Титанополимерные слоистые материалы

УДК 669.018.95

А.Л. Яковлев1, Н.А. Ночовная1, С.В. Путырский1, В.А. Крохина2 ТИТАНОПОЛИМЕРНЫЕ СЛОИСТЫЕ МАТЕРИАЛЫ DOI: 10.18577/2071-9140-2016-0-S2-56-62

Рассмотрен новый класс слоистых композиционных материалов - титанополимерные материалы. Представлены результаты текущих разработок, актуальные вопросы и перспективы применения. За рубежом ведется активная разработка титанополимерных слоистых материалов и имеются определенные успехи в этой области. Отечественных аналогов такого рода материалов в настоящее время не существует, что подтверждает актуальность проблемы и необходимость ведения активных исследований и разработок в данном направлении.

Работа выполнена в рамках реализации комплексной научной проблемы 6.2. «Слоистые трещино-стойкие, высокопрочные металлополимерные материалы» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [1].

Ключевые слова: композиционный материал, титан, титанополимерный материал, формование, подготовка поверхности.

The article describes a new class of layered composite materials - titanium-polymer materials. The results of current developments, actual issues and application prospects are presented. Active development of the titanium-polymer hybrid laminates is carried out abroad and has some success in this area. Domestic analogues of such materials does not exist currently that confirms the importance of the problem and the need to conduct active research and development in this direction.

The work is performed within the framework of complex scientific direction 6.2. «Layered crack resistant, high strength metal-polymer materials» («The strategic directions of development of materials and technologies for processing them for the period till 2030») [1].

Keywords: composite material, titanium, titanium-polymer hybrid laminate, moulding, surface treatment.

"'Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal state unitary enterprise «All-Russian scientific research institute of aviation materials» State research center of the Russian Federation]; e-mail: admin@viam.ru

2Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана [Bauman Moscow State Technical University]; e-mail: bauman@bmstu.ru

Введение

Совершенствование аэродинамических характеристик планера летательных аппаратов и обеспечение весовой эффективности во многом решается благодаря применению перспективных композиционных материалов. Они становятся одними из основных конструкционных материалов в современном авиастроении, поэтому создание материалов нового поколения, обладающих высокой прочностью, в том числе удельной, является одной из наиболее актуальных задач [2, 3].

Широко известны металлополимерные композиционные слоистые материалы, состоящие из слоев алюминиевого сплава и полимерных композитов на основе стеклянных и арамидных волокон. Эти материалы имеют повышенные механические свойства по сравнению с листами алюминиевого сплава, а также обладают высокой трещиностойкостью при усталостном разрушении. За рубежом наиболее часто

используются слоистые металлополимерные композиционные материалы «алюминий-стеклопластик» под маркой GLARE, в Российской Федерации их аналогом являются материалы, выпускаемые под маркой СИАЛ. В настоящее время за рубежом такие материалы применяются в конструкции самолетов гражданской авиации, в частности в конструкции самолетов фирмы Airbus (A-380, A-350). Слоистый материал СИАЛ содержит слои алюминиевого сплава и стеклопластика, армированного стеклянными волокнами. Главным преимуществом материалов СИАЛ и GLARE является низкая скорость развития и распространения трещин [4, 5]. Другим возможным вариантом композиции металлополимерных материалов является сочетание листов титановых сплавов и препрегов углепластиков, обладающее кроме всего прочего высоким модулем упругости (95-115 ГПа).

Коррозионные испытания и исследование

электрохимических свойств металлических материалов в контакте с углепластиком показали, что наиболее уязвимы в таких сборочных единицах магниевые и алюминиевые сплавы, а также оцинкованные и кадмированные стали. Наиболее устойчивыми к коррозии в контакте с углепластиком считаются титановые сплавы.

Разработка титанополимерного слоистого материала предполагает решение целого комплекса проблем: получение тонких листов из титановых сплавов, разработка технологии подготовки поверхности титановых сплавов для обеспечения адгезионной прочности соединений титана с углепластиком, получение препрегов углепластиков на основе различных связующих, разработка технологии формования титанополимерного слоистого материала, выбор оптимальных методов резки и механической обработки титанополимер-ных материалов.

За рубежом ведется активная разработка тита-нополимерных слоистых материалов и имеются определенные успехи в этой области. Отечественных аналогов такого рода материалов в настоящее время не существует, что подтверждает актуальность проблемы и необходимость ведения активных исследований и разработок в данном направлении [6-8].

