ВЛИЯНИЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ НАГРЕВОВ НА СТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЛИСТОВ ИЗ AL-LI-СПЛАВА 1441, ВХОДЯЩИХ В СОСТАВ СЛОИСТЫХ ГИБРИДНЫХ ПАНЕЛЕЙ

МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ

УДК 669.715

ВЛИЯНИЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ НАГРЕВОВ НА СТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЛИСТОВ ИЗ Al-Li-СПЛАВА 1441, ВХОДЯЩИХ В СОСТАВ СЛОИСТЫХ ГИБРИДНЫХ ПАНЕЛЕЙ

В. В. Антипов, канд. техн. наук, Е.А. Лукина, канд. техн. наук, О. Г. Сенаторова, канд. техн. наук, Н.Ю. Серебренникова, С.В. Сбитнева

Представлены результаты микроструктурных исследований методами просвечивающей электронной и оптической микроскопии, испытаний механических свойств при растяжении листов из алюминиево-литиевого сплава 1441, входящих в состав слоистых гибридных панелей крыла, после воздействия дополнительных нагревов. Показано, что при изготовлении слоистых гибридных панелей целесообразно использовать листы из сплава 1441 в состоянии Т11.

Ключевые слова: гибридная слоистая панель крыла; обшивка; алюминиево-литиевый сплав; СИАЛ.

The Effect of Additional Heatings on a Structure and Mechanical Properties of 1441 Al-Li Alloy Sheets Integrated in Laminated Hybrid Panels. V.V. Antipov, Ye.A. Lukina, O.G. Senatorova, N.Yu. Serebrennikova, S.V. Sbitneva.

The results of microstructure examination using transmission electron microscopy (TEM) and optical microscopy (OM) techniques, together with test results of mechanical

tensile properties of 1441 Al-Li alloy sheets integrated in laminated hybrid wing panels -ЙЙ-

are presented. The tests were carried out after exposure of the sheets to additional heatings. It is shown that the use of 1441 alloy sheets after two-step ageing at 170 °C for 30 h (T11 temper) for production of the hybrid laminated panels is expedient.

Key words: hybrid laminated wing panel; skin; Al-Li alloy, SIAL.

Введение

Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 6.2: Слоистые трещиностойкие, высокопрочные металлополимерные материалы («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 г.») [1].

Для обшивок панелей крыла самолета предложены слоистые гибридные композиционные материалы с использованием листов из А1-Ы-сплавов разной толщины: верхних монолитных листов толщиной 1,0-4,0 мм и тонких толщиной 0,35 мм в составе СИАЛа (рис. 1) [1-3].

Использование нового материала для изготовления верхних панелей крыла взамен высокопрочных сплавов 7075, 7475, 7055, В95пч, В95оч и В96Ц-3пч и нижних панелей

крыла взамен ресурсных сплавов 2324, 2524, Д16ч, 1163 приводит к уменьшению веса (на - 15 %) и повышению сопротивления скорости роста трещины усталости (в - 10 раз) в конструкции, повышению прочности (до 30%) (табл. 1) [4, 5].

Снижение веса конструкции достигается за счет применения в составе гибридного слоистого материала листов из А1-Ы-сплавов с пониженной плотностью (с! - 2,60 г/см3 для сплава 1441), а также за счет клеевых пре-

Монолитный А1—Li-лист

СИАЛ — Монолитный А1—Li-лист

>

Склеивающий препрег

Рис. 1. Слоистая гибридная обшивка панели крыла

-Ф-

МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ

Таблица 1 Характеристики материалов толщиной ~5,0 мм для обшивки крыла

Материал (толщина -5 мм) Временное сопротивление ств, МПа Модуль упругости Е, ГПа СРТУ Ш/бЫ, мм/кцикл (АК = 31 МПаТм ) Плотность ё, г/см3

Гибридный слоистый материал Монолитная плита(лист) из сплава 1163Т7 (2524Т39) Монолитная плита(лист) из сплава В95очТ2 700-800 > 450 > 510 69-70 70-71 70-72 0,2 2,0 (> 2,5) 2,3 2,45 2,78 2,85

прегов с низкой плотностью (ё- 2,0 г/см3 для клеевого препрега с ровингом и ё - 1,60 г/см3 для Во^Ргед - склеивающего препрега с тканью при повышенном содержании клеевого связующего) [6-8].

Слои стеклопластика на основе клеевых препрегов, армированных стекловолокном, входящие в структуру гибридного слоистого материала, значительно тормозят зарождение и развитие усталостных трещин в листах из алюминиево-литиевых сплавов [9-11].

Высокая прочность гибридной слоистой композиции определяется как суммарный эффект от прочности алюминиевых листов (особенно в поперечном направлении) и стеклянных волокон [12-17].

