CC BY
90
УДК 669.018.95
А.А. Арисланов1, Л.Ю. Гончарова1, Н.А. Ночовная1, В.А. Гончаров1
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ В СЛОИСТЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ
Показаны перспективы применения титановых сплавов для создания нового класса слоистых металлополимеров. Приведено сравнение свойств композитов на основе титана с материалами на основе алюминия и стеклопластика. Полученные результаты исследований в области гибридных материалов позволяют говорить об эффективности использования в современных конструкциях слоистых металлополимеров. Внимание акцентировано также на высоких удельных свойствах гибридных материалов на основе титановых сплавов. Такие слоистые композиционные материалы сочетают в себе высокую прочность и трещи-ностойкость.
Ключевые слова: титановые сплавы, металлополимеры, слоистые композиты, коррозия.
Prospects for application of titanium alloys for creation of new class of laminated metal-polymers are shown. Comparison of properties of composite materials based on titanium with composite materials based on aluminum and glass plastic is given. The results of research in the field of hybrid materials allow speaking about the effectiveness of use of laminated metal-polymers in modern structures. Special attention is focused on high specific properties of hybrid materials based on titanium alloys. Such laminated composite materials combine high strength and fracture toughness.
Keywords: titanium alloys, metal-polymers, laminated composites, corrosion.
Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal state unitary enterprise «All-Russian scientific research institute of aviation materials» State research center of the Russian Federation] E-mail: [email protected]
Введение
Титан и сплавы на его основе обладают высокими коррозионной стойкостью и прочностью в сочетании с малой плотностью и широко используются в авиации, космической технике, судостроении, строительстве и медицине [1-3].
В настоящее время одним из наиболее актуальных направлений применения титановых сплавов является изготовление на их основе слоистых композиционных материалов.
Как правило, композиционный материал создается для выполнения определенных задач, и для обеспечения заданной конструкционной прочности конкретной детали необходимо получить характеристики композита, значительно превосходящие в некоторых аспектах свойства традиционных материалов [4-8].
Материалы и методы
Сплавы для металлополимеров
В настоящее время важнейшим этапом при выборе композиционного материала является определение комплекса необходимых свойств, обеспечивающих надежную и долговечную работу конструкций, машин и оборудования в заданных условиях эксплуатации. В связи с тем, что конструкционные материалы характеризуются различными механическими, физико-химическими и технологическими свойствами, рассматривать необходимо всю гамму свойств, особенно если в конструкции применяются детали, изготовленные из разных материалов. Выбор материала для конкретных
изделий и области применения должен основываться также на стоимости рассматриваемых материалов с учетом экономической рациональности. Использование ранее хорошо зарекомендовавших себя в подобных конструкциях и изделиях материалов вполне оправдано, однако не приводит к совершенствованию конструкций и изделий авиационной техники [9-13].
Для ряда изделий и при создании техники, особенно специального назначения, необходимо разрабатывать принципиально новые материалы с более высоким комплексом свойств, ранее недоступным для серийных материалов. С целью установления сложной взаимосвязи между химическим составом, технологией получения материала, его структурой и свойствами в настоящее время проводятся научные исследования и эксперименты с применением моделирования условий эксплуатации изделия, в том числе с помощью компьютерных программ. Оптимизация многофакторных технологий происходит с учетом современных производственных возможностей. Наука о материалах все ближе подходит к тому времени, когда можно будет с помощью компьютерных систем прогнозировать и рассчитывать с достаточно высокой точностью свойства новых уникальных металлических сплавов, пластмасс и, конечно, композиционных материалов.
Композиционный материал не может быть конструктивно универсальным, т. е. для каждого изделия требуется проведение всех необходимых расчетов и выбор оптимального сочетания компонентов с целью выполнения требований по эксплуатации конечного материала в конструкции, таких как:
- удельная прочность;
- жесткость;
- износостойкость;
- усталостная прочность;
- размеростабильность конструкции.
Большинство металлополимеров разрабатывается на основе алюминия. Несмотря на то что титан тяжелее алюминия, он (Т1) обладает преимуществами по теплопроводности - в 13 раз меньше теплопроводности алюминия; температурному коэффициенту линейного расширения (ТКЛР) - более низкий по сравнению с другими конструкционными материалами (при 20°С: в 1,5 раза ниже ТКЛР железа, в 2 раза -меди и в 3 раза - алюминия). Титан - парамагнитный металл, который не намагничивается, как железо, в магнитном поле и не выталкивается из него, как медь. Его магнитная восприимчивость очень слаба, это свойство можно использовать при строительстве, например, немагнитных кораблей, приборов, аппаратов. Необходимо также отметить, что механическая прочность титана и его сплавов в ~6 раз выше прочности алюминия [14-18].
