CC BY
12
УДК 669.018.95
ВЫСОКОПРОЧНЫЙ СЛОИСТЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ ЛИСТОВ ИЗ АЛЮМИНИЕВО-ЛИТИЕВОГО СПЛАВА
В. В. Шестов, аспирант, В.В. Антипов, канд. техн. наук, Н.Ю. Серебренникова, аспирантка, Ю.Н. Нефедова
(ФГУП «ВИАМ», г. Москва, e-mail: [email protected])
Уникальный комплекс характеристик слоистых металлополимеров (высокая трещиностойкость и удельная статическая прочность, хорошие усталостные, коррозионные и ударные свойства, повышенная пожаростойкость) по сравнению с монолитными алюминиевыми листами делает этот материал перспективным для будущих поколений авиационных конструкций. Высокопрочный, высокомодульный и легкий алюминиево-литиевый сплав В-1469 обладает хорошей технологичностью при холодной прокатке. Использование тонких неплакирован-ных листов из сплава В-1469 (до 0,5 мм) вместо листов из традиционных алюминиевых сплавов серий 2ххх и 7ххх позволит уменьшить плотность и повысить модуль упругости алюмостеклопластика. Как результат, повышается весовая эффективность и жесткость конструкций.
Ключевые слова: слоистый алюмостеклопластик; гибридный материал; высокопрочный алюминиево-литиевый сплав.
A High-Strength Aluminium-Lithium Alloy Sheet-Based Laminate. V.V. Shestov, V.V. Antipov, N.Yu. Serebrennikova, Yu.N. Nefedova.
A unique set of characteristics of metal/polymer laminates (high cracking resistance and strength-to-weight ratio, adequate fatigue, corrosion-resisting and impact properties, improved fire resistance) in comparison with monolithic aluminium sheets makes this material promising regarding future generation of aircraft structures. V1469 Al-Li high-strength, high-modulus and light alloy shows good workability in the case of cold rolling. The use of thin unclad V1469 alloy sheets (up to 0,5 mm) instead of conventional 2xxx and 7xxx series aluminium alloy sheets enables a reduction in density and an improvement in elastic modulus of the glass-fiber aluminium laminate. In this case, weight efficiency and stiffness of the structure will be improved.
Key words: glass-fiber aluminium laminate; hybrid material; high-strength aluminium-lithium alloy.
Введение
Согласно установившейся в мировой практике оценке, более половины приоритетных разработок объектов новой авиационной техники определяется созданием новых материалов и технологий.
Решение вопросов повышения весовой эффективности конструкций изделий авиационной техники нового поколения невозможно без применения принципиально новых материалов. При этом необходимо внед-
рять как новые конструкционные материалы, обладающие улучшенным комплексом свойств по сравнению с традиционно применяемыми, так и прогрессивные технологии их производства [1-3].
Анализ мировых тенденций развития показывает, что за рубежом активно ведутся работы в области создания слоистых метал-лополимерных композиционных материалов. Особый научно-практический интерес представляют многослойные гибридные па-
нели крыла, пришедшие на смену панелям из алюминиевых сплавов, а также зарубежный алюмостеклопластик GLARE, нашедший применение в изделии А-380 компании Airbus для верхних обшивок фюзеляжа [4-6].
Слоистые материалы обладают уникальным комплексом свойств по сравнению с монолитными алюминиевыми листами: низкой плотностью, высокими трещиностойкостью и прочностью [7-9].
Для создания гибридной обшивки крыла, состоящей из металлических и металлополи-мерных слоев, важной задачей является правильный выбор компонентов структуры. Так, для центральной ее части важно разработать алюмополимерный материал, обладающий высокой прочностью, низкой плотностью и хорошими усталостными характеристиками [10, 11].
Одним из перспективных конструкционных материалов для авиационно-космической промышленности является высокопрочный высокомодульный сплав В-1469 пониженной плотности системы Al-Cu-Li-Mg разработки ФГУП «ВИАМ». Ввиду повышенной технологической пластичности возможно изготовление из него листов толщиной до 0,5 мм, которые и будут служить основой для разработки алюмополимерного материала, обладающего высокой прочностью и низкой скоростью роста трещины усталости.