Многослойная обшивка из гибридных материалов на основе алюминиевых и металло-полимерных материалов изготавливается преимущественно автоклавным способом, предусматривающим дополнительные нагревы листов из сплава 1441Т11 [18]. Предварительно подготавливают поверхность алюми-ниево-литиевых листов, которая включает:

т, °е 180

160

140

120

100

80

60

40

20

0 50 100 150 200 250 300 330 350 400 450 500 550 580 600 650 700 750 800 850 900 950

X, мин

Рис. 2. Кинетика температурно-временного режима формования в автоклаве гибридных панелей

анодное окисление в хромовой кислоте и нанесение защитного адгезионного грунта на эпоксидной основе методом распыления с последующей сушкой. Далее методом симметричной ручной выкладки собирают пакет гибридной слоистой композиции из предварительно раскроенных Д1-Ы-листов и монослоев клеевых препрегов. Слоистые листовые заготовки фрагментов прототипа конструкции гибридной панели крыла формируют по определенному режиму с подъемом температуры до второй ступени старения при определенной выдержке (рис. 2) [19].

Материалы и методы

Методами просвечивающей электронной и оптической микроскопии проведены исследования фазового состава и структуры листов толщиной - 0,35 мм из сплава 1441, входящих в состав СИАЛа, термообработан-ных по режимам:

- исходное состояние Т11, поставки ОАО «КУМЗ»: закалка из селитры с охдаждением в холодной воде, правка в свежезакаленном состоянии с остаточной деформацией 1,5-2,0 % прогладкой и растяжением, плюс двухступенчатое искусственное старение Т11;

- исходное старение Т11 плюс дополнительные нагревы при автоклавном формовании в промышленных условиях ПАО «ВАСО» (при давлении 8 атм .);

- исходное старение Т11 плюс экспериментальные технологические нагревы в лабораторной печи ФГУП «ВИАМ» (175 ± 3 °С, 3 ч), без давления;

-Ф-

-Ф-

-Ф-

МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ

100 мкм

- перезакалка из воздушной печи плюс двухступенчатое искусственное старение Т11 в лабораторных условиях ФГУП «ВИАМ».

Исследования фазового состава и структуры листов проведены на просвечивающем микроскопе Tecnai F20 S-TWIN, оснащенном сканирующей системой, светлопольным и темнопольными детекторами электронов, и на оптических микроскопах Olympus GX 51 с программным обеспечением Olympus Stream Basic 1.8, и Neofhot 32.

Результаты

В оптических микроскопах структура всех листов из сплава 1441 в состоянии Т11 преимущественно рекристаллизованная при травлении разными реактивами (концентрированная HNO3 и реактив Келлера) (рис. 3), с довольно однородным зерном размером 0ср ~ 10-25 мкм.

При перезакалке (рис. 4) обычно зерно растет (ПИ 1.2. 699-2007, п.п. 3.2), что и произо-

'i....ч; -.и" -'V '

Шк t -v..

-г; У--:.; I,

mm

у.Щ

Ж

100 мкм

Ü

,,r.., V,

ig •

100 мкм

- j %!

^ßi. *

№ Si

км

б

Рис. 3. Микроструктура в продольном (а, в) и поперечном (б, г) направлениях неплакиро-ванного листа толщиной 0,35 мм из сплава 1441Т11 в оптическом микроскопе:

а, б - травление концентрированной NN63; в, г -травление раствором Келлера

Рис. 4. Микроструктура в продольном направлении неплакированного листа толщиной 0,35 мм из сплава 1441Т11 в оптическом микроскопе после перезакалки и искусственного старения по режиму Т11: а - травление концентрированной NN03; б - травление раствором Келлера

г

-Ф-

-Ф-

МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ

Рис. 5. Электронно-микроскопические изображения структуры листов из сплава 1441Т11:

а - зеренная структура; б - участки субзеренной структуры

шло в данном случае: зерно выросло в - 2 раза (с 10-25 до - 35-50 мкм) в поверхностной зоне на глубину 60-70 мкм, образуя крупнокристаллический ободок.

Методом просвечивающей электронной микроскопии помимо рекристаллизованных зерен, высокоугловые границы которых образуют равновесные стыки, обнаруживаются отдельные участки субзеренной (нерекрис-таллизованной) структуры (рис. 5).

Подтверждено, что распад твердого раствора в сплаве 1441 в состоянии Т11 приводит к образованию выделений основной упрочняющей 8'-фазы (А^Ы), характерной для большинства А!-Ы-сплавов - сферической, гомогенно распределенной в объеме зерен с высокой плотностью (рис. 6) [20]. По границам наблюдается узкая зона, свободная от выделений 8'-фазы, соизмеримая с размером самих выделений (10 нм и менее). На поздних стадиях старения наблюдается укрупнение и частичное рас -творение 8'-фазы.

