Особенности формования крупногабаритных листов металлополимерных км, их структура и свойства

На основании вышеописанного метода разработана и изготовлена опытно-промышленная компьютерная установка ИСС 1003М (см. рисунок), являющаяся современным модернизированным вариантом известной установки ИСС 1003.

Установка осуществляет измерение степени ослабления низкоэнергетического рентгеновского излучения контролируемым веществом в двух измерительных каналах, располагаемых соответственно до (канал 1) и после пропитки (канал 2) контролируемого материала, вычисление массового процентного содержания связующего по формуле (1) и вывод измеряемого значения в цифровой и графической форме на дисплей персонального компьютера. Она может работать совместно с внешним управляющим устройством в системах активного контроля процесса пропитки.

Установка предназначена для непрерывного неразрушающего контроля бесконтактным способом массового процентного содержания связующего в угле-, органо- и стеклотканях, а также в бумажных лентах в процессе их пропитки на пропиточных машинах. Она может быть использована также для измерения изменений поверхностной массы тканей, бумаг, древесных плит и т. п. в процессе их производства.

Отличительной особенностью установки ИСС 1003М является использование радиоканала, что позволило отказаться от длинных соединительных высоковольтных кабелей и существенно повысило уровень надежности и пожаробезопасности установки.

Установка ИСС 1003М хорошо зарекомендовала себя в производственных условиях. Как показало практическое использование, среднеквадратическая погрешность измерения массового процентного содержания связующего составила не более ±1% в диапазоне от 0 до 75%, что позволило рекомендовать установку ИСС 1003М в качестве средства контроля процессов пропитки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Shen Yi, Wang Yan, Liu Zhiyan, Zhang Jian Qiu. Instrumentation and Measurement Technology Conference, 1998. IMTC/98. Conference Proceedings. IEEE, Issue, 18-21 May. 1998. V. 2. Р. 1071-1073.

2. Huang YD., Sun Y.F., Liu L. //Materials Science and Technology. 2003. V. 19. №6. Р. 815-818(4).

3. Никитин К.Е. //Заводская лаборатория. 1993. №3. С. 31-34.

В. И. Постное, О. Г. Сенаторова, С.А. Каримова, Т.Г. Павловская, Г.Ф. Железина, И.А. Казаков, П.А. Абрамов, М.В. Постнова, О.Е. Котов

ОСОБЕННОСТИ ФОРМОВАНИЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ЛИСТОВ МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫХ КМ, ИХ СТРУКТУРА И СВОЙСТВА

Изучены особенности формования крупногабаритных листов МПКМ, включая подготовку поверхности листов алюминиевых сплавов, режимы формования в автоклавах, структурные изменения на границах раздела металла и КМ, распределение остаточных напряжений и приемы их изменения в процессе формования и после формования, а также влияние на механические свойства и усталостную долговечность. Проведены испытания коррозионной стойкости листов и склонности к растрескиванию пленок сернокислотного и хромовокислотного анодирования при деформировании.

Ключевые слова: металлополимерные композиционные материалы, формовании крупногабаритных листов.

Наиболее широкое применение МПКМ - АЛОРов и СИАЛов - планируется в обшивочных конструкциях фюзеляжа и крыла ЛА. Поэтому габариты листов (ЬхЕ) должны быть в пределах (3,0-7,0)х(1,2-1,5) м, а толщина й=1-2 мм. Использование тонких составных слоев МПКМ с большими габаритами требует в серийном производстве особых подходов. На стадии подготовки алюминиевых слоев (транспортировка, обезжиривание, анодирование) возникают дефекты в виде местных «заломов», царапин, загибов, которые не устраняются в процессе формования листов МПКМ и могут повлиять на их механические характеристики.

Для исключения «заломов» (местных выступов и впадин поверхности), особенно вероятных при транспортировке листов, поступающих с металлургических предприятий, габаритами 1,2x3,0 и 1,5x5,0 м применяется скатывание отдельного листа из плосколежащей стопы в рулон.

