Применение композиционных материалов в авиационной и машиностроительной индустрии РБ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ПРОБЛЕМЫ, ПОИСКИ, РЕШЕНИЯ

ПРИМЕНЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В АВИАЦИОННОЙ И МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОЙ ИНДУСТРИИ РБ

Современное состояние развития авиа-двигателестроения в России и за рубежом характеризуется тем, что газодинамические и тепловые нагрузки в двигателях настолько выросли, что они превзошли по механическим свойствам самые оптимистические пределы и возможности традиционных изотропных материалов.

Если окружные скорости на периферии первых ступеней осевых компрессоров газотурбинных двигателей (ГТД) образцов S0-60-х годов составляли 11к = 350...390м/с; максимальные температуры за компрессором Т2 =250...350°С; перед турбиной Тз = 900...950° С. то к 80-м годам эти же параметры составляли = 580 м/с, 7^2 = 500° С ~ и температура перед турбиной Г3 =1500...1650° С Требования по упомянутым параметрам продолжают увеличиваться до ик = 700 м/с и Т3> 2000° С ■ Такие высокие требования не удовлетворяются традиционными материалами.

Попытки использовать в частных решениях высокопрочные титановые сплавы типа ВТ-22 не приводили к положительным результатам по причине повышенной чувствительности подобных материалов к трещиностой-кости, к концентраторам напряжений и их нетехнологичности.

Дальнейший путь продвижения может быть только при использовании в конструкциях композиционных материалов (КМ). Положение усугубляется потерей инвестиционной государственной активности, потерями ряда современных производств и возможностей, например, установки по производству борных нитей, производства керамических порошков (осталось в Прибалтике) и бериллиевых сплавов (осталось в Казахстане); интеллектуальных и других возможностей городов Киева, Минска, Риги и т.д.).

Композиционные волокнистые материалы на металлических матрицах обладают по

РЫЖОВ Алексей Андреевич,

доктор технических наук, почетный академик АН РБ

ПЕРВУШИН Юрий Сергеевич,

доктор технических наук, профессор Уфимского государственного авиационного технического университета

сравнению с традиционными титановыми сплавами низкой плотностью и высокими удельными механическими характеристиками.

В таблицах I и 2 приведены механические характеристики при растяжении некоторых армирующих волокон, титанового сплава ВТ-22 и композитов на основе боромагния (коэффициент армирования у=0,3) и углемагния (у=0^), полученных по технологии вакуумно-компрессионной литейной пропитки.

Таблица I

Механические характеристики армирующих волокон

Волокно Плотность, Прочность, Модуль Удельная Удельный

(-10" 3)кг/м3 МПа упругости, ГПа прочность, км модуль упругости, км

вольфрамовой проволоке) 2,65 2256 380 86,8 14617

Высокомодульное углеродное 1,95 1750 500 88 25000

Высокопрочное углеродное 1,78 2800 300 157 16800

Таблица 2

Механические характеристики композиционных материалов

Материал Плотность, Прочность, Модуль Удельная Удельный

(• 10 " 3)кг/м3 МПа упругости, ГПа прочность, км модуль упругости, км

Титановый

сплав ВТ-22 4,6 1400 115 31 2548

Боромагний 2,04 629 141 31,4 7046

Углемагний 1,77 604 143 34,8 8236

Что на сегодня сделано и какие проблемы у разработчиков узлов авиадвигателестрое-ния по затронутым вопросам?

ГНПП «Мотор» работает над внедрением КМ в узлах турбореактиыных двигателей (ТРД) с начала 60-х годов. Основной особенностью работ в этот период являлось то, что наработки в этой области любого предприятия отрасли страны могли быть использованы также другим предприятием. Поэтому то, что делалось в ГНПП «Мотор», является отражением состояния работ по КМ во всей отрасли до 90-х годов.

