Учебное пособие 800438

Зарубежным аналогом ВДУ-1 является КМ ТД-никель, в котором никель упрочнен мелкодисперсным диоксидом тория ТhО2 в количестве 2 .. 4 %.

В КМ ВДУ-3 матрицей служит сплав никель-хром, упрочнителем - диоксид гафния. Сплавы и полуфабрикаты из них (в основном прутки и листы) готовят методами порошковой металлургии. По прочности при комнатной и средних температурах дисперсно-упрочненные КМ уступают классическим дисперсионнотвердеющим никелевым сплавам, однако, при высоких температурах имеют преимущество по характеристикам жаропрочности.

Дисперсно-упрочненные КМ типа ВДУ целесообразно применять при 1100 .. 1200 °С.

Разрабатываются также дисперсно-упрочненные материалы на основе хрома, молибдена и других металлов.

Для конструкций ЛА представляют интерес КМ на основе алюминия, упрочненные частицами А12О3 (типа САП). Получают их методами порошковой металлургии прессованием мелкодисперсного алюминиевого порошка с его последующим спеканием. Свойства САП определяются количеством в нем А12О3. При комнатной температуре механические свойства САПов ниже свойств высокопрочных алюминиевых сплавов. Основное их преимущество при температурах > 300 °С, при которых специальные алюминиевые сплавы Д19, Д20, АК4-1 разупрочняются. САП поддается аргоно-дуговой сварке, листы можно соединять клепкой, а плакированный лист удовлетворительно сваривается контактной сваркой.

Дисперсно-упрочненные материалы могут найти применение в авиационной и космической технике для изготовления камер сгорания, форсажных камер, стабилизаторов пламени форсажных камер и др. Такие материалы перспективны также для изготовления горячих газоводов на самолетах вертикального и укороченного взлета и посадки, высокотемпературных крепежных деталей, теплозащитных панелей и т. д.

81

2.1.2. Композиционные материалы, армированные волокнами

Теория КМ, армированных волокнами, строится на предположении, что волокна равномерно распределены по объему матрицы, однородно и жестко сцеплены с ней и на поверхности раздела волокно-матрица нет проскальзывания. В этом случае нагрузка распределяется между волокнами и матрицей, а деформация композиции, волокон и матрицы одинакова [6].

Для армирования используют следующие материалы: тонкую высокопрочную проволоку из стали, вольфрама, титана, молибдена, других металлов и их сплавов; стекловолокно, волокна из углерода, бора, борсика, также волокнистые монокристаллы оксида алюминия, карбида кремния и других соединений.

Поверхность раздела волокно-матрица является наиболее ответственным участком композиционного материала, так как по нему происходит передача нагрузки на волокна. Соединение металлической матрицы с металлическим волокном чаще всего сопровождается химическим взаимодействием, в результате которого образуются интерметаллидные фазы. Интерметаллидные фазы обеспечивают надежное сцепление между волокнами и матрицей, но они играют и некоторую отрицательную роль. Интерметаллиды понижают прочность волокна, обладая низкой пластичностью, разрушаются при небольших деформациях материала. Если армирующие волокна и матрица не взаимодействуют друг с другом, то обеспечить надежное сцепление их друг с другом трудно. В этом случае для улучшения сцепления матрицу легируют, на волокна наносят различные покрытия.

В зависимости от размеров, профиля и природы составляющих компонентов волокнистые КМ готовят различными способами. Наиболее производительными способами получе-

82

ния металлических КМ являются прокатка и волочение. Хорошие результаты получают при использовании методов прессования при высоких температурах и сварки взрывом. Применяется также метод пропитки каркаса волокон расплавом матрицы и метод получения КМ направленной кристаллизацией расплава эвтектических сплавов. Часто один из этих методов дополняется прессованием или прокаткой.

КМ на основе алюминия. Наиболее изученными являются КМ, полученные армированием алюминия и его сплавов стальной проволокой (КАС). Методом прокатки в вакууме получен материал КАС-1. Его матрицей является сплав САП-1, в качестве арматуры использована проволока стали ВНС-9. В настоящее время КАС-1 используют в качестве специальных накладок – ограничителей трещин. Накладки из КАС-1 крепят на деталях из алюминиевых сплавов методами приклеивания, клеесварки, диффузионной сварки.