Материалы и методы

В качестве материалов для исследований использовали листы толщиной 0,5 мм из титановых сплавов ВТ20 и ВТ23М, препреги углепластиков с теплостойкостью 150, 175 и 200°С, титанополи-мерные слоистые материалы на основе вышеуказанных составляющих.

Проведены следующие виды испытаний (при температуре 20°С):

- на растяжение образцов из листов титановых сплавов на испытательной машине Zwick/Roell Ъ 400 (по ГОСТ 1497-84);

- на растяжение препрегов углепластиков и титанополимерных материалов на испытательной машине LFM-250 со скоростью испытания 10 мм/мин (по ГОСТ 25.601-80);

- на статическое сжатие препрегов углепластиков и титанополимерных материалов на испыта-

тельной машине Тиратест-2300 со скоростью испытания 5 мм/мин (по ГОСТ 25.601-80) и на испытательной машине Тиратест-2200 (по ГОСТ 25.602-80);

- на сдвиг соединений титан-углепластик на универсальной испытательной машине УТС-110М-501-У (по ГОСТ 14759-69);

- на МЦУ титанополимерных материалов на испытательной машине Walter+bai LFV-100 (по ГОСТ 25.506-85);

- титанополимерных материалов на общую коррозионную стойкость в течение 3 мес в камере солевого тумана SC-1000 (по ГОСТ 9.308-85).

Измерение плотности образцов из листов титановых сплавов и титанополимерных материалов проводили методом гидростатического взвешивания на электронных весах GR-200 по ГОСТ 20018-74.

Результаты

С целью выбора титанового сплава для его использования в качестве металлической прослойки в титанополимерных материалах проведен анализ данных по эксплуатационным характеристикам (св, d, 5) листовых полуфабрикатов из высокопрочных титановых сплавов разного уровня прочности (табл. 1). Приведенные данные получены на листах в отожженном состоянии с последующей прогладкой и правкой [9-11].

По результатам проведенного анализа для дальнейшего исследования и разработки титано-полимерных материалов выбраны сплавы различных классов - ВТ20 (псевдо-а) и ВТ23М (а+Р) [12]. Для изготовления титанополимерных материалов необходимы листы толщиной не более 0,5 мм. С этой целью разработаны технологии получения тонких листов толщиной 0,5 мм из титановых сплавов ВТ20 и ВТ23М [13, 14]. На основании разработанных технологий получены листовые полуфабрикаты в промышленных условиях ПАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА». Уровень свойств полученных листов представлен в табл. 2.

Титанополимерные слоистые материалы имеют высокие прочностные характеристики и работоспособны в широком диапазоне температур -от -60 до не менее +150°С [15]. В связи с этим для применения в титанополимерных материалах

Таблица 1

Характеристики листов из титановых сплавов

Сплав Толщина листов, мм ав, МПа 5, % d, г/см3

ОТ4-1 0,3-0,7 590-785 25 4,55

ОТ4 0,5-1,0 685-885 20 4,55

ВТ5-1 0,8-1,2 735-930 15 4,42

ВТ14 0,8-5,0 885-1050 8 4,52

ВТ6 1,0-10,5 885-1080 8 4,43

ВТ20 0,8-1,8 930-1130 12 4,45

0,8-4,0 980-1180 9

ВТ23 (ВТ23М) 0,5-1,8 1000-1200 6-8 4,57

Таблица 2

Результаты испытаний образцов из листов титановых сплавов ВТ20 и ВТ23М

Сплав Предел прочности при растяжении, МПа Модуль упругости при растяжении, ГПа Плотность, г/см3 Удельная прочность, км

ВТ20 1050 119,4 4,423 23

ВТ23М 1086 110,2 4,523 24

Таблица 3

Механические свойства углепластиков

Углепластики с теплостойкостью, °С Предел прочности при растяжении, МПа Модуль упругости при растяжении, ГПа Предел прочности при сжатии, МПа

150 1850 125 915

175 1870 130 935

200 1900 140 1110

выбраны препреги углепластиков с теплостойкостью 150, 175 (на основе клеевых связующих) и 200°С (на основе расплавного связующего), а также разработаны технологии изготовления препре-гов и углепластиков на их основе [16-19]. Механические свойства полученных углепластиков представлены в табл. 3.

Для определения вариантов подготовки поверхности титановых сплавов ВТ20 и ВТ23М для обеспечения требуемой адгезионной прочности листов из титановых сплавов с препрегами углепластиков с теплостойкостью 150, 175 и 200°С исследованы различные составы растворов, режимы химической и электрохимической обработок. По результатам проведенных исследований выбраны растворы, обеспечивающие высокую адгезионную прочность соединений титана с углепластиком (хв>14 МПа), в том числе после воздействия повышенной влажности (ф=98%, 1 мес).

