книги из ГПНТБ / Алюминиевые и магниевые сплавы, армированные волокнами

Глава IV

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ АРМИРОВАННЫХ ЛЕГКИХ СПЛАВОВ

Алюминий — наиболее распространенный после железа элемент, обладающий замечательной способностью к образованию сплавов. Однако по ряду свойств (прочность, упругость, жесткость, термо­ прочность) алюминиевые сплавы значительно уступают сплавам на основе железа. Оптимальное армирование позволит приблизить в значительной мере алюминиевые сплавы по свойствам к сплавам на основе железа, что в принципе даст возможность расширить область применения алюминиевых сплавов в различных областях техники.

В настоящее время можно отметить две перспективные области применения армированных металлических материалов [1—3):

1)как конструкционного материала;

2)как материала с новыми физическими свойствами.

I.АРМИРОВАННЫЕ ЛЕГКИЕ СПЛАВЫ КАК КОНСТРУКЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ

Все композиты с неметаллической матрицей (такие, как эпоксид­ ная смола — борные волокна, эпоксидная смола — графитовые во­ локна и другие) имеют высокую удельную жесткость и прочность при растяжении в направлении волокон. Однако все известные смолы обладают низким сопротивлением разрыву и сдвигу, поэтому металлическая матрица типа алюминиевой или сплава из алюминия имеет значительные преимущества перед известными смолами [4]. В этой связи использование алюминиевых сплавов в качестве матрицы представляется весьма перспективным.

В настоящее время различные фирмы США освоили технологию получения армированных листов из серийных алюминиевых спла­ вов 1100, 2024, 2219, 3003, 5052, 5456, 6061, 7039, 7075, 7178 и

других. В качестве армирующей фазы используются бериллиевая и стальная проволока (нержавеющая сталь с пределом прочности 340—365 кГІмм2) диаметром 0,2—2,5 лш; волокна бора, карбида бора, карбида кремния и борсик (волокна бора, покрытые карбидом кремния); бора, покрытого нитридом, а также графитовые волокна. При объемной доле волокон карбида бора 40—50% прочность

188

с о х а ш х х ш ш ;

7 -іа а й ш п г '

Рис. 1. Конструкция композитного материала алюминиевый сплав 6061 — (35 — 45)% В — 5% проволоки из стали АМ-355 (4)

ром 50 м к м ; 3 — алюминиевая фольга

армированного алюминиевого сплава 6061 достигает 140 кПмм2 15], а при введении 50% волокон бора — 114 кГІмм2 при модуле упругости Е — 24 040 кГІмм2 [4]. В последнее время прочность этой композиции увеличилась даже до 150 кПмм2.

Продолжаются работы по созданию материалов путем упрочне­ ния легких сплавов усами карбида кремния и окиси алюминия. На основе главным образом жидкофазных технологий получены и запатентованы различными фирмами США композиции с ните­ видными кристаллами, которые из-за сравнительно низкой проч­ ности (сгь ж 80 кГ/мм2) и разброса свойств проигрывают по сравне­ нию с легкими сплавами, упрочненными волокнами. Армирован­ ные магний и алюминий и их сплавы находят широкое применение в новой технике.

Почти все крупные американские авиационные фирмы проекти

детали из композитов. По данным работы [3], только в 1970 г. свыше 22 типов изделий с композитами подготавливались и проходили летные испытания.

Наиболее распространенным в опробываемых конструкциях был материал алюминий — бор. Вот некоторые примеры; в 1968 г. фирма «Сопѵаіг» (США) разработала композитный материал алюми­ ниевый сплав — волокна бора для изготовления ряда деталей фюзеляжа самолета F-111 (рамы, лонжероны, дверцы, фиттин­ ги, стрингера, переборки, панели) [4], что позволило снизить вес этих деталей на 18—60%. Для уменьшения анизотропии свойств (повышения прочности материала в поперечном направлении) вво­ дили поперечные волокна из нержавеющей стали марки АМ-355.

волокна бора (продольные) — проволока из нержавеющей стали (поперечные волокна) схематично представлена на рис. 1. Диаметр

189

волокон бора составлял 50 мкм, объемная доля 35—45%; проволо­ ку из нержавеющей стали диаметром 100 мкм вводили в количе­ стве 5%. Механические свойства (табл. 1) определяли на панелях (методика испытаний рассмотрена в работах [6, 7]).

Использование композитного материала для изготовления не­ которых деталей фюзеляжа самолета F-111 позволило снизить их вес. Соответствующие расчеты деталей, изготовленных из арми­ рованного алюминия, даны в работе [8]. В табл. 2 приведены все детали фюзеляжа, изготовленные из различных материалов.