КМ системы алюминий-бор (ВКА-1) сочетают в себе высокие показатели прочности и жесткости, присущие борному волокну, с хорошей технологичностью и конструкционной надежностью. Эти материалы применяют для лопаток вентиляторов турбореактивных двигателей, обшивок крыла самолета, элементов жесткости и лонжеронов авиакосмических конструкций.

КМ с углеродными волокнами (КАУ) получают методом пропитки каркаса волокон под давлением расплавом литейного сплава. При армировании силумина типа АЛ-2 углеродными волокнами КМ имеет прочность до 1000 Мпа, а также вы-

сокую термостойкость в интервале температур от -193 до

+ 500 0С.

Алюминиевые сплавы армируют SiC в виде нитевидных кристаллов, пластинок и частиц порошка. Для этого SiC смешивают с порошком алюминиевого сплава, компактируют заготовки в горячем состоянии, затем экструдируют и поперечной прокаткой получают лист.

83

Из свойств, интересных для применения в авиационных и космических конструкциях, наиболее важным является повышение модуля упругости по сравнению с обычными алюминиевыми сплавами. При объемной доле упрочнителя 20 % модуль КМ на 50 % выше, чем у алюминия. При 30 % SiC это преимущество возрастает до 70 %, при 40 % SiC почти до

200 %.

Разрабатываются также КМ путем армирования алюминия бериллиевой проволокой, поликристаллическими и монокристаллическими волокнами А12О3, другими компонентами.

КМ на основе магния. Интенсивно проводятся исследования по армированию магния и его сплавов. Композиционные материалы на основе магния имеют более высокую удельную прочность, чем КМ на основе алюминия. Однако армирование магния и его сплавов сопряжено со значительными технологическими трудностями из-за низкой свариваемости и деформируемости магниевых сплавов, а также присутствия на поверхности рыхлой оксидной пленки магния. Магний, армированный волокнами бора в объеме 30 %, имеет при комнатной температуре σв = 970 МПа, Е = 135 ГПа. При температуре 400 0С этот материал сохраняет очень высокую прочность до σв - 490 МПа. Высокая прочность магния и его сплавов достигается армированием нитевидными монокристаллами карбида кремния. Введение 10 % SiC повышает σв до 405 МПа, а введение 32 % повышает σв до 540 МПа.

Титан и его сплавы армируют волокнами бора, борсика, карбида кремния, оксида алюминия, бериллия и молибдена. При этом необходимо поднять рабочую температуру титановых сплавов до 800 0С, а модуль упругости до 200 ГПа. Однако при получении КМ на титановой матрице имеются трудности, вызванные необходимостью нагрева до высоких температур, при которых титан становится химически активным и интенсивно взаимодействует со всеми перечисленными выше наполнителями. Это приводит к образованию на границе раз-

84

дела хрупких фаз, рекристаллизации волокон и снижению прочности КМ. Из названных систем наиболее перспективными являются системы Тi-Ве, Тi-ВSiC, Тi-SiC. Эти системы легко изготавливаются и обладают хорошей технологической пластичностью и высокими свойствами.

КМ на основе Ni. Особый интерес представляют результаты по армированию жаропрочных сплавов на основе никеля. Большой эффект упрочнения получен при армировании сплавами W + 3 % Re или W + 1 % ThO2.

Перспективно армирование никеля и его сплавов волокнистыми монокристаллами оксида алюминия, борными волокнами. При армировании никелевой матрицы волокнами бора достигается предел прочности σв = 2700 МПа.

Наиболее важной областью использования никелевых КМ являются теплонагруженные детали газотурбинных двигателей, например, рабочие и сопловые лопатки, камеры сгорания, тепловые экраны.