В процессе сборки пакетов слоев и их транспортировки в автоклав также возможны смещения слоев друг относительно друга и искривление армирующих волокон по поверхности, что также ведет к снижению свойств материала. Использование специальных прижимов на формующей поверхности оснастки позволяет устранить данные дефекты в листах МПКМ и производить одновременное ваккум-автоклавное формование до десяти листов, что резко снижает материальные и энергетические затраты на единицу выпускаемой продукции.

Перед склейкой материала АЛОР Д16/41 алюминиевые листы Д16ч.-АТВ подвергаются анодированию. В процессе анодирования крупногабаритных листов Д16ч.-АТВ (толщиной 0,6 мм) в ваннах отключается барботаж, чтобы избежать появления заломов и разрушения анодного слоя в перекрываемых соседними листами зонах. Для анодирования алюминиевых листов Д16ч.-АТВ используют сернокислотные и хромовооксидные покрытия.

Сернокислотные аноднооксидные покрытия хорошо защищают алюминиевый сплав от коррозии, но при толщине 7-12 мкм не обладают достаточной прочностью. Для реализации преимуществ обоих типов оксидных пленок используется технология, позволяющая получить из сернокислотного электролита оксидные пленки толщиной 5-6 мкм с повышенной прочностью [1]. Сернокислотные оксидные пленки, полученные по этой технологии, в течение длительного времени обеспечивают хорошую коррозионную защиту слоев металла и высокую стабильность свойств АЛОРа при действии коррозионно-активных сред. Пленки, получаемые этим методом, обладают большой твердостью и хрупкостью, из-за чего при деформировании деталей (клепке, резке), а также при нагревании растрескиваются с образованием тончайшей сетки. Пленки, получаемые при хромовокислом анодировании, обычно имеют толщину порядка 3 мкм и обладают меньшей твердостью, чем пленка, полученная в сернокислом электролите [2]. Кроме того, образцы, подвергнутые хромовокислому анодированию, имеют прочность клеевого соединения на 15-30% выше, чем прочность образцов, подвергнутых сернокислому анодированию: характер разрушения в основном когезионный. Разрушение образцов с сернокислым анодированием носит адгезионный характер с отрывом анодной пленки по линии металл-анодная пленка. При эксплуатации самолетов процессы, приводящие к ухудшению свойств АЛОРов в неблагоприятных условиях, условно можно разделить на следующие группы: нарушение адгезионных связей между слоями металла и органопластика, термовлажностное старение слоев органопластика, коррозия

алюминиевого сплава [3]. Стабильность свойств АЛОРов в процессе эксплуатации в наибольшей степени определяется стойкостью адгезионного соединения алюминиевый сплав-органопластик, которое, в свою очередь, зависит от способа подготовки поверхности. В табл. 1 приведены результаты исследования влияния режима анодирования листов Д16ч.-АТВ на прочность при межслойном сдвиге.

Таблица 1

Влияние режимов анодного оксидирования алюминиевого сплава в различных электролитах на прочность АЛОРов при межслойном сдвиге

Анодное окисление Режим Прочность* при межслойном сдвиге, МПа

в исходном состоянии после выдержки в 3%-ном растворе N0 при 60°С в течение

15 сут 45 сут

Хромовокислотное Т=39°С, t=60 мин 21,0-23,9 22,6 20,4-20,9 20,7 18,8-20,9 20,8

Сернокислотное Т=18°С, t=40 мин 21,4-22,0 21,7 17,2-22,5 20 17,1-18,5 17,5

* В числителе - минимальные и максимальные значения, в знаменателе - средние.

После воздействия коррозионно-активной среды характер разрушения и прочность соединения органопластик-металл в АЛОРе существенно зависят от способа подготовки поверхности листа алюминиевого сплава. Наибольшей стабильностью отличаются образцы АЛОРа, изготовленные с использованием хромовокислотного электролита.

