Технология защиты конструкций из металлических композиционных материалов

Крупным достижением последних десятилетий явилось создание нового класса материалов на основе металлической матрицы и упрочняющих компонентов, в качестве которых могут использоваться борные, углеродные и другие волокна (металлические композиционные материалы) [1–5].

Армирование легких металлов (алюминия, титана, магния) высокопрочными и высокомодульными волокнами – эффективный технологический прием, позволяющий в несколько раз повысить прочность и жесткость материала, особенно в направлении приложения максимальных усилий, а также температурный уровень эксплуатации деталей из них [4–7].

В связи с тем, что армирование композиционных материалов (КМ) производится волокнами, являющимися катодом по отношению к алюминиевым сплавам, и образующиеся по границам раздела элементов интерметаллиды (например, диборид алюминия) либо также являются катодами, либо сами обладают низкой коррозионной стойкостью, обеспечение надежной коррозионной стойкости этих материалов и необходимой защиты их от коррозии является важнейшим вопросом в определении возможности применения деталей из металлических КМ, особенно в авиационных конструкциях [1–3, 8].

В условиях коррозионной среды коррозионному воздействию подвергается внешний металлический слой КМ и металл на границе «металл–волокно» по торцам материала и местам установки крепежа, причем торцы и места установки крепежа и заклепок требуют усиленной коррозионной защиты. Для устранения коррозии рекомендуют металлургические способы заделки торцов: заплавление или электронно-лучевую обрезку. Таким образом, разработка технологических схем антикоррозионной защиты металлических КМ имеет существенное значение [6, 9].

Композиционные материалы ВКА-1 и ВКА-1А представляют собой систему, в которой матрица из алюминиевого сплава армирована волокнами бора; КАС-1А – матрица из сплава АВ армирована проволокой из нержавеющей стали; ВКУ-1 – получается методом пропитки матричным металлом В93 пакета углеродных волокон [3, 10].

Установлено, что исследуемые металлические КМ с гибридным армированием в состоянии поставки обладают низкой коррозионной стойкостью и применение их без защиты системами ЛКП невозможно. При воздействии 3%-ного раствора NaCl (распыление или погружение в раствор) через 730 сут на поверхности КМ наблюдаются точки коррозии по торцам и основной поверхности, причем наиболее значительные на образцах из материала ВКУ-1. Использование комбинированных пакетов с применением на внешней поверхности стекловолокна повысило коррозионную стойкость, но несущественно. Наиболее высокой коррозионной стойкостью обладали образцы с четырьмя слоями стекловолокна. Коррозионная стойкость модифицированного материала ВКУ-1н ниже, чем у материала ВКУ-1, очевидно, из-за значительной неравномерности распределения углеродных волокон в матрице ВКУ-1н [11, 12]. Данные по коррозионной стойкости исследуемых КМ в условиях камеры солевого тумана приведены в табл. 1.

Таблица 1

Коррозионная стойкость металлических композиционных материалов после испытаний в камере солевого тумана

Защитные свойства ЛКП определяются рядом факторов, главным из которых является адгезионная способность. Решающее влияние на адгезионную способность оказывает способ подготовки поверхности. Исследовали грунтовки и системы ЛКП: серийно применяемые грунтовки ЭП-076, ЭП-0215, ЭП-0214, АК-0209 и системы на основе эмалей ЭП-140, ЭП-140М, КО-856 [6, 11, 13].

Исследуемые грунты при всех рассматриваемых видах подготовки поверхности имеют хорошую или удовлетворительную адгезию к материалам ВКА-1, КАС-1А (табл. 2). Более высокие показатели адгезии получены при подготовке поверхности материалов ВКА-1 и КАС-1А анодированием в серной кислоте или химическим оксидированием с грунтами ЭП-076 и ЭП-0214 [3, 7, 11, 14].

Таблица 2

Адгезия ЛКП к поверхности металлических композиционных материалов

Для материала ВКУ-1 из-за его высокой коррозионной активности целесообразно применение усиленных схем защиты с применением грунта и эмали. На образцах из материала ВКУ-1, имеющих в составе поверхностного слоя стекловолокно, адгезия заметно ниже [4, 6, 7, 15].

Конструкции из КМ могут выполняться сваркой, клеесваркой, склеиванием, соединением заклепками или болтами. Однако соединение листового КМ заклепками требует усиленной защиты, ввиду того что при рассверловке и клепке может происходить разрушение волокна и, как следствие этого, резкое снижение свойств материала с однонаправленным расположением волокна.

Для обеспечения надежной защиты исследовали вопросы защиты конструкций, имитирующих точечную электросварку и болтовое соединение. Для сварного варианта защита осуществлялась по травленой зашкуренной поверхности с последующим химическим оксидированием перед окраской. Сварку осуществляли по грунтовкам ФЛ-086, КФ-030, составу КСП-1, пасте АЛКМ-1. Для защиты торцов и мест постановки крепежа использовали: грунтовки ЭП-076 и ФЛ-086, пасту ВП-1, шпатлевки ЭП-0082 и ЭП-0061.

Для защиты основной поверхности применяли одну из следующих систем ЛКП: грунтовка ЭП-076 (или грунтовка АК-070)+эмаль ЭП-140; грунтовка ЭП-076 (или грунтовка АК-070)+эмаль КО-856.

После 4 мес испытаний сварных образцов из материалов КАС-1А и ВКА-1 в камерах влажности и солевого тумана коррозионные поражения отсутствуют как по основной поверхности, так и по сварному шву. Имеют место лишь участки сыпи на 10–20% поверхности образцов.

Испытания образцов из материала ВКА-1 с болтовыми соединениями в течение 2 мес в тропической камере влажности показали, что через 1 мес испытаний лишь при одном варианте защиты – заделка торцов шпатлевкой ЭП-0061 – имели место два участка коррозии по торцам. В остальных вариантах испытаний коррозионные поражения отсутствуют.

На образцах из материала ВКУ-1 с системами защиты по основной поверхности: грунтовка ЭП-076 (или грунтовка ЭП-0215)+грунтовка ЭП-076 (или грунтовка ЭП-0215)+ эмаль ЭП-140; с защитой торцов (горячая сушка при 100°С, 2 ч) по схеме: грунтовка ЭП-076 (или грунтовка ЭП-0215)+эмаль ЭП-140 (или паста ВП-1) или грунтовка ЭП-0215+герметик У-30МЭС-5 после 2 мес испытаний в камерах солевого тумана и влажности – коррозионных поражений нет.

В ВИАМ также разработана грунтовка ЭП-0215М, которая характеризуется более высокими адгезионными свойствами, может применяться в системах покрытий с эпоксидными и полиуретановыми эмалями (в том числе импортными). Грунтовка ЭП-0215М обладает более высокими технологическими свойствами, что позволяет сократить технологический цикл окраски изделия без ухудшения эксплуатационных характеристик покрытия. Система покрытия на основе антикоррозионного грунтовочного покрытия ЭП-0215М обладает высокими физико-механическими, защитными и декоративными свойствами. Применение указанной грунтовки позволяет снизить токсичность при окраске изделия (за счет исключения операции зашкуривания грунтовочного покрытия). Грунтовка ЭП-0215М может применяться при окраске внутренней и внешней поверхностей планера самолета, а также других изделий.

Таким образом, проведенные коррозионные испытания образцов из КМ позволяют выбрать схему для обеспечения защиты поверхности металлических композиционных материалов. Защита торцов и мест постановки крепежа должна осуществляться по усиленной схеме. Целесообразно предусматривать их защиту металлургическим путем (заплавление или электронно-лучевая обрезка).