К 80-м годам потребные окружные скорости в лопаточных узлах вентиляторов приблизились к 600 м/с, и необходимые весовые характеристики этих узлов из традиционных материалов, включая упомянутый высокопрочный титановый сплав ВТ-22, получить не удается.

Ужесточаются требования по всем узлам ТРД. В связи с этим в ГНПП «Мотор» проводятся работы по многим узлам ТРД с освоением всех известных современных КМ. Входной силовой направляющий аппарат и лопат-

ки перепуска воздуха над рабочими лопатками выполнялись из углеволокнистого композита; лопатки направляющих аппаратов вентилятора 1-й ступени и 2-я ступень с подвижными лопатками выполнялись из боромагни-евых композитов. При этом освоены как прессовая, так и литейная технологии производства лопаток. Широкохордная рабочая лопатка вентилятора (с расходом воздуха в стендовых условиях 140 кГ/с) изготовлена по прессовой технологии из материала ВКА-2. Закон-цовки лопатки отработаны, прошли прочностные испытания на специальных двухзамковых образцах и показали необходимую несущую способность [1, 2, 3].

В ГНПП «Мотор» выполнен достаточно большой цикл расчетно-конструкторских, технологических и испытательных исследований по отработке силовых колец, предназначенных для усиления дисковых узлов и снижения их веса.

Упомянутые исследования оказались достаточно плодотворными: выявили многогранность взаимовлияющих специализаций в цепи «материаловед - технолог - расчетчик - кон-

структор - испытатель»; показали, что проблема применения композиционных материалов достаточно глубока. Она не может быть решена без взаимного согласования работы волокон и матрицы на основе методов механики композитов.

В ГНПП «Мотор» проводились конструктор-ско-технологические исследования по узлам горячей части двигателя. Спроектирован и изготовлен совмещенный с камерой сгорания узел соплового аппарата ТРД. Он достаточно сложный: изготовлен из «углерод-углеродного» композита с объемной защитой от окисления. Была проведена экспериментальная проверка уникальной панели размером 1200х1300мм в плане, которая изготовлена также из «углерод-углеродного» композита и образовывала створку регулирования вектора тяги в узле плоского реактивного сопла одного из двигателей.

Опыт предприятия по проектированию широкохордных лопаток вентилятора и лопаток направляющих аппаратов из композиционных материалов на основе магния перспективного двухконтурного турбореактивного двигателя показал возможность и реальность применения КМ для изготовления подобных вы-соконагруженных деталей.

При разработке лопаток компрессора необходимо было решить следующие задачи:

проектировать материал с оптимальной структурой, обеспечивающей потребные характеристики, определяющейся степенью объемного наполнения КМ армирующими волокнами, количеством слоев, последовательностью и углами укладки волокон в слоях [2, 4];

изготовить каркас лопатки из борных волокон;

разработать технологию вакуумно-комп-рессионной литейной пропитки армирующего каркаса, обеспечивающей получение качественных деталей-заготовок [3];

обеспечить эксплуатационные свойства материала лопатки (коррозионной и эрозионной стойкости).

Решение задачи по оптимизации структуры материала и оценки потребных механических характеристик связано с анализом напряженно-деформированного состояния лопатки, определяющим ее работоспособность.

В рабочих лопатках компрессоров ГТД наиболее сложной в конструировании и обеспе-

чении необходимой прочности является зона перехода пера лопатки в хвостовик. Проблема заключается в создании структуры композита (укладки волокон, расположения слоев), работоспособной в условиях нагружения перерезывающими и сжимающими усилиями, вызываемыми центробежными силами профильной части и хвостовика лопатки [1^]. Теоретические и экспериментальные исследования, проводимые в ГНПП, позволили создать необходимую структуру, которая обеспечила работоспособность лопатки как по переходной части, так и в целом.