Для изготовления титанополимерного слоистого материала выбраны следующие варианты комбинации слоев «титан-углепластик» (рис. 1):

- листы титанового сплава толщиной 0,5 мм каждый;

- слой углепластика из двух препрегов толщиной 0,2 мм каждый.

Исследованные составы титанополимерных материалов представлены в табл. 4.

В зависимости от применяемого оборудования, физико-химических свойств связующих, используемых в препрегах углепластиков, а также от режимов формования препрегов углепластиков выбраны технологические параметры формования (температурные режимы, время подачи и величина давления), в соответствии с которыми изготовлены слоистые титанополимерные материалы (рис. 2) [20].

В процессе изготовления заготовок и образцов из титанополимерных материалов методом рубки на гильотинных ножницах (традиционная технология получения заготовок из титановых листов) на части материала происходило расслоение

(рис. 3). Для предотвращения расслоения опробованы различные способы изготовления заготовок и образцов из титанополимерных материалов. Установлено, что наиболее оптимальной технологической схемой изготовления образцов, при которой практически отсутствует расслаивание, является вырезка предварительных заготовок из листов титанополимерных материалов на гидроабразивном станке с последующей доводкой до готовых образцов на токарных, фрезерных или других станках с регулируемой подачей. Данным методом изготовили образцы из титанополимер-ных материалов для испытаний механических свойств, а также постановки в камеры солевого тумана и тропического климата для исследования влияния на них климатических факторов. Однако работы по отработке технологий изготовления заготовок и образцов из слоистых титанополимерных материалов необходимо продолжать, в том числе с целью промышленного применения и выпуска соответствующей нормативной документации.

Структура титанополимерного слоистого материала представлена на рис. 4.

Результаты испытаний образцов из титанопо-лимерных материалов, изготовленных методом автоклавного формования, на определение плотности и механических свойств представлены в табл. 5, пример разрушенного при растяжении образца - на рис. 5.

Установлено, что титанополимерные материалы обладают высоким уровнем механических свойств и превосходят по показателям предела прочности (более чем на 15%) и удельной прочности (более чем на 50%) титановые сплавы.

Проведены предварительные испытания тита-нополимерных слоистых материалов на определение скорости роста трещины усталости (СРТУ) и малоцикловой усталости (МЦУ). Однако для получения полноценных результатов и возможности их анализа необходима разработка специальных методик испытаний титанополимерных слоистых материалов [21, 22].

Рис. 1. Схема титанополимерного материала: 1 - листы титанового сплава; 2 - слои углепластика

Таблица 4

Составы титанополимерных материалов

Условный номер образца Титановый сплав Препреги углепластиков с теплостойкостью, °С

1 150

2 ВТ23М 175

3 200

4 5 6 ВТ20 150 175 200

Рис. 2. Титанополимерные материалы: а - сплав ВТ23М с электрохимической подготовкой поверхности+препрег углепластика с теплостойкостью 200°С

Рис. 3. Расслоение титанополимерных материалов при изготовлении заготовок и образцов рубкой на гильотинных ножницах

Таблица 5

Плотность и механические свойства титанополимерных материалов

Условный номер образца

1 1248 98,5 1118 3,526 35,4

2 1368 107 1205 3,522 38,8

3 1276 104 860 3,258 39,2

4 1261 100,5 1011 3,457 36,5

5 1276 106,5 1096 3,484 36,6

6 1202 102 813 3,186 37,7

Лист из сплава ВТ20 1050 111,9 - 4,423 23

Рис. 5. Разрушенный образец титанополимерного слоистого материала при испытаниях на растяжение

Таблица 6

Механические свойства образцов из титанополимерных материалов после экспозиции в камерах солевого тумана и тропического климата

Условный номер образца Климатический фактор Предел прочности при растяжении, МПа Модуль упругости при растяжении, ГПа