Присутствуют также гомогенные и гетерогенные выделения второй упрочняющей в'-фазы (А^СиМд) в виде конгломератов из вытянутых реек различной кристаллографической ориентировки

Рис. 6. Электронно-микроскопическое темнопольное изображение выделений б'-фазы в листах из сплава 1441Т11

Рис. 7. Электронно-микроскопические

изображения структуры в листах из сплава 1441Т11: а, б - темнопольное изображение выделений в рефлексе Э'-фазы; в -светлопольное изображение

8 16 32

Длительность старения, ч

Рис. 8. ДФПС сплава 1441 [21]

64 128 256

а

в

-Ф-

-Ф-

"Ф

-Ф-

МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ

Рис. 9. Электронно-микроскопические изображения выделений на границе зерен в листах из сплава 1441Т11

как в объеме зерна, так и на дислокациях, в том числе и геликоидальных (рис. 7). С увеличением плотности выделений в'-фазы наблюдается повышение прочности и некоторое снижение пластичности (при температурном режиме выше 175 °С).

Анализ ДФПС сплава 1441 [21, 22] одновременно с механическими свойствами при растяжении показывает, что промышленный одноступенчатый режим Т1 соответствует температурно-временной области существования 8'- и в'-фаз (рис. 8).

По рентгеновским данным для температурной области старения выше 175 °С происходит выделение равновесных фаз (рис. 9): Т2(А!6Си(и,Мд)3), а также Т1(А12иСи). Данные фазы выделяются преимущественно на высокоугловых границах, вызывая снижение характеристик пластичности.

Механические свойства листов толщиной 0,35 мм из сплава 1441Т11 после технологических экспериментальных нагревов в условиях ФГУП «ВИАМ» по режимам, имитирующим автоклавное формование, приведены в табл. 2.

Таблица 2 Механические свойства листов толщиной 0,35 мм из сплава 1441Т11 после технологических экспериментальных нагревов

Режим Направление вырезки образцов ств, МПа ст0,2> МПа 85, %

Т11 Д П 421-428* 424** 440-443 441 338- 442 339 349-351 350 10, 0-15, 0 1 2, 0 14, 0-14, 5 1 4, 1

Т11 + +170±3°С, 3 ч Д П 4 18-442 421 443-447 445 337- 340 338 361-363 362 14, 0-15, 5 1 4, 6 12, 0-12, 5 1 2, 2

Т11 + +175±3°С, 3 ч Д П 4 17-424 420 444-447 446 339-443 341 357- 363 360 11,5-15, 0 1 3, 5 12, 0-14, 0 1 3, 2

Т11 + +180±3°С, 3 ч Д П 430-433 432 450-454 452 345-346 345 359-361 360 14, 0-14, 5 1 4, 2 12, 5-14, 0 1 3, 0

Лист 0,3-0,5 мм из сплава 1441Т11 (ТУ 1-804453-2008) Д П > 410 > 410 > 320 > 320 > 7,0 > 7,0

* В числителе приведены минимальные и максимальные значения, в знаменателе - среднее арифметическое из трех образцов. ** Среднее арифметическое значение характеристик рассчитывали следующим образом: например, для ств = 424 МПа = 421 + 433 + 428 МПа.

Ф-

Заключение

Подтверждено, что при изготовлении гибридных слоистых панелей наиболее оптимальным является использование листов из алюминиево-литиевого сплава 1441 в состояние Т11 (закалка плюс двухступенчатое старение). Исключается, прежде всего, влияние дополнительного нагрева при формова-

нии. Механические свойства после нагрева остаются на том же уровне (см. табл. 2).

Для холоднокатаных листов толщиной более 0,5 мм рекомендуется опробовать трехступенчатый режим старения в соответствии с ДФПС: Т1 °С, 5 ч + Т2 °С, 30 ч + Т3 °С, 24 ч (см. рис. 8). Представляется, что на первой сту-

-Ф

-Ф-

-Ф-

МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ

пени в объеме зерен листов из сплава 1441 формируется достаточно выделений 8'- и в'-фаз; задача второй ступени заключается в увеличении количества выделений в'-фазы

без пересечения высокотемпературной Т1 -фазы (А^иСи); на третьей ступени старения происходит дополнительный распад твердого раствора с выделением 8'-фазы.

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. DOI 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33.