Авиакосмическая фирма «General Dynamics» проанализировала возможность использования композиции А1 — В для замены алю­ миниевых деталей (обшивка, перегородки, шпангоуты и т. д.) в самолете F-106A. Наибольшую экономию веса дает применение композита для перегородок: вес перегородки из А1—В в титановом каркасе на 43% меньше, чем из обычного стандартного алюминие­ вого сплава.

Использование композитного материала А1 — В с перекрестным расположением волокон (0—90°) для фюзеляжа, крыла и обшивок элеронов привело к существенному снижению веса. Уменьшение толщины обшивки крыла снизило его вес на 13%, а общий вес конструкции — на 23% (с 3872 до 2990 кг), что заметно улучшает летно-технические характеристики самолета: увеличивает емкость

190

топливных баков (на 22%), повышает вес полезной нагрузки без снижения скорости и дальности полета, увеличивает время нахож­ дения в воздухе.

Указывается, что при применении композита А1 — В в кон­ струкции самолета его стоимость существенно возрастет (на 2 млн. долл.), но повышение летно-технических характеристик в известной мере окупает эти издержки [9].

Фирма «United Aircraft» предпринимает попытку использовать материал А1 — В для воздушных винтов самолетов с вертикальным взлетом. Новые лопасти винтов должны уменьшить вес самолета на 18% и увеличить полезную нагрузку на 50% ПО].

Композиционный материал алюминиевый сплав 6061—50 об.% борсика был использован при изготовлении лопастей турбовентиля­ торного двигателя ІТ-80, который с экспериментальными лопастя­ ми был опробован в течение 2 ч, после чего они оказались в хорошем состоянии. Жесткость лопастей двигателя уменьшает колебания конструкции, уменьшая аэродинамическое сопротивление и увели­ чивая к. п. д. Г11 Г.

Армированный сплав 6061 с объемным содержанием волокон бора 40—50% диаметром 0,1 мм как конструкционный материал исследовался также [12] применительно к панелям одного из рабо­ чих модулей космического корабля «Аполлон». Для оценки каче­ ства соединения волокно — матрица использовали ультразвуковой метод, а для обнаружения разрыва волокон — рентгеновский. Отмечено, что важной проблемой остается наличие большого коли­ чества участков, в которых отсутствует связь волокно — матрица, что влияет на качество материала.

Другой интересной разновидностью армированного алюминия является алюминий-стекловолокно, используемый в качестве топ­ ливных элементов реакторов [13]. Для волокон в этом случае используют стекло, содержащее окись урана. Проведенные иссле­ дования [13] показали, что прочность армированного материала при повышенных температурах (до 550° С) значительно выше, чем сплава алюминий — уран и алюминиевого сплава 3061, исполь­ зуемых для топливных пластин.

За последние годы появилась тенденция применения армиро­ ванных материалов в стержневых конструкциях типа простран­ ственных ферм [14]. Так, комбинированное использование берил­ лия, бериллиево-алюминиевого сплава (Be — 38% Al) и эпоксид­ ной смолы, усиленной нитями бора, дает экономию веса 50% по сравнению с конструкциями из обычных авиационных материалов. Теоретический расчет стержневых конструкций из композитных материалов и эксперименты показывают целесообразность исполь­ зования этих материалов.

В этой связи представляют интерес исследования волокнистых материалов в условиях сжатия.

В работе [6] было изучено поведение конструкционных элемен­ тов из алюминиевого сплава 6061, армированного в условиях диффу-

191

Т а б л и ц а 3. Изученные материалы

знойной сварки однонаправленными или перекрестными волокна­ ми бора (диаметр волокон 0,11 мм, предел прочности 280 кГІмм2, модуль упругости 38 500 кГІмм2).

Изучали четырехслойные материалы толщиной 0,5] мм и 16слойные толщиной 2,3 мм. Заготовки имели вид листов размером 300x300 мм. Кроме пластин, из которых вырезали образцы, изго­ товляли коробчатые балочки для ребер жесткости. В этом случае заготовки армировали неравномерно: места, требующие по техно­ логии резких изгибов, оставляли без арматуры (рис. 2, табл. 3).