На рис. 1 варианты I, II, III, IV относятся к трехслойным МПКМ (2 слоя металла и 1 слой органопластика), а V и VI - к пятислойным МПКМ (3 слоя металла и 2 слоя органопластика).

Число слоев клея ВК-41 и органоткани СВМ (арт. 56313) определяет только степень армирования органопластика и в целом - физико-механические свойства МПКМ.

Готовый к формованию пакет (пакеты) АЛОР Д16/41 закрываются дренажными слоями стеклоткани Т13 (2-6 слоев) и вакуумным мешком (рис. 2). Указанное выше относится к пакетам АЛОР Д16/41 шириной до 1,5 м, укладывающимся в ширину полосы ткани СВМ. Перед формованием вакуумный мешок подсоединяют к вакуумной системе и проверяют на герметичность. Так как формование листов МПКМ ведется при высоком давлении - до 1,2-1,4 МПа, то падение давления в вакуумной системе должно составлять не более 0,005 МПа за 20 мин.

Операция вакуумирования технологического пакета слоев на выклеечной оснастке при автоклавном формовании крупногабаритных листов АЛОР Д16/41 необходима для постоянного удаления воздуха и выделяющихся летучих веществ из межс-лойного пространства выложенных слоев при предварительном их уплотнении. Особенно необходимо вакуумирование на начальной стадии автоклавного формования при подъеме температуры до 80-100°С в период наиболее интенсивного выделения летучих

веществ. При отсутствии эффективного вакуумирования качество и механические свойства материала в изделии снижаются.

IV

Д16ч.-АТВ| ВК-41 СВМ| Д16ч.-АТВ1

Д16ч.-АТВ

Д16ч.-АТВ'

Д16ч.-АТВ СВМ ВК-41 СВМ Д16ч.-АТВ

II

III

Д16ч.-АТВ

Д16ч.-АТВ СВМ ВК-41 Д16ч.-АТВ СВМ ВК-41 Д16ч.-АТВ

Д16ч.-АТВ

V

VI

Рис. 1. Схемы сборки пакета слоев материала АЛОР Д16/41: I-VI - варианты сборки

Рис. 2. Схема технологического пакета для вакуум-автоклавного формования: 1 - выклеечная оснастка; 2 - полипропиленовая пленка; 3 - металлические слои; 4 - ткань СВМ; 5 - клей ВК-41; 6 - дренажная ткань; 7 - пленка ППнТ (вакуумный мешок); 26 8 - герметизирующий жгут; 9 - трубы вакуумной системы

В процессе отверждения полимерное связующее претерпевает несколько структурных превращений (жидкое, вязкоупругое) до образования твердой структуры. Разработанный прибор ИПФ-2002, с помощью которого был выбран оптимальный температурно-временной режим отверждения слоев КМ и склеивания их с металлическими листами, позволяет учитывать все особенности структурных превращений полимерной матрицы.

Автоклавное формование листов МПКМ при выбранном технологическом режиме позволило получить хорошее качество и небольшой разброс по толщине, однако дефекты в виде заломов в исходных металлических листах Д16ч.-АТВ остаются в листах АЛОР Д16/41.

Для замера толщин крупногабаритных листов используется специальное устройство, включающее в себя: корпус сварочной точечной машины типа МТК-8004У4, имеющей форму скобы с вылетом 1,0 м; измерительное приспособление, закрепленное на электродах машины, состоящее из индикатора часового типа и нижней опоры с вращающимся шаром. Такое устройство позволило с высокой точностью (до 1-10" мм) производить замер толщины листов с габаритами 6,0x1,5 м.

Анализ результатов замеров толщин крупногабаритных листов АЛОРа Д16/41 показывает, что разнотолщинность в основном получается вследствие таких дефектов, как заломы на алюминиевых листах, образованные в процессе погрузоразгрузочных работ, при транспортировке и анодировании. Устранение их позволяет стабилизировать толщину листа и свойства крупногабаритных листов АЛОРа Д16/41.