Материалы и методы
В-1469 - первый в России алюминиево-литиевый сплав, легированный серебром. По удельной прочности он превосходит существующие алюминиевые деформируемые сплавы и обладает при этом высокими характеристиками трещиностойкости и усталостной долговечности. Сплав В-1469Т1 по сравнению со сплавом-аналогом по применению В95оч, пчТ2 обладает повышенной удельной прочностью более чем на 20 % и модулем упругости на 10% [12].
В настоящее время существует проблема изготовления тонких листов из алюмини-ево-литиевых сплавов холодной рулонной прокаткой ввиду их пониженной технологической пластичности [13]. Поэтому листы из
большинства алюминиево-литиевых сплавов изготавливают карточным методом. Рулонная прокатка обеспечивает повышенную производительность, снижение трудоемкости, получение листов необходимой длины с высоким качеством поверхности [14, 15].
Для изготовления высокопрочного слоистого алюмостеклопластика, впервые в ОАО «КУМЗ» была опробована холодная рулонная прокатка листов из сплава В-1469 до толщины 0,5 мм. Правильно подобранные допустимая степень деформации и режим промежуточного смягчающего отжига позволили получить листы толщиной до 0,5 мм без применения дополнительных промежуточных отжигов и технологической плакировки.
Для соединения листов из сплава В-1469 использовали препрег, состоящий из клеевого высокопрочного термореактивного связующего, армированного на -55-65% об. стеклонаполнителями. Клеевое связующее обеспечивает монолитность слоистого материала - высокие адгезионные свойства на границах раздела «алюминиевый лист -пластик», «пластик - волокна наполнителя» [16-18]. В качестве стеклонаполнителя использовали волокна диаметром 8-10 мкм в виде ровинга из высокопрочных высокомодульных стекол (рис. 1) [19].
С целью обеспечения возможности формования слоистого высокопрочного алюмостеклопластика при повышенной температуре (170-180 °С), было исследовано влияние технологических нагревов на кинетику искусственного старения листов из сплавов В-1469 (табл. 1).
Рис. 1. Структура клеевого препрега на ровинге. Поперечное направление
Таблица 1 Механические свойства листов (направление Д)
Режим искусственного старения Нагрев ст0,2' МПа МПа
Одноступенчатый 170-180°С,2-5ч 510 510 560 560
Двухступенчатый 170-180°С,2-5ч 480 480 540 530
Трехступенчатый 170-180°С,2-5ч 470 470 520 510
По результатам оценки механических свойств листов из сплава В-1469, состаренных по различным режимам, были определены оптимальные температурно-временные параметры, обеспечивающие наибольшие предел текучести и предел прочности и не ухудшающие их после проведения нагревов, имитирующих процесс автоклавного формования. Процесс автоклавного формования высокопрочных слоистых алюмостеклоплас-тиков возможно проводить при повышенной температуре (170-180 °С вместо 120 °С при использовании дуралюминов), что повышает теплостойкость материала при эксплуатации [20, 21].
Установлено, что структура листов из сплава В-1469, состаренных по одноступенчатому режиму, преимущественно нерек-ристаллизованная (рис. 2).
Размер субзерен, характерный для участков с субзеренной структурой, составляет «2 мкм. Электронной микроскопией в объеме зерна выявлены равномерно распределенные с высокой плотностью выделения пластинчатой О'-фазы, а также отдельные выделения 9' (А12Си)- и 8' (Л!3и)-фаз (рис. 3).
Технология подготовки поверхности листов (анодное окисление, грунтовка) перед формованием высокопрочного слоистого алюмостеклопластика близка к подготовке поверхности листов из традиционных алюминиевых сплавов типа Д16чАТ, В95пч/очАТ2.
Для достижения максимальных прочностных характеристик слоистого алюмостеклоп-ластика, учитывая его необходимую толщи-
ну, определяемую назначением детали, была разработана структура и схема выкладки материала. Новый композиционный высокопрочный алюмополимерный материал состоит из трех тонких до 0,5 мм неплакированных листов из сплава В-1469, между которыми располагаются два внутренних слоя стеклопластика, состоящие из двух однонаправленных монослоев клеевого препрега в виде стекло-ровинга (рис. 4).
В ФГУП «ВИАМ» проведены всесторонние исследования слоистого алюмополимерно-го материала. Оценку свойств проводили на стандартных образцах на растяжение, сжатие и скорость роста трещины усталости.