При испытании образцов на сжатие на машине «Инстрон» во избе­ жание выпучивания применяли поддерживающие направляющие. Результаты, представленные на рис. 3, 4 и 5 показывают, что модули упругости материала в условиях растяжения и сжатия близки, а механические свойства мало зависят от толщины образца. Опыты по­

реходило затем на армированные участки. Разрушение наступало при средних напряжениях 61 кГІмм2 (расчет по правилу аддитив­ ности), что в 2,5 раза выше прочности балочек того же веса из неармированного сплава алюминия 7075-Т6. В общем случае на­ пряжение окончательного разрушения превышает напряжение на­ чального повреждения примерно в 3 раза.

В случае алюминиевой матрицы, в отличие от полимерной, расчеты несущей способности деталей рекомендуется проводить по максимальному разрушающему напряжению [6]. Непосредствен­ ное применение в деталях конструкций композиционных материа­ лов связано с проблемами их обработки и соединения. Ряд аме­ риканских фирм («General Dynamics», «North American Rockweel»)

подробно исследовал эти вопросы главным образом на наиболее перспективной и детально разработанной композиции А1 — бор [15, 161. Сварка композиционных материалов с получением равно­ прочного соединения является серьезной и еще не решенной проб­ лемой. В настоящее время для соединения композитов уже опро­ бованы с положительными результатами электронно-лучевая, кон­ тактная и диффузионная виды сварки [12, 15]. Контактная явля­ лась основным методом при получении конструкций из компози­ ции А1 — В. Были исследованы возможности получения этим видом сварки основных видов соединений (двух однонаправленных

192

композитных пластин, пластин с продольным и поперечным распо­ ложением волокон, пластин из композитов с листами матричных алюминиевых сплавов, трех слоев композиционного материала с различным расположением волокон в слоях, моделей лонжерона, состоящего из композиционных и обычных элементов).

Проведенные исследования показали, что точечная сварка ком­ позиционного материала А1 — В дает вполне удовлетворительные результаты: прочность соединения, выполненного одноточечной свар­ кой, достигает 80% прочности композиционного материала, при

Е -І0",3к Г / ш іг

их ориентации по отношению к действию на­ грузки

Обозначения те же, что и на рис. 4 І6]

многоточечной сварке — лишь 70%. Точечная сварка может успеш­ но применяться при сварке даже пяти слоев композиционного материала и алюминиевого сплава. Несколько худшие результаты дает применение роликовой сварки при соединении композиции А1 — В: хотя получаемые швы содержат мало дефектов, прочность их составляет 50% прочности композиционного материала. При­ менение усиливающих пластин при контактной сварке повышало жесткость сварного соединения. Сварка композиционных матери­ алов плавлением не дала хороших результатов. Хотя механиче­ ская обработка композитов и сопряжена с определенными труд­ ностями (высокая твердость и хрупкость волокон, вязкость матри­ цы, резкая разнородность свойств, составляющих композиции), в целом она может успешно реализоваться путем использования твердосплавных и алмазных инструментов, а также электроискро­ вых и ультразвуковых методов обработки, ведущих к минималь­ ному повреждению волокон [12].

Для конкретных операций механической обработки существуют свои оптимальные методы: резку целесообразно выполнять абра­ зивными кругами или ножницами, сверление — ультразвуком или алмазными сверлами [17]. На этапе изготовления конструкций из композиционных материалов важное значение приобретает конт­ роль качества готовых изделий. Опыт показал, что использование ультразвукового и рентгеновского методов контроля позволяет до­ биться большей однородности свойств изделий, характеризуемой меньшим разбросом свойств готовых деталей [12].

Применение армированных материалов на основе эпоксидных смол и легких металлов, армированных волокнами бора, берил-

194

лия и стекла, рассмотрено в работе [18]. Особое внимание уделено использованию композиций в качестве брони для авиационных конструкций и защиты человека, а также в качестве конструкцион­ ного материала для глубоководных аппаратов. В этой связи инте­ ресно сопоставление комплекса свойств двух композиционных ма­ териалов бор — эпоксидная смола и бор — алюминиевый сплав 6061 (либо 1100). В интервале температур от — 55 до 260° сравни­ вали удельную прочность, отношение модуля упругости к весу, стандартный комплекс механических свойств при растяжении, проч­ ность в поперечном направлении материалов с однонаправленными волокнами, прочность при сдвиге, предел усталости, а также фи­ зико-химические свойства (абсорбция, сопротивляемость корро­ зии и т. п.).

В табл. 4 и 5 приведены характеристики механических свойств композитных материалов.

Данные табл. 4 и 5 показывают, что композитный материал алю­ миний — бор обладает более высокими пределом прочности и мо­ дулем упругости, чем материал эпоксидная смола — бор.