Анализ полученных результатов показывает, что на модуль упругости сильное влияние оказывает толщина слоя органита, причем в пятислойном АЛОРе эта величина почти вдвое больше, чем в трехслойном. Величина декремента ^ отражает потери энергии при колебаниях и определяется в основном качеством склейки и свойствами орга-нита, поскольку для пластин Д16 значение ^0,0005. По ^ можно косвенно оценивать качество склейки в различных образцах АЛОРа. Так, можно отметить, что образцы с хромовокислотным анодированием по качеству склеивания выше, чем образцы с сернокислотным анодированием, так как в последнем случае ^ в среднем на 50% выше, что говорит о большем количестве энергии, рассеиваемой в образце.

При формовании листов АЛОРа Д16/41 шириной более 1,5 м, не укладывающейся в ширину полосы ткани СВМ, необходимо осуществлять стыковку двух полос ткани. Разработка принципов и уточнение технологических параметров для стыковки слоев ткани производилась в двух направлениях: соединение встык и внахлест. Были рассмотрены пять вариантов соединения слоев СВМ в слоях композита по ширине листа (рис. 3).

С целью определения лучшего варианта стыка тканей СВМ по прочностным показателям, характеристике малоцикловой усталости и по меньшей трудоемкости были изготовлены и испытаны образцы из трех партий листов АЛОРа Д16/41 габаритами 1,2x3,0 м. Так как в направлении основы свойства материала АЛОР Д16/41 выше, чем в поперечном направлении, то было выбрано наихудшее направление вырезки образцов -

ыка, и по-

еле испытаний образцов основной упор делался на результаты испытаний в направлении утка . Для сравнения результатов испытаний, кроме образцов, вырезанных из зон стыка (5 вариантов), были вырезаны образцы из листа АЛОР Д16/41 вне зоны стыка.

При выполнении стыков ткани СВМ согласно вариантам I и III (см. рис. 3) возросла трудоемкость работ в связи с подготовкой ткани к стыкованию: кромки тканей СВМ приходилось предварительно срезать, продергивать нить основы на 20 мм. Высо-

ка трудоемкость применения и варианта II - необходимо сшить кромки тканей СВМ, накладывая одну кромку на другую, а затем в середину нахлеста тканей проложить полоску клея ВК-41 шириной 10 мм.

I II Ш

I - соединение внахлест: распущенный конец СВМ + целая кромка; II - соединение внахлест: две ткани СВМ, предварительно прошитые + наложение клеевой полоски; III - два куска ткани СВМ внахлест стыкуются распущенными концами; IV - две ткани СВМ с целыми кромками соединяются внахлест; V - две ткани СВМ целыми концами соединяются встык

С целью определения лучшего варианта стыка тканей СВМ по ширине листа АЛОР Д16/41 проведены механические и усталостные испытания с определением ов, 00,2, МЦУ, Е. Испытания на малоцикловую усталость проводились на испытательной машине EUS-40 при частоте./=5,7 Гц, omin=8-10 МПа, omax=150 МПа.

В результате проведенных испытаний на МЦУ можно выделить следующие варианты стыка ткани СВМ:

- вариант IV - среднее количество циклов до разрушения #=88200;

- вариант III - среднее количество циклов до разрушения N=83466.

Испытание материала АЛОР Д16/41 на прочность при растяжении и сдвиге выявило преимущество варианта III (ов=431 МПа, о0,2=264 МПа, тсдв=25,5 МПа) и варианта IV (ов=431 МПа, о0,2=257 МПа, тсдв=24,1 МПа). Измерения модуля упругости АЛОР Д16/41 вне зоны стыка показали, что Е=59978 МПа.

На основе анализа результатов испытаний можно сделать следующие выводы:

- стык ткани должен осуществляться только внахлест;

- ширина нахлеста ограничивается 20 мм;

- стыковку тканей внахлест следует осуществлять по III или IV варианту.