Сплав ВТ23М+препреги углепластика с теплостойкостью 200°С

1 Исходное состояние 1276 104

2 Камера солевого тумана 1250 93

3 Тропическая камера 1260 98

Сплав ВТ20+препреги углепластика с теплостойкостью 200°С

4 Исходное состояние 1202 102

5 Камера солевого тумана 1210 93

6 Тропическая камера 1235 95

Сплав ВТ23М+препреги углепластика с теплостойкостью 150°С

7 Исходное состояние 1248 98,5

8 Камера солевого тумана 1260 97

9 Тропическая камера 1257 105

Сплав ВТ20+препреги углепластика с теплостойкостью 150°С

10 Исходное состояние 1261 100,5

11 Камера солевого тумана 1210 96

12 Тропическая камера 1177 89

Сплав ВТ23М+препреги углепластика с теплостойкостью 175°С

13 Исходное состояние 1368 107

14 Камера солевого тумана 1463 110

15 Тропическая камера 1447 108

Сплав ВТ20+препреги углепластика с теплостойкостью 175°С

16 Исходное состояние 1276 106,5

17 Камера солевого тумана 1400 105

18 Тропическая камера 1357 104

Проведены исследования влияния климатических факторов (камеры солевого тумана и тропического климата - в течение 3 мес в каждой) на слоистые титанополимерные материалы экспериментальных составов. Оптико-визуальные исследования, проводимые с применением стереоскопического микроскопа МБС-9, не выявили коррозионных повреждений и расслоений на образцах в течение всего периода экспозиции.

По окончании экспозиции образцов титанополи-мерных материалов в камерах солевого тумана и тропического климата, образцы испытали на растяжение. Результаты испытаний представлены в табл. 6.

Установлено, что климатические факторы могут оказывать влияние на модуль упругости при растяжении отдельных вариантов экспериментальных составов титанополимерных материалов (сплав ВТ23М+препреги углепластика с теплостойкостью 200°С, сплав ВТ20+препреги углепластика с теплостойкостью 200 и 150°С), в этих случаях снижение уровня модуля упругости составляет <11%. Не выявлено разницы между влиянием камер солевого тумана и тропического климата на свойства титанополимерных материалов [23].

Установлено, что наилучшее сочетание механических свойств, в том числе с учетом влияния климатических факторов, получено на титанопо-лимерном материале на основе листов титанового сплава ВТ23М и препрегов углепластика с теплостойкостью 175°С.

Разработанные экспериментальные составы титанополимерных материалов могут работать вплоть до температуры 200°С.

Следует отметить, что представленные в данной статье материалы являются результатом только начального этапа разработки титанополимер-ных материалов. Требуется отработка множества научных и технических вопросов [24]:

- опробование различных компоновок и укладок слоев;

- исследование влияния различных методов механической обработки на прочность соединений «титан-углепластик»;

- отработка технологий формования и формообразования;

- разработка методик неразрушающего контроля титанополимерных слоистых материалов;

- отработка технологий резки и механической обработки титанополимерных материалов;

- разработка методик испытаний титанополи-мерных материалов;

- разработка методов соединения элементов из титанополимерных материалов с деталями из других материалов;

- разработка методов защиты кромок элементов и деталей из титанополимерных материалов от воздействия климатических факторов.

Заключения

Титанополимерные слоистые материалы являются одним из наиболее перспективных направлений развития металлополимерных материалов. За рубежом ведется активная разработка титанополимерных слоистых материалов и имеются определенные успехи в этой области. Отечественных аналогов такого рода материалов в настоящее время не существует, что подтверждает актуальность проблемы и необходимость ведения активных исследований и разработок в данном направлении.

Уже на начальном этапе разработки титанопо-лимерных слоистых материалов получены результаты, показывающие, что данные материалы обладают высоким уровнем механических свойств и превосходят по показателям предела прочности и удельной прочности титановые сплавы и, кроме того, имеются перспективы для повышения указанных характеристик.

Титанополимерные слоистые материалы перспективны для применения в элементах крыла, фюзеляжа и оперения в конструкциях перспективных самолетов, однако требуется еще большой объем работ в этом направлении для внедрения конструкций из титанополимерных материалов в конечные изделия.

Авторы выражают благодарность за помощь в проведении работы И.Н. Гуляеву, И.А. Хрулько-ву, Н.Ф. Лукиной, О.В. Шуклиной, С.В. Сибилевой, Л.В. Захаровой, Л.С. Козловой.

1. Каблов Е.Н. Инновационные разработки «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. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7-17.

3. Каблов Е.Н. Шестой технологический уклад // Наука и жизнь. 2010. №4. С. 2-7.

В.В., Сенаторова О.Г., Лукина Н.Ф., Сидельников В.В., Шестов В.В. Слоистые металлополимерные композиционные материалы // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 226-230.

5. Каблов Е.Н., Антипов В.В., Сенаторова О.Г., Лукина Н.Ф. Новый класс слоистых алюмостеклопластиков на основе алюминий-литиевого сплава 1441 с пониженной плотностью // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер.: Машиностроение. 2011. №SP2. С. 174-183.

