4 0,64063 0,1716
1-8 25,2 22,8 2,4 0,64061 0,1714
1-1 14,4 12 2,4 0,60967 0,2080
1-2 14,4 12 2,4 0,60963 0,2078
1-3 16,8 14,4 2,4 0,62116 0,2081
1-4 16,8 14,4 2,4 0,62119 0,2083
№ покрытия-образца Площадь поперечного сечения образца, 2 мм Площадь поперечного сечения алюминиевой подложки, 2 мм Площадь поперечного сечения покрытия, 2 мм Эффективный модуль упругости, 105 МПа Модуль упругости покрытия, 104 МПа
1 2 3 4 5 6
1-5 20,4 18 2,4 0,63329 0,2080
1-6 20,4 18 2,4 0,63326 0,2077
1-7 25,2 22,8 2,4 0,64406 0,2076
1-8 25,2 22,8 2,4 0,64407 0,2077
Следует отметить хорошую воспроизводимость полученных результатов на образцах с различной толщиной подложки. Диаграммы схожи как в упругой зоне, так и за пределом текучести, что свидетельствует о правильности построения
эксперимента.
а, кГс/мм2
Рисунок 1. Диаграммы растяжения для образцов различной толщины (1; 1,2; 1,5; 1,9 мм) для покрытия № 1
Таблица 3
Сводные значения модулей упругости для различных типов покрытий
Номер покрытия Гп, 104 МПа , 104 МПа 104 МПа
1 2 3 4
1 3,043 0,0030 0,0021
2 0,581 0,0011 0,0008
3 1,715 0,0003 0,0002
4 2,079 0,0002 0,0002
- - среднеквадратичное отклонение,
- доверительный интервал при доверительной вероятности 0,95.
Из анализа экспериментальных данных, представленных в таблице 3, очевидно, что наибольшим модулем упругости обладает покрытие №1 - краска черная (RAL 9005) глянцевая порошковая без защитного лака. Нанесение лака на порошковую краску приводит к снижению модуля упругости всего покрытия. Наименьшее снижение модуля упругости при сохранении высоких декоративных характеристик покрытия достигается при использовании керамического наноструктурированного лака (покрытие №4).
Аналогичные выводы были сделаны и для образцов со стальной подложкой (листовая прокатная сталь 08 ПС) по результатам экспериментально-теоретических работ, проведенных ранее [2].
Работа выполнена при финансовой поддержке Совета по грантам Президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых и ведущих
научных школ (код проекта НШ-2047.2012.8) и гранта РФФИ (код проекта 11-01-00540_а).
Заключение
Разработан экспериментально-расчетный метод определения модуля упругости многослойных полимерных покрытий, наносимых на металлические поверхности. Метод основан на использовании аналитического решения задачи о растяжении трехслойных полос и результатов экспериментов на растяжение образцов из алюминиевого сплава 1163 РДТВ с защитными покрытиями.
Библиографический список
1.Гаврилов Д.Г., Мамонов С.В., Мартиросов М.И., Рабинский Л.Н. Сравнительная характеристика прочностных свойств образцов с различными типами покрытий для изделий авиационной техники// Электронный журнал «Труды МАИ», выпуск №40. - М., МАИ, 2010. С. 1-14.
2. Д.Г. Гаврилов, Ю.П. Зезин, Е.В. Ломакин, С.В. Мамонов, М.И. Мартиросов, Л.Н. Рабинский. Изучение механических свойств наноструктурированных лакокрасочных покрытий // Всероссийский научный журнал «Механика композиционных материалов и конструкций». Том 16, №4/2, 2010. С.639-647.
3.Горшков А.Г., Медведский А.Л., Л.Н. Рабинский. Тарлаковский Д.В. Волны в сплошных средах. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004.- 632 с.