Рис. 2. Микроструктура неплакированных листов из сплава В-1469. Долевое направление. Травление концентрированной HNO 3
: , ■ n ч ' \ х > 'V
; Vrv v
Cv ; чч\ Os* fvv 1 - v
. ^ < x ^ 4 4 ^ OSr
V^w^'v ^ v \ vi *
V v O. 4V- 4 V i -v ? v
V ; Л Ч N
VW
Л M
. • -Г v
Рис. 3. Пластинчатые выделения W-фазы в объеме зерна
Рис. 4. Структура высокопрочного слоистого алюмостеклопластика
Скорость роста трещины усталости (СРТУ) оценивали на образцах размером 140*420 мм с определением б//<Ы при различных АК, Я = 0,1 и Г = 5 Гц.
Результаты
Установлено, что высокопрочный алюмо-стеклопластик, благодаря своей многослойной структуре и характеристикам исходных компонентов, обладает следующими свойствами (табл. 2):
- высоким сопротивлением развитию трещины усталости (б//<Ы = 0,06 мм/кцикл при АК = 31 МП^Тм ), так как слои стеклопластика замедляют скорость развития трещин в алюминиевом сплаве, делая ее практически постоянной, воспринимая освобождающуюся
энергию сопротивления усталостному разрушению металлических листов;
- пониженной плотностью на 10-15% (с 2850 до 2480 кг/м3) за счет входящего в состав материала клеевого связующего с низкой плотностью (р = 1400 кг/м3), а также листов из алюминиево-литиевого высокопрочного сплава В-1469 с р = 2670 кг/м3;
- высоким временным сопротивлением (ств > 870 МПа), которое обеспечивается прочностью алюминиевых листов и стеклянных волокон в препреге;
- высоким пределом текучести при растяжении и сжатии (ст0,2 > 490 МПа).
Заключение
Разработка промышленной технологии изготовления высокопрочных слоистых алю-мостеклопластиков для конкурентоспособных на отечественном и зарубежном рынках изделий авиационно-космической техники с целью повышения их весовой эффективности и ресурса является актуальной задачей. Применение высокопрочного алюмостеклопластика на основе А!-Ы-сплава В-1469 в гибридных слоистых панелях крыла взамен используемой на сегодняшний день моно -литной панели из высокопрочного алюминиевого сплава В95очТ2 позволит повысить весовую эффективность, несущую способность и живучесть конструкции. Одновременно с этим снижение массы изделий позволит повысить грузоподъемность и сэкономить топливо летательных аппаратов.
Таблица 2 Механические характеристики высокопрочного алюмостеклопластика
Наименование характеристики Уровень свойств
Разработанный материал Отечественный аналог СИАЛ-1-1Р (сплав 1441) Зарубежный аналог GLARE 2А (сплав 2024Т3) Отечественный аналог по применению сплав В95очТ2
Предел текучести при растяжении ст0 2, МПа 490 335 340 450
Предел текучести при сжатии ст^ 2 , МПа 520 355 360 450
Модуль упругости при растяжении Е, ГПа 72 70 65 71
Плотность р, кг/м3 2480 2380 2480 2850
СРТУ (ё//ёЫ), мм/кцикл, АК = 31 МПа^/м 0,06 0,1 0,1 3,0
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Каблов Е.Н. 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 Е.Н. ВИАМ: Продолжение пути // Наука в России. 2012. № 11. С.16-21.
3. Гречников Ф.В., Ерисов Я.А., Арышенский Е.В.
Проектирование технологических режимов прокатки листов и лент для вытяжки изделий с минимальным фестонообразованием // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2011. № 2 (26). С. 158-168.
4. Antipov V.V, Senatorova O.G., Beumber T., Lipma M. Investigation of a new fibre metal laminate (FML) family on the base of Al-Li alloy with lower density // Materials Science and Engineering Technology. 2012. № 4. P. 350-355.
5. Fibre Metal Laminates / Ed. by Ad. Vlot. Yan. W. Gunnik. Academic Publishers. 2001. P. 527
6. Grechnikov F.V., Antipov V.V., Erisov Ya.A., Grechnikova A.F. A Manufacturability Improvement of Glass Fiber Reinforced Aluminum Laminate by Forming an Effective Crystallographic Texture in V95 Alloy Sheets // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2015. V. 56. № 1. P. 39-43.