Проблемы обеспечения необходимых эксплуатационных характеристик, связанных с вопросом коррозионной и эрозионной стойкости при работе в широком диапазоне климатических условий, являются сложными. Как правило, на рабочие лопатки наносятся покрытия, обеспечивающие коррозионную и эрозионную стойкость. Эти покрытия должны изолировать материал лопатки от коррозионной среды, быть износоустойчивыми, иметь высокую адгезию к поверхности лопатки. В ГНПП «Мотор» эту проблему решили путем проектирования лопатки с оболочкой из титановой фольги. Создан научный и практический задел по разработке широкохордного вентилятора из КМ с титановой оболочкой для перспективных ТРД [4].

На рисунке 1 изображены лопатки широко-хордная, вентиляторная из боромагния и направляющая из углемагния для компрессора низкого давления.

Из приведенного видно, что ГНПП «Мотор» прошло достаточно сложный путь освоения разнотипных узлов из многих типов композиционных материалов. Естественно, при этом на предприятии сложились кадры, способные решать сложные проблемы, возникающие при использовании композитов в узлах ТРД.

Машиностроение в своих достижениях при использовании изотропных материалов обязано наличию типовых документов в виде учебников (по сопротивлению материалов, деталям машин, основам конструирования типовых узлов), руководящим техническим материалам и инструкциям отраслевых институтов ЦИАМ, ВИАМ, НИАТ и др.

В области создания узлов авиационных двигателей из композитов, за малым исключением, ничего подобного нет. Поэтому актуальной проблемой является создание ру-

а б в

Рис.1. Лопатки компрессора из композиционных материалов:

а - широкохордная лопатка; б - лопатка вентилятора; в - лопатка направляющего аппарата

ководящих материалов по правилам проектирования, выбору композитов, их компонентов, технологиям изготовления, т.е. необходимо дать в руки конструктора рабочий документ.

Наряду с ГНПП «Мотор», где конструировались, изготавливались и испытывались узлы ТРД из волокнистых КМ, в УГАТУ работы по механике КМ начались с 1970 г. и продолжаются по настоящее время. Основным научным направлением лаборатории длительное время было термомеханическое поведение волокнистых композитов в условиях теплосмен [6]. Полученные результаты представляют практический интерес для проектировщиков изделий из КМ. В частности, выявлено существенное влияние теплосмен на упругие характеристики тканых стеклопластиков при различных видах деформаций. На рисунке 2 представлена зависимость упругих характеристик от параметров теплосмен.

Теплосмены оказывают большое влияние на длительную прочность тканых стеклопластиков. Из рисунке 3, на котором представлена зависимость длительной прочности стеклопластика от теплосмен, видно, что длитель-

ная прочность исследованных стеклопластиков при теплосменах вдвое меньше, чем при постоянной максимальной температуре цикла.

Исследования по механике слоистых несбалансированных композитов также представляют интерес при изготовлении изделий из композитов. Несбалансированность структуры приводит к изменению деформированного и напряженного состояний изделий. Создать сбалансированные слоистые структуры композитов практически не представляется возможным. Несбалансированность может возникнуть на этапе сборки слоев из-за отклонений последовательности и углов их укладки, а также может появиться в процессе эксплуатации при действии неоднородных температур, наличии влажности.

На рисунке 4 представлены результаты исследований влияния несбалансированности структуры пятислойного стержневого элемента при растяжении на его деформативное поведение. Отклонение угла укладки наружного слоя всего на три градуса от расчетного существенно изменяет его деформативное поведение [7].