Эвтектические КМ. Разновидностью волокнистых КМ являются эвтектические композиции, получаемые в процессе направленной кристаллизации эвтектик. Управляя такими параметрами процесса кристаллизации, как температура, скорость превращения и направление теплоотвода можно создать гетерогенную структуру с упорядоченным расположением фаз определенной морфологии, дисперсности и взаимной ориентации. При кристаллизации эвтектик одна из фаз формируется

ввиде волокон или пластин, обладающих структурным совершенством и свойствами нитевидных кристаллов. Таким образом, в эвтектических КМ реализуется ситуация, когда уже

впроцессе кристаллизации матрица армируется волокнистым наполнителем. При этом полностью исключаются такие сложные проблемы для волокнистых КМ как приготовление волокон и введение их в матрицу, а также химическая совместимость разнородных веществ и прочность связи на границе раздела фаз. Кроме того, метод контролируемых фазовых пре-

85

вращений открывает возможность создания требуемой структуры и управления ею в готовых изделиях путем соответствующей термообработки. Термическая устойчивость эвтектических композиций исключительно высока. Длительные отжиги при высоких температурах, вплоть до эвтектических, не разрушают фазовые составляющие композита.

Эвтектические композиции имеют высокую прочность жаропрочность, термическую стабильность, что представляет интерес для авиационной техники. Известно, что из композиции (Со, Сг) - (Со, Сг)7С3 методом направленной кристаллизации в керамическую выплавляемую форму изготавливаются пустотелые лопатки компрессора, а из эвтектической композиции Ni3Al – NiNb готовят монолитные лопатки турбины.

2.1.3. Слоистые композиционные материалы

Слоистые КМ состоят из двух или более слоев или пластин различных материалов, соединенных друг с другом прочной связью [6]. Такие КМ имеют повышенные износостойкость и коррозионную стойкость, сопротивление удару, тепловые и электрические характеристики. Промышленные слоистые КМ получают различными способами, основными из которых являются соединение пластин прокаткой, прессованием, сваркой взрывом и пайкой твердым припоем.

Интерес представляют свойства слоистых композиционных материалов. Экспериментальными исследованиями показано, что слоистые металлические КМ, у которых прочность связи или прочность промежуточных слоев меньше, чем у основных компонентов, обладают более высоким сопротивлением распространению трещин по сравнению с монолитным материалом или с КМ с высокой прочностью связи. Это обусловлено механизмами разрушения

86

слоистых КМ.

При распространении трещины перпендикулярно слоям происходит ее торможение на границе раздела между слоями из-за процесса расщепления в вершине трещины. При этом происходит релаксация напряжений. Для дальнейшего развития процесса разрушения необходимо повторное зарождение трещины, а на этот процесс требуется значительно большая энергия, чем работа распространения уже имеющейся трещины. При распространении трещины вдоль слоев происходит расщепление слоя у вершины трещины на ряд более тонких слоев или, другими словами, происходит разветвление трещины. Эго также снижает напряжения в вершине трещины. Уникальные свойства определяют области применения слоистых КМ. Самолетные конструкции и обшивка должны быть прочными, стойкими к коррозии и усталости. Этими свойствами обладает слоистый КМ, состоящий из высокопрочного сплава - сердцевины (типа Д16, В95), плакированного алюминием, который обеспечивает электрохимическую защиту. Толщина покрытия колеблется от 2,5 до 15 % от общей толщины КМ в зависимости от составляющих КМ компонентов. Широкое применение слоистые КМ находят в атомной энергетике, а также для изготовления термостатов различного назначения, сосудов высокого давления и в других областях.

2.2. Композиционные материалы на полимерной матрице

К композиционным материалам на неметаллической основе относятся материалы, где в качестве связующего используются термореактивные смолы - эпоксидные, кремнийорганические, разновидности фенольноформальдегидных, а также полиимидные и некоторые термопласты [6]. В качестве армирующей составной части

87

используются высокопрочные волокна, частицы, ткани, носящие общее название - наполнители. Композиционные материалы по прочности и весовым характеристикам в несколько раз превосходят лучшие традиционные материалы, обеспечивают высокую жесткость, высокую усталостную прочность. Например, срок служба лопастей вертолетов из КМ на полимерной матрице увеличиваете в несколько раз по сравнению с металлическими. При проектировании и создании деталей следует учитывать, что новые материалы, требуют создания конструкции новой формы и применения новой технологии. Поэтому композиционные материалы и детали из них проектируются и изготавливаются одновременно.