В табл. 6 приведены данные [18] о стоимости композиций раз­ личных типов с прогнозом до 1978 г. Как видим, стоимость компо­ зиционного материала алюминий — бор, вероятно, будет сниже-

195

на с 500 до 100 долл, за фунт. Объем производства при этом дол­ жен возрасти с 100 000 фунтов до нескольких миллионов в год.

Следует обратить внимание на ожидаемую к 1978 г. более низ­ кую стоимость материала с углеволокном по сравнению с борным волокном. Детальный анализ перспектив использования компози­ тов на основе высокопрочных и высокомодульных волокон бора и графита в различных областях авиационной и ракетной техники, кораблестроении и автомобилестроении дай в 13] на основе исполь­ зования более 200 технических документов (статей и дискуссий с ведущими специалистами промышленности). Указывается, что в двух самолетах (F-111 и F-5A) уже применены композицион­ ные материалы на основе волокон бора и графита, а большинство ведущих авиационных фирм опробывает и планирует использо­ вание этих материалов в новых разработках. Однако подчеркива­ ется, что широкое применение металлические композиты найдут после существенного снижения цен на упрочняющие волокна. Предполагается, что к 1980 г. они должны занять прочное место а) в кораблестроении (в частности, в качестве материала для кор­ пусов кораблей и глубоководных аппаратов); б) в авиации и ракет­ ной технике, включая военные и гражданские самолеты; в) в хи­ мической и газовой промышленности в качестве материала сосудов давления (газовые баллоны, цистерны) и химических реакторов; г) в наземном транспорте, в частности, для деталей высокоскорост­ ных поездов (300 миль в час); д) в автомобилестроении с учетом воз­ можного снижения веса грузовых автомобилей и других отраслях техники и народного хозяйства.

2.ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПОЗИТОВ КАК МАТЕРИАЛОВ С ОСОБЫМИ ФИЗИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ

Нами были рассмотрены примеры использования армирован­ ного алюминия в условиях, когда требуется повышенная механи­ ческая прочность и высокое отношение прочности к удельному ве­ су. Потенциальные области применения композитных материалов, однако, определяются не только механическими свойствами.

196

Неконструкционные области применения композитов требуют управления физическими свойствами — электрическими, магнит­ ными, оптическими, термическими, акустическими, ядерными, хи­ мическими и т. д. Известно, что путем конструирования этих ма­ териалов возможно получение необычных свойств: можно созда­ вать, например, материалы, ферромагнитные в одном направлении и антиферромагнитные — в другом, или материал с высокой про­ водимостью в одном направлении и изоляционными свойствами — в другом. Создание такого сочетания оказывается возможным не только вследствие различия физических свойств материалов во­ локна и армирующей фазы, что позволяет комбинировать несколь­ ко материалов в одном образце, но и в результате следующих фак­ торов:

1) многонаправленного расположения армирующей фазы;

2)увеличения количества армирующих фаз (более чем одного вида арматуры);

3)изменения диаметра волокон (так, волокна диаметром не­ сколько микрон представляют значительный интерес, так как мо­ гут быть использованы, например, для ограничения размеров маг­ нитных доменов);

4)изменения объемной доли армирующих волокон;

5)управления состоянием материала на границе раздела матрица — армирующая фаза;

6)создания контролируемых градиентов определенных свойств

вобъеме путем регулирования локальной концентрации двух фаз и т. д.

Кнастоящему времени разработаны и применяются композит­ ные материалы для внеконструкционного использования. Эти ма­ териалы получены главным образом в условиях направленной кри­ сталлизации эвтектик. Так, эвтектическая композиция А1 —Al3Ni предполагается потенциальным материалом для использования ме­ ханически прочного электрического проводника [19]. Очевидно, что механические прочные электрические проводники из композитов мо­ гут быть получены и другими методами, не только путем эвтекти­ ческого затвердевания. Так, в [1] гипотетически рассмотрели ком­ позиционный электрический кабель с ничтожно малым скин-эффек­ том. Он состоит из концентрических труб переменной проводимости и материала диэлектрика, расположенного на определенных рас­ стояниях. Практически такой кабель может быть получен, если диэлектрическую матрицу армировать алюминиевой проволокой, покрытой AljjOg.

Путем управления свойствами поверхностей раздела в компо­ зиционных материалах возможно получение алюминиевых компо­ зитов с высоким вибропоглощением и особыми акустическими свойствами.

Большие перспективы в управлении физическими свойствами открываются также при использовании объемного армирования — трехмерных сеток или сеток других конфигураций.

197