Роль структур МПКМ и их влияние на виброусталостные характеристики конструктивных элементов ГТД

Введение

Анализ развития науки и технологий за рубежом показывает, что в мире активно развиваются и продолжат свое развитие в будущем [1–3] различные виды композиционных материалов с улучшенными служебными характеристиками. Одним из видов таких материалов являются металлополимерные композиционные материалы (МПКМ), которые представляют собой промежуточное звено между металлическими сплавами и полимерными композиционными материалами (ПКМ), успешно сочетающие в себе положительные технологические свойства металлов (деформируемость традиционными способами) и ПКМ (низкая плотность, высокая виброакустическая прочность, низкая скорость роста усталостных трещин (СРТУ) и т. п.) [4–6].

В России и за рубежом исследуются области применения МПКМ, позволяющие реализовать их преимущества в МЦУ, СРТУ, демпфирующей способности, огнестойкости, камне- и птицестойкости, весовой эффективности и взрывозащитных свойствах. Для особо ответственных элементов из МПКМ могут быть использованы встроенные в структуру сенсоры, контролирующие их техническое состояние в процессе эксплуатации. Перспективно также применение МПКМ для ремонта конструктивных элементов двигательных установок и планера с демпфированием внешних нагрузок, действующих на них.

Материалы и методы

В зависимости от используемых в составе МПКМ материалов они могут быть классифицированы (рис. 1). Основные сравнительные характеристики материалов обшивок приведены в табл. 1.

Рис. 1. Классификация металлополимерных композиционных материалов

Таблица 1

Материалы для обшивок, работающих в зонах виброакустических воздействий

  * N, кцикл (при σ_max=160 МПа).

** dl/dN, мм/кцикл (при DK=31 МПа

Сопротивление развитию усталостных трещин у МПКМ выше, чем у металлов. Это объясняется арочным эффектом армирующих волокон, которые сдерживают развитие повреждений и снижают интенсивность напряжений в алюминиевых слоях в зоне вершины микротрещины. Совместное действие высокопрочных армирующих волокон, соединенных с металлическими слоями (через клеевой слой матрицы), и соседних неповрежденных слоев металла приводит к замедлению роста в длину микротрещин и их остановке без ремонта. Разработанные материалы обеспечивают высокие точность и надежность работы систем, длительный ресурс аппаратуры в условиях криогенных и повышенных температур, агрессивных рабочих сред и являются незаменимыми конструкционными материалами для существующих и перспективных изделий авиационной и космической техники [6].

Исследования показали, что при формировании материала в металлических слоях возникают растягивающие напряжения, что не всегда целесообразно, особенно в случае применения такого материала в конструкциях, работающих при растягивающих эксплуатационных нагрузках. В связи с этим в процессе формования, при использовании дополнительных растягивающих нагрузок, приложенных ко всему пакету слоев или только к слоям из композиционного материала МПКМ, в слоях металла можно создать необходимый уровень сжимающих напряжений. Знание величины поверхностных напряжений весьма существенно для определения вероятной долговечности материалов и их сопротивляемости коррозии.

Для оценки уровня остаточных напряжений используется метод рентгеноструктурного анализа напряжений, основанный на изучении дифракционной стоячей волны большой интенсивности при различных углах падения рентгеновских лучей на поверхность металла [7, 8].

Результаты и обсуждение

Проведенные исследования показали наличие сжимающих напряжений на поверхности металлического слоя из сплава Д16ч.-АТВ, возникающих на стадии его изготовления, уровень напряжений составляет 30–60 МПа. Использование предварительного растяжения слоев МПКМ приводит к уменьшению уровня сжимающих напряжений в направлении вытяжки и увеличению уровня растягивающих напряжений (рис. 2) [9].

Исследования внутренних напряжений показывают различия их уровня и распределения по толщине слоев сплава Д16ч.-АТВ с тенденцией сдвига в область растягивающих напряжений – от исходного листа к растянутой структуре.

Рис. 2. Распределение внутренних напряжений по толщине листа из сплава Д16ч.-АТВ (а) и в материале Алор Д16/41 с нерастянутой структурой Органита (б) и растянутой на 25% от разрушающей деформации структурой Органита (в)

Растягивающие остаточные напряжения в поверхностных алюминиевых листах приводят к преждевременному их разрушению при усталостном нагружении, а также к снижению сопротивления композита малым пластическим деформациям при статическом растяжении. Поэтому для увеличения ресурсных характеристик Алора важным вопросом в выборе технологии его изготовления является оптимизация напряженного состояния компонентов, а именно: создание в алюминиевых листах сжимающих, а в слоях органопластика – растягивающих остаточных напряжений [10, 11]. Для этой цели используются следующие технологические способы (рис. 3 и 4):

– растяжение отвержденных листов – этот способ заключается в перераспределении остаточных термических напряжений в готовом листе Алора путем его растяжения до уровня деформаций, превышающих предел текучести алюминиевого листа;

– отверждение в напряженном состоянии – способ состоит в создании требуемого уровня и знака остаточных напряжений в компонентах при отверждении листов Алора, что осуществляется формованием металлоорганопластика в напряженном состоянии, когда слои органопластика при отверждении подвергаются технологическим растягивающим нагрузкам – практически путем растяжения препрега специальными приспособлениями при подготовке пакета к формованию; величина натяжения выбирается с учетом релаксационных процессов, проходящих в полимерном волокне и связующем в процессе отверждения;

– изготовление плоских листов методом намотки – этот способ состоит в создании требуемого уровня и знака остаточных напряжений путем натяжения армирующего наполнителя при намотке его на плоскую оправку.