Металлополимеры на основе титана
Применение титана и его сплавов в композиционных материалах изучено в значительно меньшей степени, чем алюминия, но уже сейчас можно сказать, что материалы на основе титана обладают более высокими технологическими характеристиками.
За рубежом ведется активная разработка титанполимерных слоистых материалов и имеются определенные успехи в этой области. Отечественных аналогов такого рода материалов в настоящее время не существует, что подтверждает актуальность проблемы и необходимость проведения исследований и разработок в данном направлении.
Создание новых конструкционных материалов направлено в первую очередь на повышение удельных характеристик, что связано с постоянно возрастающими требованиями к весовой эффективности конструкций при обязательном обеспечении заданного комплекса механических и эксплуатационных свойств материалов. В настоящее время в ВИАМ проводятся исследования в области разработки гибридных материалов - слоистых металлополимерных композиционных материалов. Данные композиционные материалы (см. рисунок) имеют в своем составе листовые
полуфабрикаты из легких сплавов, которые чередуются с угле- или стеклопрепрегами [19-21].
Листовые полуфабрикаты из легких сплавов
Угле- или стеклопрепреги
Схема металлополимерного композита
Наибольшее развитие в этой области получили так называемые СИАЛы -материалы на основе стеклопластика и алюминия. Помимо алюминиевых сплавов в металлополимерных композиционных материалах используются также сплавы на основе титана, что позволяет существенно повысить удельные прочностные свойства гибридного материала. Конструкции из титанполимерных композиционных материалов позволяют обеспечить снижение массы изделия на 20% по сравнению с цельнометаллическими конструкциями из алюминиевых сплавов и слоистых композиционных материалов системы Ti-TiAl3. Традиционные титановые сплавы обладают высокими механическими характеристиками, но в настоящее время практически все возможности по увеличению их прочности и снижению плотности исчерпаны. Кроме того, многие высокотехнологичные титановые сплавы (например, сплавы SP-700, Beta CEZ и др.) имеют сложную систему легирования и содержат дефицитные и дорогостоящие элементы.
В настоящее время проводятся исследования по разработке металлополимеров на основе тонких листов из титановых сплавов ВТ20 и ВТ23М, которые обладают высокими технологическими свойствами и имеют менее сложную систему легирования, чем вышеуказанные зарубежные Р-сплавы. Металлополимеры на их основе превосходят по своим упруго-прочностным свойствам стеклопластик СИАЛ-1 (см. таблицу).
Механические свойства слоистых материалов
Материал ^В.СЖ Е, ГПа
М] Па
Металлополимер на основе титанового сплава ВТ23 1500 935 130
Стеклопластик СИАЛ-1 800 - 60
Создание титанполимерных слоистых материалов позволит получить новый класс материалов, имеющих широкое разнообразие структур и свойств, позволяющих конструктору выбрать соответствующий требованиям изделия материал. Титанполи-мерные слоистые материалы, состоящие из титановых полуфабрикатов и препрегов углепластика, обладают уникальной комбинацией характеристик прочности, вязкости разрушения и трещиностойкости.
Слоистые материалы на основе титана и его сплавов имеют более высокие прочностные характеристики по сравнению с алюминиевыми полимерными слоистыми материалами СИАЛ и GLARE и работоспособны в более широком диапазоне температур от -60 до +150°С (не менее) - вместо +120°С для материалов СИАЛ и GLARE.
Выводы
По результатам анализа новых сплавов показано, что титанполимеры по своим
упруго-прочностным и эксплуатационным свойствам превосходят альтернативные
композиционные материалы и в ближайшем будущем займут свое место на рынке
инновационной наукоемкой продукции.
ЛИТЕРАТУРА
1. Каблов E.H. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» //Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3-33.
2. Каблов E.H. Материалы и химические технологии для авиационной техники //Вестник Российской академии наук. 2012. Т. 82. №6. С. 520-530.
3. Каблов E.H., Каримова С.А., Семенова Л.В. Коррозионная активность углепластиков и защита металлических силовых конструкций в контакте с углепластиком //Коррозия: материалы, защита. 2011. №12. С. 1-7.