7. Antipov V.V., Fridlyander I.N., Senatorova O.G., Sidelnikov V.V., Lukina N.F., Mitrakov O.V., Lavro N.A. High-Manufacturable Al-Li 1441 Alloy and Fible-Metall Laminates (FML) on its Basis // Summary of Conference Proceedings «Aluminium Two Thousand». Italy. 2007. Р. 22.
8. Antipov V.V., Senatorova O.G., Beumler T., Ijp-ma M. Investigation of FML New Family on the Base of Al-Li Alloy with Lower Density // Proceedings of ECAA. Bremen. Germany. 2011. October. P. 222-224.
9. Antipov V.V., Senatorova O.G., Lukina N.F. Advanced Class of FML on the base Al-Li Alloy 1441 with Lower Density // Proceedings of ECAA-13. 2012. P. 1023-1033.
10. Plokker M., Daverschot D., Beumler T. Hybrid structure solution for the A400M wing attachment frames // 25th ICAF Symposium - Rotterdam. 27-29 May 2009.
11. Roebroeks Geert H.J.J., Hooijmeijer Peter A., Kroon Erik J., Heinimann Markus B. The development of central // First International Conference on Damage Tolerance of Aircraft Structures. 2009.
12. Lukina E.A., Alekseev A.A., Antipov V.V., Zait-sev D.V., Klochkova Y.Y. Application of the Dia-
grams of Phase Transformations during Aging for Optimizing the Aging Conditions for V-1469 and 1441 Al-Li Alloys // The 12-th International Conference of Aluminium Alloys: Proceedings of the Conference. Yokohama. 2010. P. 1984-1989.
13. Fridlyander I.N., Antipov V.V., Fedorenko T.P. Product Properties of High Workability 1441 Al-Li Alloy // Proceedings of International Conference of Aluminium Alloys (ICAA 9). Australia. 2004. P. 1051 -1054.
14. Alekseev A.A., Lukina E.A.,Khokhlatova L.B., Antipov V.V., Treninkov I.A. Phase Transformations in Alloy 1424 (Al-Li-Mg) and 1441 (Al-Li-Cu-Mg) During Long Term Low-Temperature Exposur (LLTE) // Proceedings of ICAA-11. Germany. 2008. P 1001 -1005.
15. Ерисов Я.А., Гречников Ф.В., Оглодков М.С. Влияние режимов изготовления листов из сплава В -1461 на кристаллографию структуры и анизотропию свойств // Известия вузов. Цветная металлургия.
16. Antipov V.V., Senatorova O.G., Shestov V.V., Lukina N.F., Sidelnikov V.V., Grinevich A.V., Startsev O.V. New Fiber-Metal Laminate 1441-FML on Basis of Advanced Al-Li Alloy // Aluminium Two Thousand. 7th World Congress. Italy. 2011. Р. 21.
17. Антипов В.В., Сенаторова О.Г., Сидельни-ков В.В., Шестов В.В. Конструкционные слоистые материалы СИАЛ. Клеи, герметики, технологии. 2012. № 6. С. 13-17.
18. Лукина Н.Ф., Дементьева Л.А., Сережен-ков А.А., Котова Е.В., Сенаторова О.Г., Си-дельников В.В. Клеевые препреги, композиционные и слоистые алюмополимерные материалы на их основе // Российский химический журнал. 2010. № 1. Т. LIV.С. 53-56.
19. Сенаторова О.Г., Антипов В.В., Лукина Н.Ф., Сидельников В.В., Шестов В.В., Попов В.И., Ершов А.С. Высокопрочные, трещиностойкие, легкие алюмостеклопластики СИАЛ - перспективные материалы для авиационных конструкций // Технология легких сплавов. 2009. № . 2. С. 29-31.
20. Каблов Е.Н., Антипов В.В., Сенаторова О.Г., Лукина Н.Ф. Новый класс слоистых алюмостекло-пластиков на основе алюминиево-литиевого сплава 1441 с пониженной плотностью // Вестник МГТУ им Н.Э. Баумана. Машиностроение. 2011. № SP2. С. 174-184.
21. Шестов В.В., Антипов В.В., Сенаторова О.Г., Сидельников В.В. Конструкционные слоистые алюмостеклопластики 1441-СИАЛ // МиТОМ. 2013. № 9. С. 28-32.