2. Серебренникова Н.Ю., Антипов В.В., Сенато-рова О.Г., Ерасов В.С., Каширин В.В. Гибридные слоистые материалы на базе алюминий-литиевых сплавов применительно к панелям крыла самолета // Авиационные материалы и технологии. 2016. № 3. С. 3-8. DOI: 10.18577/2071-91402016-0-3-3-8.

3. Сенаторова О.Г., Антипов В.В., Лукина Н.Ф. и др. Слоистые металлополимерные композиционные материалы // Авиационные материалы и технологии. 2012. № Б.С. 226-230.

4. Фридляндер И.Н. Воспоминания о создании авиакосмической и атомной техники из алюминиевых сплавов. - М.: Наука, 2005. - 275 с.

5. Каблов Е.Н. Всероссийскому институту авиационных материалов - 80 лет // Деформация и разрушение материалов. 2012. № 6. С. 17-19.

6. Серебренникова Н.Ю., Антипов В.В., Сенаторова О.Г., Лукина Н.Ф., Шестов В.В. Использование клеевых препрегов в слоистых гибридных конструкциях на основе алюминий-литиевых сплавов и СИАЛа // Новости материаловедения. Наука и техника. 2016. № 3. С. 21 —30. materialsnews.ru

7. Каблов Е.Н. ВИАМ: Продолжение пути // Наука в России. 2012. № 11. С. 16-21.

8. Антипов В.В., Лавро Н.А., Сухоиваненко В.В., Сенаторова О.Г. Опыт применения Al-Li сплава 1441 и слоистого материала на его основе в гидросамолетах // Цветные металлы. 2013. № 8. С. 46-50.

9. Антипов В.В., Серебренникова Н.Ю., Сенато-рова О.Г., Морозова Л.В., Лукина Н.Ф., Нефедова Ю.Н. Гибридные слоистые материалы с низкой скоростью развития трещины усталости // Вестник машиностроения. 2016. № 12. С. 18—23.

10. Рat. 0256370 US. Laminate of metal sheets and polymer. Publ. 20.10.2011.

11. Plokker M., Daverschot D., Beumler T. Hybrid structure solution for the A400M wing attachment frames // 25th ICAF Symposium. Rotterdam. 2009. 27-29 May.

12. 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.

13. Шестов В.В., Антипов В.В., Сенаторова О.Г., Сидельников В.В. Конструкционные слоистые алюмостеклопластики 1441-СИАЛ // МиТОМ. 2013. № 9. С. 28-32.

14. Antipov V.V, Senatorova O.G., Beumber T., Lip-ma 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.

15. Fibre Metal Laminates / Ed. by Ad. Vlot, Yan. W. Gun-nik. Academic Publishers. 2001. Р. 527.

16. Орешко Е.И., Ерасов В.С., Подживотов Н.Ю., Луценко А.Н. Расчет на прочность гибридной панели крыла на базе листов и профилей из высокопрочного алюминий- литиевого сплава и слоистого алюмостеклопластика //Авиационные материалы и технологии. 2016. № 1. С. 53-61. DOI 10.18577/2071-9140-2016-0-1-53-61.

17. Антипов В.В., Орешко Е.И., Ерасов В.С., Серебренникова Н.Ю. Гибридные материалы для применения в условиях Севера // Механика композитных материалов. 2016. № 5. C. 1-18.

18. Каблов Е.Н., Антипов В.В., Сенаторова О.Г., Лукина Н.Ф. Новый класс слоистых алюмостек-лопластиков на основе алюминий-литиевого сплава 1441 с пониженной плотностью // Вестник МГТУ им Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». 2011. № SP2. С.174-184.

19. Фридляндер И.Н., Аниховская Л.И., Сенаторова О.Г. и др. Клееные металлические и слоистые композиты. Энциклопедия. Цветные металлы и сплавы. Композиционные металлические материалы Т. II-3 / Под ред. Фридляндера И.Н., Каб-лова Е.Н. - М.: Машиностроение, 2001. С. 814-832.

20. Фридляндер И.Н., Колобнев Н.И., СандлерВ.С. Алюминий-литиевые сплавы. Энциклопедия. Цветные металлы и сплавы. Композиционные металлические материалы. Т. II-3 / Под ред. Фридляндера И.Н., Каблова Е.Н. - М.: Машиностроение, 2001. С.156-185.

21. Лукина Е.А., Алексеев А.А., Антипов В.В., Зайцев Д.В., Клочкова Ю.Ю. Применение диаграмм фазовых превращений при старении для оптимизации режимов старения в Al-Li сплавах В-1469, 1441 // Металлы. 2009. № 6. С. 60-67.

22. Лукина Е.А. Фазовые превращения в Al-Li сплавах при старении и в процессе длительных низкотемпературных нагревов: автореф. дис. канд. техн. наук. - М.: ВИАМ, 2011. - 23 с.