Е(Н)/Е(0)

0,9

0,8

0,7

, 1 ■■ г

V 2

4 3 т тах Тс -Т А тт 0 <р = 45°

1 | 8 í (.'мин)

200 400 600

а)

800 Щциклы)

Е(Ы)/Е(0)

__ 1

4 ' 3 -

0,9

0,8

0

200

400 б)

600 Щциклы)

Рис. 2. Зависимость относительного модуля продольной упругости стеклопластика ЭФ-32-301 от числа циклов теплосмен при растяжении в режимах: 1 - Т = 0° С (Т = 200° С);

___ _П ______П __ ____Л _ & • '

2 - Та 2 25° С; 3 - Та = 50°С; 4 - Та = 75° С; а) (р = 45°; б) <р = 90°

Тс 2125 С. Направление вырезки образца:

Рис. 3. Зависимость длительной прочности стеклопластика ЭФ-32-301 от числа циклов теплосмен: 1 - при растяжении в условиях теплосмен Т = 50 ^ 200° С (образцы вырезаны под углом 45° к осям армирования); 2 - при растяжении в условиях Т = 200°С (Т = const); 3 - при сжатии трубчатых образцов (намотка продольно-поперечная) в условиях теплосмен

О

Рис. 4. Изменение перемещений узлов свободного торцевого сечения в направлении оси г глобальной системы координат от угла укладки 1-го слоя

1u , м

40 42 46 48 градусы

Накопленный опыт и знания отражены в изданных учебных пособиях по основам механики, проектирования и технологии изготовления изделий из слоистых композиционных материалов, включены в учебные планы механических специальностей УГАТУ по новым дисциплинам: «Основы механики, проектирования и изготовления изделий из композиционных материалов», «Композиционные материалы».

Литература

1. ИвахА.Ф. Отработка силовых законцовок вы-соконагруженных узлов, выполненных из КМ // Механика и прочность авиационных конструкций: сб. докл. конф. - Уфа: Изд-во УГАТУ, 2001. - С. 104112.

2. Ивах А.Ф. Методы проектирования рабочих лопаток из композиционного материала // Машиноведение, конструкционные материалы и технологии: сб. науч. тр./ АН РБ, Отд. техн. наук. - Уфа: Гилем, 2002. - С. 107-117.

3. ИвахА.Ф. Проектирование рабочих лопаток из композиционного материала // Проблемы машиноведения, конструкционных материалов и технологий: сб. науч. тр./ АН РБ, Отд. техн. наук. - Уфа: Гилем, 2004. - С. 718.

4. Ивах А.Ф. Основы проектирования и создания рабочих лопаток из композиционного материала // Вестник УГАТУ. Т.11, № 2 (29). - Уфа, 2008. - С. 48-S4.

5. Ивах А.Ф. Проблемы отработки рабочих лопаток из композиционного материала // Проблемы машиноведения, конструкционных материалов и технологий: сб. науч. тр./ АН РБ, Отд. техн. наук. - Уфа: Гилем, 200S. - С. 4 - 10

6. ПервушинЮ.С., Иванов М.А. Упругие и прочностные свойства стеклопластиков при нестационарных температурах // Проблемы механики и управления: сб. статей / УНЦ РАН. - Уфа, 1994.-С. 103 - 112.

7. Первушин Ю.С. Влияние несбалансированности структуры слоистых композиционных материалов на напряженно-деформированное состояние стержневых элементов // Вестник УГАТУ. Т.14, № 2 (37). - Уфа, 2010. - С. S6-S9.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ИНСТРУМЕНТЫ И ВОЗДЕЙСТВИЕ ОТДЕЛЬНЫХ ИХ ВИДОВ НА МАТЕРИАЛЫ ПРИ РЕЗАНИИ

К сведению читателей Вышла книга:

Терегулов Н.Г., Даутов А.И., Латыпов P.P., Малышев Б.С.

Энергетические инструменты и воздействие отдельных их видов на материалы при резании / Н.Г. Терегулов, А.И. Даутов, P.P. Латыпов, Б.С. Малышев. - Уфа: АН РБ, Гилем, 2011. - 2S6 с.

Изложены общие сведения об энергетических инструментах и их воздействии на материалы. Описаны особенности отдельных разновидностей энергетических инструментов и их взаимодействие с материалами в процессе резания.

Адресовано студентам машиностроительных специальностей, а также для специалистов, занимающихся нетрадиционными технологиями.