Наименьшим по трудоемкости вариантом стыковки является IV с целыми, не распущенными кромками. При этом ширина стыкуемых полос выбирается так, чтобы при резке полос СВМ отходы были минимальны, и в слоях стыки разносились по ши-

рине листа металла. Замеры толщины образцов, вырезанных из материала АЛОР Д16/41 в местах стыка и вне этой зоны, приведены в табл. 2.

Таблица 2

Толщины листов АЛОР Д16/41

Вариант стыка

Толщина Нср, мм 1,35 1,4 1,37 1,36 1,35 1,25

Замеры толщин листов АЛОР Д16/41 в местах стыка ткани СВМ и вне зоны стыка выявили преимущество вариантов III и IV. При их использовании толщина в районе стыка находится в пределах допуска и не портит товарный вид листов АЛОР Д16/41. В результате проведенных исследований по пакетному изготовлению листов МПКМ можно сделать вывод, что формование в автоклаве листов АЛОР Д16/41 со стыками тканей СВМ по ширине листа возможно - без отклонений по качеству склейки - при наборе в одном пакете 5-7 листов.

а) б)

Рис. 4. Микроструктура (х63) образца АЛОР: а - участок с волнообразными складками; б - прямолинейный участок

а) б) в)

Рис. 5. Микроструктура АЛОР в зоне 1

Микроструктурный анализ проводили на шлифах, вырезанных из различных зон листа АЛОР Д16/41. Оценка структуры АЛОР Д16/41 проводилась оптическим методом на микроскопе НЕОФОТ-31 с применением светлого, темного полей, в поляризованном свете. Замер микротвердости в слоях МПКМ производился на приборе ПМТ-3. В ходе исследований установлено [4], что в сечении с максимальными значениями напряжений в зоне сопряжения металл-органопластик наблюдаются ровные участки и

участки с волнообразными складками (рис. 4). Анодный слой на листе Д16ч.-Т разрушен (рис. 4, а), причем разрушение более интенсивное в зоне 1. На волнообразных участках зоны 1 частицы твердого сернокислого анодного покрытия (Нц50=3 0 00 МПа) затянуты в мягкий плакирующий слой (Нг0=600 МПа) (рис. 5). На прямолинейных участках плакирующий слой и разрушившееся анодное покрытие запрессованы в несплошности матрицы органопластика (рис. 6, а). В зоне 2 (см. рис. 4) - сопряжение по прямым и волнообразным участкам - имеет место разрушение анодного покрытия с незначительным сдвигом его (запрессовкой) в матрицу органопластика на глубину 5-8 мкм (см. рис. 5). Внутризеренный сдвиговый микрорельеф наблюдается в виде множественного скольжения по более светлым зернам, судя по характеру микрорельефа в непосредственной близости от границы раздела и по высоте слоев металла в обеих зонах, деформация распределялась относительно равномерно. Однако на участках с волнообразными складками количество сдвиговых плоскостей больше, чем на прямолинейных участках (рис. 6-8).

На рис. 7, в сдвиговые плоскости указаны стрелками, зерно равноосное, интер-металлиды вытянуты в направлении прокатки.

а) б)

Рис. 6. Разрушение анодного покрытия алюминиевого листа АЛОР: а - на участке «смятия», зона 1 (см. рис. 4), х500; б - на прямолинейном участке, зона 2 (см. рис. 4), х320

Рис. 7. Внутризеренный микрорельеф в материале АЛОР:

а - у поверхности образца над участком смятия (х1000); б - по сечению листа над участком смятия (х 630); в - по границе сопряжения над участком смятия (стрелками показаны сдвиговые плоскости), х1250

Рис. 8. Внутризеренный микрорельеф в материале АЛОР:

а - у поверхности листа над прямолинейным участком

Микротвердость по светлым и темным зернам одинакова и составляет #1x20=1380 МПа (рис. 9).