6. Каблов Е.Н. Материалы и химические технологии

ЛИТЕРАТУРА ФГУП 4. Антипов

для авиационной техники // Вестник Российской академии наук. 2012. Т. 82. №6. С. 520-530.

7. Арисланов А.А., Гончарова Л.Ю., Ночовная Н.А., Гончаров В.А. Перспективы использования титановых сплавов в слоистых композиционных материалах // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2015. №10. Ст. 04. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 25.04.2016). DOI: 10.18577/23076046-2015-0-10-4-4.

8. Каблов Е.Н. Авиационное материаловедение: итоги и перспективы // Вестник Российской академии наук. 2002. Т. 72. № 1. С. 3-12.

9. Ночовная Н.А., Панин П.В., Алексеев Е.Б., Боков К.А. Экономнолегированные титановые сплавы для слоистых металлополимерных композиционных материалов // Труды ВИАМ: электрон. науч. -технич. журн. 2014. №11. Ст. 02. URL: http:// www.viam-works.ru (дата обращения: 25.04.2016). DOI: 10.18577/2307-6046-2014-0-11-2-2.

10. Яковлев А.Л., Ночовная Н.А. Влияние термической обработки на свойства листов из высокопрочного титанового сплава ВТ23М // Авиационные материалы и технологии. 2013. №4. С. 8-13.

11. Хорев А.И. Титановый сплав ВТ23 и его сравнение с лучшими зарубежными сплавами // Титан. 2006. №1 (18). С. 47-52.

12. Хорев А.И., Белов С.П., Глазунов С.Г. Металловедение титана и его сплавов. М.: Металлургия, 1992. 352 с.

13. Яковлев А.Л., Ночовная Н.А., Алексеев Е.Б. Отечественные жаропрочные листовые титановые сплавы // Технология легких сплавов. 2014. №4. С. 47-51.

14. Яковлев А.Л., Ночовная Н.А., Филатов А.А., Бурха-нова А.А., Попова Ю.А. Эффективность применения титанового сплава ВТ23 в новых изделиях «ОКБ Сухого» // Титан. 2013. №2 (40). C. 39-42.

15. Тарасов Ю.М., Антипов В.В. Новые материалы ВИАМ - для перспективной авиационной техники производства ОАО «ОАК» // Авиационные материалы и технологии. 2012. №2. С. 5-6.

16. Соколов И.И., Раскутин А.Е. Углепластики и стеклопластики нового поколения // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2013. №4. Ст. 09.

URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 29.03.2016).

17. Дементьева Л.А., Сереженков А.А., Лукина Н.Ф., Куцевич К.Е. Клеевые препреги и слоистые материалы на их основе // Авиационные материалы и технологии. 2013. №2. С. 19-21.

18. Мухаметов Р.Р., Ахмадиева К.Р., Ким М.А., Бабин А.Н. Расплавные связующие для перспективных методов изготовления ПКМ нового поколения // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 260-265.

19. Лукина Н.Ф., Дементьева Л.А., Сереженков А.А. и др. Клеевые препреги и композиционные материалы на их основе // Российский химический журнал. 2010. Т. LIV. №1. С. 53-56.

20. Душин М.И., Хрульков А.В., Мухаметов Р.Р. Выбор технологических параметров автоклавного формования деталей из полимерных композиционных материалов // Авиационные материалы и технологии. 2011. №3. С. 20-26.

21. Путырский С.В., Плохих А.И., Яковлев А.Л. Исследование структуры и свойств многослойных материалов на основе титановых сплавов // Проблемы производства слитков и полуфабрикатов из сложнолегированных и интерметаллидных титановых сплавов: сб. докл. науч. конф. М.: ВИАМ, 2015. С. 9.

22. Ерасов В.С., Гриневич А.В., Сеник В.Я., Коновалов В.В., Трунин Ю.П., Нестеренко Г.И. Расчетные значения характеристик прочности авиационных материалов // Авиационные материалы и технологии. 2012. №2. С. 14-16.

23. Кириллов В.Н., Ефимов В.А., Шведкова А.К., Николаев Е.В. Исследование влияния климатических факторов и механического нагружения на структуру и механические свойства ПКМ // Авиационные материалы и технологии. 2011. №4. С. 41-45.

24. Хорев А.И. Фундаментальные и прикладные работы по конструкционным титановым сплавам и перспективные направления их развития // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2013. №2. Ст. 04. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 24.01.2016).