Перспективы использования титановых сплавов в слоистых композиционных материалах

Введение

Титан и сплавы на его основе обладают высокими коррозионной стойкостью и прочностью в сочетании с малой плотностью и широко используются в авиации, космической технике, судостроении, строительстве и медицине [1–3].

В настоящее время одним из наиболее актуальных направлений применения титановых сплавов является изготовление на их основе слоистых композиционных материалов.

Как правило, композиционный материал создается для выполнения определенных задач, и для обеспечения заданной конструкционной прочности конкретной детали необходимо получить характеристики композита, значительно превосходящие в некоторых аспектах свойства традиционных материалов [4–8].

Материалы и методы

Сплавы для металлополимеров

В настоящее время важнейшим этапом при выборе композиционного материала является определение комплекса необходимых свойств, обеспечивающих надежную и долговечную работу конструкций, машин и оборудования в заданных условиях эксплуатации. В связи с тем, что конструкционные материалы характеризуются различными механическими, физико-химическими и технологическими свойствами, рассматривать необходимо всю гамму свойств, особенно если в конструкции применяются детали, изготовленные из разных материалов. Выбор материала для конкретных изделий и области применения должен основываться также на стоимости рассматриваемых материалов с учетом экономической рациональности. Использование ранее хорошо зарекомендовавших себя в подобных конструкциях и изделиях материалов вполне оправдано, однако не приводит к совершенствованию конструкций и изделий авиационной техники [9–13].

Для ряда изделий и при создании техники, особенно специального назначения, необходимо разрабатывать принципиально новые материалы с более высоким комплексом свойств, ранее недоступным для серийных материалов. С целью установления сложной взаимосвязи между химическим составом, технологией получения материала, его структурой и свойствами в настоящее время проводятся научные исследования и эксперименты с применением моделирования условий эксплуатации изделия, в том числе с помощью компьютерных программ. Оптимизация многофакторных технологий происходит с учетом современных производственных возможностей. Наука о материалах все ближе подходит к тому времени, когда можно будет с помощью компьютерных систем прогнозировать и рассчитывать с достаточно высокой точностью свойства новых уникальных металлических сплавов, пластмасс и, конечно, композиционных материалов.

Композиционный материал не может быть конструктивно универсальным, т. е. для каждого изделия требуется проведение всех необходимых расчетов и выбор оптимального сочетания компонентов с целью выполнения требований по эксплуатации конечного материала в конструкции, таких как:

– удельная прочность;

– жесткость;

– износостойкость;

– усталостная прочность;

– размеростабильность конструкции.

Большинство металлополимеров разрабатывается на основе алюминия. Несмотря на то что титан тяжелее алюминия, он (Ti) обладает преимуществами по теплопроводности – в 13 раз меньше теплопроводности алюминия; температурному коэффициенту линейного расширения (ТКЛР) – более низкий по сравнению с другими конструкционными материалами (при 20°С: в 1,5 раза ниже ТКЛР железа, в 2 раза – меди и в 3 раза – алюминия). Титан – парамагнитный металл, который не намагничивается, как железо, в магнитном поле и не выталкивается из него, как медь. Его магнитная восприимчивость очень слаба, это свойство можно использовать при строительстве, например, немагнитных кораблей, приборов, аппаратов. Необходимо также отметить, что механическая прочность титана и его сплавов в ~6 раз выше прочности алюминия [14–18].

Металлополимеры на основе титана

Применение титана и его сплавов в композиционных материалах изучено в значительно меньшей степени, чем алюминия, но уже сейчас можно сказать, что материалы на основе титана обладают более высокими технологическими характеристиками.

За рубежом ведется активная разработка титанполимерных 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 проведения исследований и разработок в данном направлении.

Создание новых конструкционных материалов направлено в первую очередь на повышение удельных характеристик, что связано с постоянно возрастающими требованиями к весовой эффективности конструкций при обязательном обеспечении заданного комплекса механических и эксплуатационных свойств материалов. В настоящее время в ВИАМ проводятся исследования в области разработки гибридных материалов – слоистых металлополимерных композиционных материалов. Данные композиционные материалы (см. рисунок) имеют в своем составе листовые полуфабрикаты из легких сплавов, которые чередуются с угле- или стеклопрепрегами [19–21].

 Схема металлополимерного композита

Наибольшее развитие в этой области получили так называемые СИАЛы – материалы на основе стеклопластика и алюминия. Помимо алюминиевых сплавов в металлополимерных композиционных материалах используются также сплавы на основе титана, что позволяет существенно повысить удельные прочностные свойства гибридного материала. Конструкции из титанполимерных композиционных материалов позволяют обеспечить снижение массы изделия на 20% по сравнению с цельнометаллическими конструкциями из алюминиевых сплавов и слоистых композиционных материалов системы Ti–TiAl₃. Традиционные титановые сплавы обладают высокими механическими характеристиками, но в настоящее время практически все возможности по увеличению их прочности и снижению плотности исчерпаны. Кроме того, многие высокотехнологичные титановые сплавы (например, сплавы SP-700, Beta CEZ и др.) имеют сложную систему легирования и содержат дефицитные и дорогостоящие элементы.

В настоящее время проводятся исследования по разработке металлополимеров на основе тонких листов из титановых сплавов ВТ20 и ВТ23М, которые обладают высокими технологическими свойствами и имеют менее сложную систему легирования, чем вышеуказанные зарубежные β-сплавы. Металлополимеры на их основе превосходят по своим упруго-прочностным свойствам стеклопластик СИАЛ-1 (см. таблицу).

Механические свойства слоистых материалов

Создание титанполимерных слоистых материалов позволит получить новый класс материалов, имеющих широкое разнообразие структур и свойств, позволяющих конструктору выбрать соответствующий требованиям изделия материал. Титанполимерные слоистые материалы, состоящие из титановых полуфабрикатов и препрегов углепластика, обладают уникальной комбинацией характеристик прочности, вязкости разрушения и трещиностойкости.

Слоистые материалы на основе титана и его сплавов имеют более высокие прочностные характеристики по сравнению с алюминиевыми полимерными слоистыми материалами СИАЛ и GLARE и работоспособны в более широком диапазоне температур от -60 до +150°С (не менее) – вместо +120°С для материалов СИАЛ и GLARE.

Выводы

По результатам анализа новых сплавов показано, что титанполимеры по своим упруго-прочностным и эксплуатационным свойствам превосходят альтернативные композиционные материалы и в ближайшем будущем займут свое место на рынке инновационной наукоемкой продукции.