Стеклопластики - материалы на основе полимерного связующего, упрочняющим наполнителем является непрерывное стеклянное волокно, стеклонити, стекложгуты, ткани различного переплетения, стеклонити в виде листов или непрерывной ленты.

К основным достоинствам стеклопластиков относятся: достаточно высокая механическая прочность; высокая усталостная прочность; низкая чувствительность к надрезам; высокое аэродинамическое качество поверхности; высокая коррозионная стойкость; радиопрозрачность материала; достаточная радиационная стойкость.

Стекловолокниты подразделяют на однонаправленные, в которых волокна расположены в одном направлении, обычно в таком направлении прилагается нагрузка к детали, и перекрестные, где волокна расположены под различным направлением. Стекловолокнистые намоточные конструкции получают, наматывая стеклонити, стекложгуты, пропитанные связующим, на оправку в перекрестном направлении. Средняя степень наполнения составляет 65 .. 67 %. Свойства стеклопластиков зависят не только от природы связующего, наполнителя и вида наполнителя, его ориентации, но

88

определяются также технологией отверждения. Стеклопластики имеют достаточно высокую

усталостную прочность, которая зависит от угла ориентации волокон по отношению к оси укладки и от природы связующего. Наилучшим связующим, повышающим усталостную прочность, является эпоксидная смола. По демпфирующим свойствам стеклопластики значительно превосходят металлы.

Недостатком стеклопластиков является снижение механических свойств в водной среде - ослабляется адсорбционное взаимодействие на границе стекло-смола. Небольшая величина модуля упругости не обеспечивает жесткости конструкции, поэтому ее повышают, применяя гибридный наполнитель.

Стеклопластики были первыми конструкционными материалами, используемыми в силовых конструкциях. Они используются в производстве ЛА для деталей фюзеляжа, крыльев, обтекателей радиолокационных антенн, для носовых конусов ракет, лопастей несущего винта; из них изготавливают люки, двери, корпуса твердотопливных двигателей, различные емкости (баллоны высокого давления). Стеклотекстолиты широко используются в качестве плат печатных схем в бортовых ЭВМ.

Применение стеклопластиков позволяет облегчить вес конструкции ЛА на 25 .. 30 %, уменьшить трудозатраты.

Бороволокниты - композиционные материалы, содержащие в качестве упрочняющего наполнителя борные волокна, отличаются высокой твердостью, прочностью, жесткостью, высокой динамической и статической выносливостью. Бороволокниты имеют высокие пределы прочности при растяжении, сжатии и модуль упругости в направлении осей армирования. Большой диаметр волокон и модуль упругости способствуют повышению прочности боропластика при сжатии, при этом повышается

89

чувствительность к разрушению отдельных волокон, уменьшается предел прочности по сравнению с аналогичным тонковолокнистым материалом.

Вкачестве связующего в боропластиках используются эпоксидные смолы, полиимиды. Борные волокна имеют полупроводниковые свойства, их присутствие в волокните придает ему повышенную тепло- и электропроводность.

К недостаткам бороволокнитов относится трудность механической обработки.

Бороволокниты применяют в деталях, где определяющим критерием качества материала являются удельные значения прочности и жесткости. Однонаправленные бороволокниты применяют для изготовления профилей балок, стрингеров, роторов компрессоров, лопастей несущих и хвостовых винтов вертолетов, отсеков фюзеляжа самолета.

Одним из рациональных путей применения бороволокнитов является местное упрочнение металлических конструкций и повышение их жесткости в направлениях действия максимальных напряжений.

Углепластики содержат в качестве наполнителя углеродные волокна. От других пластиков конструкционного назначения углеволокниты выгодно отличаются низкой плотностью, высоким модулем упругости, высокой термостойкостью в бескислородной среде, низким коэффициентом термического расширения, низким коэффициентом трения, высокой износостойкостью, стойкостью к термическим и радиационным ударам, высокой тепло- и электропроводностью.

Вкачестве связующего для углеволокнитов конструкционного назначения применяются эпоксидные смолы различных составов. Их адгезия к углеродному волокну достаточно высока, они отверждаются без выделения низкомолекулярных веществ и изделия можно формовать при

90