Рис. 3. Схемы отверждения алора в напряженном состоянии

Рис. 4. Схема изготовления Алора методом намотки

Приведенные схемы позволили подтвердить ранее сделанный вывод, что увеличение напряжений в слоях Органита при формовании МПКМ позволяет снизить уровень сжимающих остаточных напряжений в слоях алюминия с 25 до 9 МПа.

Проведенные технологические исследования показали, что способность слоистых МПКМ к формоизменению зависит от схемы армирования волокон относительно направления деформирования. Так, у однонаправленных МПКМ при гибке вдоль оси армирования получают минимальные радиусы изгиба и углы пружинения. Необходимо отметить, что на производимых листовых заготовках МПКМ отработаны все общеизвестные технологические процессы формообразования деталей: гибка, гибка-прокатка, стесненный изгиб, штамповка на прессе, штамповка эластичной средой, обтяжка деталей одинарной и двойной кривизны и т. д. При этом получены следующие параметры: допустимый относительный радиус изгиба  (при стесненном изгибе – R≥1, коэффициентах выдавки K_выд≤8% и обтяжки K_обт≤1,02–1,025). В связи с ограниченными возможностями обтяжки Алоров разработаны специальные методы и приемы с учетом пружинения детали в обтяжной оснастке. Если деталь имеет сложную геометрическую форму и не может быть изготовлена по традиционным технологиям для металлов, то для этого случая разработана новая технология «раздельного» формования, когда из отдельных слоев изготавливают элементы детали, а затем они формируются в специальной оснастке в прессе или автоклаве.

При эксплуатации агрегата реверса двигателя Д18Т на самолетах Ан-124 установлено 32 случая разрушения внутренних обшивок подвижного корпуса реверсивного устройства РУ-18Т. разрушения происходили при налете с начала эксплуатации агрегата от 22 до 615 ч. Характер разрушений – усталостный. Трещины обшивок и подкрепляющих их окантовок в районе вырезов под створки имеют длину от 8 до 100 мм, в отдельных случаях имеются вырывы заклепок и кусков обшивки, характерные для акустического разрушения конструкций. Разрушения концентрируются в районе расположения на мотогондоле воздухозаборника СПВ. Для изучения характера нагружения проведены исследования агрегата в комплекте с мотогондолой на стенде с определением интенсивности звукового нагружения и динамических напряжений в зонах разрушения [12]. Установлено, что при уровне шума до 160 дБ создаются напряжения до 56 МПа (в отдельных случаях – до 90 МПа) в диапазоне частот 220–380 Гц, что и обуславливает низкую долговечность обшивок и других элементов из алюминиевых сплавов. По результатам опыта эксплуатации и исследований приняты меры по уменьшению шума с помощью введения перфорированной перегородки воздухозаборника СПВ и снижению рабочих напряжений путем увеличения толщины материала обшивок и окантовок до 1,5 мм.

Для увеличения жесткости внутреннего набора введены проставки между полками окантовок. Заклепочные соединения с потайными головками заменены на соединения с полукруглыми головками. В результате этих изменений уровень шума снижен до 156 дБ, а напряжения – до 40–45 МПа. Повышение ресурса агрегата и разработка модификаций двигателя Д18Т с увеличенной тягой связаны с применением обшивок из Алор Д16/41 с учетом опыта эксплуатации конструкций из МПКМ [13, 14].

Рис. 5. Обшивки внутреннего тракта (а) и мотогoндолы (б) из материала Алор Д16/41

Для подвижного корпуса реверса двигателя предусматривается введение только обшивок внутреннего тракта (типа «корона») (рис. 5) из Алор Д16/41 с расчетной толщиной 1,5 мм. Одновременно учитываются возможности по повышению надежности, обеспечению ремонтопригодности и увеличению ресурса реверсивного устройства РУ-18Т двигателя Д18Т на самолетах Ан-124. ожидаемое снижение массы обшивок 8–10%, увеличение трудоемкости – на величину изготовления заготовок МПКМ (~50 нормо-час/изд.), прогнозируемый ресурс может быть установлен только после наземных испытаний с определением звуковых нагрузок и тензометрированием.

Поскольку агрегаты реверса нагружены виброакустически, то проведены дополнительные исследования по оценке их звукоизоляции для случая применения МПКМ. Испытания проводили на установке «Шум-1М30» при исходном уровне звукового давления 105 дБ. Результаты приведены в табл. 2.

Таблица 2

Звукоизоляционные свойства металлополимерного композиционного материала

Кроме того, анализ эксплуатации двигателя Д18Т показывает, что на реверсивном устройстве и носках воздухозаборника отмечаются частые повреждения не только вследствие виброакустических воздействий. Имеются случаи разрушения листовых элементов мотогондолы от газовой коррозии в зоне выхлопа и усталостно-коррозионные повреждения элементов планера в зоне установки ВСУ [15]. Поэтому проведенные виброакустические усталостные испытания МПКМ после коррозионных испытаний показали их более высокую надежность по сравнению с обычными алюминиевыми сплавами.

Заключения

В результате исследований МПКМ разработана технология изготовления обшивок внутреннего тракта реверсивного устройства РУ-18Т и обшивок мотогондолы самолета Ан-124-100 из готового листа Алор Д16/41. Кроме того, преимущества МПКМ убедительно доказаны опытом шестилетней эксплуатации носовой части крыла самолета АН-124-100, работающей в зонах высоких виброакустических воздействий.