Анализ особенностей эксплуатации сотовых конструкций с алюминиевым заполнителем

УДК 620.1

АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ СОТОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ С АЛЮМИНИЕВЫМ ЗАПОЛНИТЕЛЕМ

В.А. ПИВОВАРОВ, А.В. САННИКОВ

Выполнен анализ влияния влаги на металлический заполнитель сотовых конструкций, выявлены недостатки в существующей системе контроля и оценки технического состояния сотовых конструкций, предложены пути решения задач достоверного контроля.

Ключевые слова: коррозия, сотовые конструкции, алюминиевые сплавы.

Стремление уменьшить вес воздушного судна привело к широкому распространению сотовых конструкций в авиации. Появившись на воздушных судах в конце 70-х годов в виде панелей для обшивки носовой и хвостовой частей крыла, металлические сотовые конструкции впоследствии стали использоваться для изготовления спойлеров, тормозных щитков, основных звеньев закрылков, хвостовых частей киля и стабилизатора, рулей высоты и направления. Уже к началу 90-х на самолетах семейства Ил-96 и Ту-204 на долю сотовых конструкций из полимерных материалов приходилось до 30% площади фюзеляжа и крыла.

Как известно, сотовые конструкции (СК) представляют собой две листовые обшивки, между которыми помещают сотовый заполнитель, придающий конструкции устойчивость при нагружении. Слой клея между обшивками и сотовым заполнителем одновременно выполняет функцию соединительного и демпфирующего элемента, а также защищает обшивки от коррозии.

В зависимости от назначения, рабочей температуры и условий нагружения сотовой конструкции используют заполнители из различных металлических и неметаллических материалов с ячейками различных форм и размеров. Металлические сотовые заполнители изготавливают из алюминиевой фольги, титановых сплавов, нержавеющей стали. Для эксплуатации при температурах до 140° С используются сотовые заполнители из алюминиевых сплавов. В частности, в конструкции воздушных судов Ил-96 и Ту-204 используются соты из алюминиевого сплава Д16.

Активное применение сотовых конструкций позволяет существенно снизить массу воздушного судна без потерь по характеристикам прочности, но при этом накладывает особые требования к эксплуатации, в связи с чувствительностью сотовых конструкций к сосредоточенным нагрузкам. К основным видам дефектов, возникающих при эксплуатации, относятся: царапины, вмятины, проколы, пробои, нарушение сплошности соединения обшивки с деталями каркаса и сотовым заполнителем. Для своевременного обнаружения этих дефектов и восстановления СК в процессе эксплуатации специалистами ОАО «Туполев» и других организаций (ГосНИИ ГА, ВИАМ, НИАТ) были разработаны специальные методики, которые в настоящее время успешно применяются [1].

Опасными считаются дефекты, вызывающие разгерметизацию СК, что в условиях эксплуатации приводит к попаданию влаги внутрь конструкции. Вода в сотах - крайне нежелательное явление: превращаясь в лед при низких температурах, она может служить причиной отслоения обшивки от сотового заполнителя или разрушения самих сот. Кроме того, влага увеличивает вес конструкции, а в случае, если обшивки или сотовый заполнитель сделаны из металлических материалов, является причиной возникновения коррозии внутренних полостей.

Как было отмечено выше, в качестве материала для изготовления сот в авиастроении используются алюминиевые сплавы. Алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах благодаря склонности к пассивированию. Под пассивностью металлов понимается состояние относительно высокой коррозионной стойкости, вызванное торможением анодного процесса электрохимической коррозии [2]. Даже на воздухе при комнатной

температуре в течение 10-4 с на поверхности алюминия и его сплавов образуется пленка, предотвращающая дальнейшее разрушение металла [3]. Эта пленка, состоящая из А1203 или Л1203-Н20, в зависимости от условий эксплуатации может быть толщиной от 5 до 100 нм, обладает хорошим сцеплением с металлом и удовлетворяет требованию сплошности. Окись алюминия образуется при рН=3...9 [4]. Коррозионную стойкость алюминиевых сплавов определяет чувствительность к различным видам локальной или избирательной коррозии в пассивной области. Местное нарушение пассивного состояния в условиях, при которых его восстановление затруднено, может привести к быстрому разрушению конструкции.