При исследовании поверхности образцов с анодным и частично снятым анодным слоем обнаружены полосы с искривленными линиями скольжения, которые начинаются от продольных деформированных зон. В отдельных местах по линиям скольжения наблюдаются трещины по анодному слою. При травлении образцов, по трещинам идет более интенсивное травление с образованием текстурного рельефа в плакирующем слое.

При изучении образца II (см. рис. 3) с минимальными значениями напряжений в сечении видно, что зоны сопряжения 1 и 2 (см. рис. 4) прямолинейны (рис. 10). Со стороны зоны 1 имеет место частичное разрушение сернокислого анодного покрытия с запрессовкой его в матрицу органопластика на глубину 6 мкм. В слое органопластика по границе сопряжения зоны 1 наблюдаются значительные несплошности в виде пор и раковин (см. рис. 10). Однако в зоне 2 разрушения анодного покрытия и дефектов в слое органопластика не наблюдается.

Микротвердость по светлым и темным зернам одинакова и составляет #1^=1500 МПа, что на 10% превышает твердость материала образца I (см. рис. 3) - рис. 11.

а) б)

Рис. 9. Распределение микротвердости (стрелками показаны отпечатки от твердомера) по зернам в материале АЛОР (х320):

а - зона 1

Зона 1

Рис. 10. Зоны сопряжения металл-органопластик (х200) в материале АЛОР (вариант II - см. рис. 3); стрелками указаны зоны с порами в матрице

а) б)

Рис. 11. Распределение микротвердости (х320) по «светлым» и «темным» зернам в материале АЛОР (вариант I - см. рис. 3): 31

а - зона 1; б - зона 2

Из приведенных структур образцов I и II (см. рис. 3) видно, что причиной образования смятия в зоне соединения металл-органопластик образца I могло послужить нарушение температурного режима формования АЛОРа из-за большого температурного градиента вследствие неравномерности прогрева оснастки и листов МПКМ, что привело к неравномерной деформации из-за разницы в коэффициенте температурного расширения граничных слоев, к разрушению хрупкого анодного покрытия и «запрессовке» его в матрицу органопластика. Неравномерная деформация по сечению образца (в зоне смятия) могла возникнуть также и вследствие неравномерно распределенной нагрузки на слои АЛОРа от избыточного давления в автоклаве и течения вязкого связующего ВК-41.

Таким образом, микроструктурный анализ показал, что деформация алюминиевых слоев может повлиять на остаточные напряжения в листах МПКМ, которые (напряжения) могут быть связаны с разрушениями в процессе эксплуатации конструктивных элементов из таких листов.

Проведенные исследования позволяют сделать вывод, что

- транспортировка крупногабаритных листов алюминиевого сплава Д16ч. -АТВ (толщиной 3-6 мм) может проводиться в виде рулонов диаметром 0,8-1,0 м или в специализированных устройствах;

- хромовокислое анодирование листов Д16ч.-АТВ предпочтительнее, чем сернокислое;

- изготовление широких листов МПКМ возможно со стыковкой армирующих тканей внахлест.

ЛИТЕРАТУРА

1. Железина Г.Ф. Трещиностойкие металлоорганопластики для авиационных конструкций: автореф. дис. на соиск. учен. степени канд. техн. наук. М.: ВИАМ 1996. 15 с.

2. Крысин В.Н. Слоистые клееные конструкции в самолетостроении. М.: Машиностроение. 1980. 220 с.

3. Постнова М.В. Исследование влияния вида анодного покрытия на эксплуатационные характеристики МПКМ //XXVI Гагаринские чтения: тез. докл. Международной молодежной науч. конф. М: МАТИ. 2000. 164 с.

4. Постнова М.В., Постнов В.И. Структурные особенности АЛОР Д16/41 в крупногабаритных листах /Новые материалы и технологии (НМТ-2000): тез. докл. Всероссийской науч.-техн. конф. М.: МАТИ. 2000. С. 101-102.