4. Тарасов Ю.М., Антипов В.В. Новые материалы ВИАМ - для перспективной авиационной техники производства ОАО «ОАК» //Авиационные материалы и технологии. 2012. №2. С. 5-6.
5. Каблов E.H., Антипов В.В., Сенаторова О.Г. Слоистые алюмостеклопластики СИАЛ-1441 и сотрудничество с Airbus и TU DELFT //Цветные металлы. 2013. №9 (849). С. 50-53.
6. Антипов В.В., Сенаторова О.Г., Лукина Н.Ф., Сидельников В.В., Шестов В.В. Слоистые ме-таллополимерные композиционные материалы //Авиационные материалы и технологии.
2012. №S. С. 226-230.
7. Ночовная H.A., Панин П.В., Алексеев Е.Б., Боков К.А. Экономнолегированные титановые сплавы для слоистых металлополимерных композиционных материалов //Труды ВИАМ. 2014. №11. Ст. 02 (viam-works.ru).
8. Соколов ИИ, Раскутин А.Е. Углепластики и стеклопластики нового поколения //Труды ВИАМ. 2013. №4. Ст. 09 (viam-works.ru).
9. Лукина Н.Ф., Дементьева Л.А., Аниховская Л.И. Клеевые препреги для слоистых алюмостеклопластиков класса СИАЛ //Труды ВИАМ. 2014. №1. Ст. 05 (viam-works.ru).
10. Каблов E.H., Антипов В.В., Сенаторова О.Г., Лукина Н.Ф. Новый класс слоистых алюмостеклопластиков на основе алюминийлитиевого сплава 1441 с пониженной плотностью //Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». 2011. №SP2. С. 174-183.
11. Каблов E.H., Оспенникова О.Г., Вершков A.B. Редкие металлы и редкоземельные элементы -материалы современных и будущих высоких технологий //Труды ВИАМ. 2013. №2. Ст. 01 (viam-works.ru).
12. Петрова А.П., Лукина Н.Ф. Клеи для многоразовой космической системы //Труды ВИАМ.
2013. №4. Ст. 05 (viam-works.ru).
13. Дементьева Л.А., Сереженков A.A., Лукина Н.Ф., Куцевич КЕ. Клеевые препреги и слоистые материалы на их основе //Авиационные материалы и технологии. 2013. №2. С. 19-21.
14. Постнов В.И., Сенаторова О.Г., Каримова С.А., Павловская Т.Г., Железина Г.Ф., Казаков И.А., Абрамов П.А., Постнова М.В., Котов O.E. Особенности формования крупногабаритных листов металлополимерных КМ, их структура и свойства //Авиационные материалы и технологии. 2009. №4. С. 23-32.
15. Сенаторова О.Г, Антипов В.В., Лукина Н.Ф., Сидельников В.В., Шестов В.В., Митраков О.В., Попов В.И., Ершов A.C. Высокопрочные трещиностойкие легкие слоистые алюмостеклопластики класса СИАЛ - перспективный материал для авиационных конструкций //Технология легких сплавов. 2009. №2. С. 28-31.
16. Фридляндер И.Н., Сенаторова О.Г., Лукина Н.Ф., Антипов В.В. Слоистые алюмо-полимерные материалы СИАЛ /В кн.: 75 лет. Авиационные материалы. Избранные труды «ВИАМ» 1932-2007: Юбилейный науч.-технич. сб. М.: ВИАМ. 2007. С. 188-192.
17. Zhu J. et al. Influence of boron addition on microstructure and mechanical properties ofdental cast titanium alloys //Mat. Sci. & Eng. A. 2003. V. 339 (1-2). P. 53-62.
18. Niinomi M. Recent trends in titanium research and development in Japan //Proc. 12th World Conf. on Titanium. 2011. V. I. P. 30-37.
19. Гончаров B.A., Федотов М.Ю., Шиенок A.M. Моделирование полимерных композиционных материалов /В сб. трудов конф. «Новые материалы и технологии глубокой переработки сырья - основа инновационного развития экономики России». М.: ВИАМ. 2010. С. 8.
20. Хорев А.И., Белов С.П., Глазунов С.Г. Металловедение титана и его сплавов. М.: Металлургия. 1992. 352 с.
21. Ильин A.A., Колачев Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства: Справочник. М.: ВИЛС-МАТИ. 2009. 520 с.