Коррозия алюминиевых сплавов в атмосферных условиях и пресной воде развивается локально в виде отдельных поражений (питтингов), число и размер которых увеличивается при контакте с водой. Однажды образовавшись, питтинг распространяется из-за того, что раствор внутри питтинга становится кислым и окись алюминия не способна образовать защитную пленку непосредственно на металле. В условиях, когда ионы алюминия мигрируют из областей с низким рН, возникающая окись алюминия образует мембрану, еще более изолирующую эти области и тем самым усиливающую кислотность, в результате чего и развивается питтинг. Пути коррозии в таком питтинге, как правило, ориентированы по определенным структурным составляющим - границам зерен. Однажды возникший на поверхности питтинг может продолжать расти в растворах, которые сами по себе не способны вызвать коррозию [5].

При ремонте повреждений сотовых конструкций, вызывающих негерметичность агрегатов (проколы, пробоины, трещины), первым делом проверяется наличие влаги в агрегате. При наличии влаги ее удаляют, сотовый агрегат просушивают. Для удаления влаги из агрегата могут применяться вакуумные мешки, рефлекторные термоизлучатели, панели с лампами накаливания (рис. 1).

Рис. 1. Удаление влаги из сот

После удаления влаги производят ремонт обшивки: поверхность зачищают шлифовальными шкурками, поверх дефекта (царапины, прокола) устанавливают компенсирующую заплату. При этом не учитываются структурные изменения в сотах, вызванные коррозией. Сочетание различных типов нагружения и изменения характера коррозионного воздействия на стоянках и в полете, а также эксплуатация воздушных судов в разных климатических зонах затрудняет оценку и прогнозирование развития коррозионных поражений.

Питтинговая коррозия применительно к алюминиевым сплавам имеет свойство замедляться по мере своего развития. Однако изменение потерь механических свойств и потерь массы не подчиняется этой закономерности, поскольку они складываются из различных показателей, связанных не только с размером, но и с количеством питтингов, а также с количеством вновь образующихся питтингов. Соответственно изменение потерь механических свойств, связанное с процессом коррозии, происходит с меньшим торможением или даже без него. Более того, потери механических свойств в результате коррозионного воздействия среды существенно зависят от толщины изделия, особенно велики они на образцах толщиной менее 1,0 мм, которые и используются при изготовлении сотового заполнителя.

Таким образом, развитие коррозионных поражений алюминиевого сотового заполнителя, вызванных воздействием влаги при разгерметизации конструкции, не поддается прогнозированию и может служить причиной его разрушения и, как следствие, разрушения всего агрегата или его выхода из строя. Поэтому необходимо предложить методику диагностирования коррозионных разрушений сотовых конструкций в процессе технического обслуживания воздушных судов и, в частности, рассмотреть возможность применения для этих целей отечественных дефектоскопов ИД-91М, УДЗ-103 «Пеленг» и «ДАМИ-С», обладающих повышенной чувствительностью, прошедших межведомственные испытания и включенных в отраслевой реестр средств контроля, в настоящее время активно использующихся в гражданской авиации.

ЛИТЕРАТУРА

1. Методические рекомендации по акустическому импедансному контролю авиационных конструкций из металлических и полимерных композиционных материалов (ПКМ): утв. НЦ ПЛГВС ГосНИИ ГА и ОАО "Туполев" и согл. с ОАО им. С.В. Ильюшина, ОАО "ОКБ им. А.С. Яковлева" и АНТК "Антонов", 2003.

2. Жук Н.П. Курс теории коррозии и защиты металлов. - М.: ООО ТИД «Альянс», 2006.

3. Синявский В.С., Вальков В.Д., Калинин В.Д. Коррозия и защита алюминиевых сплавов. - М. : Металлургия,

1986.

4. Сокол И.Я., Ульянин Е.А. и др. Структура и коррозия металлов и сплавов. - М.: Металлургия, 1989.

5. Шраер Л. Л. Коррозия: справочник. - М.: Металлургия, 1981.

THE ANALYSIS OF ALUMINUM HONEYCOMB CORE OPERATION FEATURES

Pivovarov V.A., Sannikov A.V.

Water influence on metal honeycomb core of sandwich structure panel is analyzed. Limitations of sandwich structure panel control are detected.

Key words: corrosion, sandwich structure, honeycomb core, aluminum.

Сведения об авторах

Пивоваров Владимир Андреевич, 1945 г.р., окончил МАТИ (1968), доктор технических наук, профессор кафедры технической эксплуатации летательных аппаратов и авиадвигателей МГТУ ГА, автор более 200 научных работ, область научных интересов - эксплуатация двигателей летательных аппаратов и диагностика авиационной техники.

Санников Алексей Валериевич, 1988 г.р., окончил МГТУ ГА (2010), аспирант кафедры технической эксплуатации летательных аппаратов и авиационных двигателей МГТУ ГА, область научных интересов - диагностика и неразрушающий контроль авиационной техники.