Углепластик на основе объемно-армирующей плетеной преформы для элемента лопасти воздушного винта

Введение

Воздушный винт является важнейшей составляющей силовой установки. Во-первых, он непосредственно участвует в создании тяги, т. е. является движителем; во-вторых, это элемент, который работает в условиях высоких нагрузок (центробежные и аэродинамические силы). Однако вращающийся воздушный винт при определенных условиях является источником возникновения вихревого течения, что делает его уязвимым для попадания посторонних предметов. Данный фактор способствует возникновению серьезной проблемы – преждевременному съему воздушных винтов с эксплуатации.

Таким образом, к воздушному винту предъявляется комплекс требований в широком диапазоне условий эксплуатации. Поэтому для создания современных винтов с высокой тягой необходимо совершенствование как их конструкции, так и применяемых материалов, а также технологий изготовления. Совершенствование воздушного винта – залог экономичной и надежной работы двигателя.

Лопастные движители летательных аппаратов (рабочие части винтов турбовинтовых двигателей военно-транспортных самолетов, бомбардировщиков, рулевые винты вертолетов) в большинстве своем производят из металлических сплавов или полимерных композиционных материалов (ПКМ), изготовленных с использованием тканых (слоистых) наполнителей. Негативным фактором, влияющим на работоспособность слоистых ПКМ в конструкции, является пониженная способность противостояния механическим ударным воздействиям. Актуальной в настоящее время является также задача разработки облегченных лопастей воздушного винта, изготовленных из ПКМ с учетом обеспечения прочности и эксплуатационной надежности. Работы по внедрению полимерных композитов для авиастроения в Российской Федерации начались в конце 1970-х гг. при создании первого воздушного винта с лопастями из ПКМ для самолетов Як-18 и Як-52 [1–3].

Анализ отечественных и зарубежных научно-технических источников показал, что возможность реализации новых конструкторских решений в области изготовления лопастей воздушного винта может быть обеспечена при использовании ПКМ и новых технологий производства изделий.

Производители авиационной техники при разработке лопастей применяют стекло- и углепластики, а также гибридные материалы. Характерные для углепластиков свойства (плотность и высокая прочность) делают их перспективными для использования при изготовлении лопастей воздушного винта.

Наиболее крупные зарубежные разработчики воздушных винтов, а именно американская компания Hamilton Standart и английская Dowty Propellers, основным методом изготовления лопастей выбрали пропитку под давлением, при этом в качестве текстильного наполнителя используют как ткани, так и плетеные формы, применяемые для последующей пропитки.

Полимерные композиционные материалы на основе объемно-армирующей плетеной преформы обеспечивают более высокие прочностные характеристики при ударном воздействии в сопоставлении с традиционными слоистыми ПКМ [4].

На основании анализа научно-технической литературы сделан вывод, что на смену превалирующим при изготовлении воздушного винта металлическим сплавам, обеспечивающим достаточный уровень физико-механических свойств, но характеризующимся повышенными весовыми характеристиками, пришли более экономичные ПКМ, получаемые безавтоклавным формованием, которые дают возможность создавать большое количество материалов, используемых в широком диапазоне температур и климатических условий.

В настоящее время наиболее реализованным и перспективным процессом изготовления лопастей воздушного винта из ПКМ является метод пропитки под давлением армирующих наполнителей (волокон, жгутов, лент, однонаправленных и равнопрочных тканей, а также плетеных преформ) в жесткой пресс-форме [5, 6].

Возможность получать материалы с низкой пористостью, способные выдерживать деформационные нагрузки, а также способствующие уменьшению массы изделия при сохранении повышенных характеристик при эксплуатации и снижению трудоемкости технологических процессов, – одно из преимуществ процесса пропитки под давлением.

Установлено также, что ПКМ, созданные на основе объемно-армирующих преформ, имеют высокое сопротивление к повреждениям наряду с повышенными прочностными показателями и устойчивостью к тангенциальным нагрузкам (скручиванию). Преимуществом при использовании конструкций на основе объемно-армирующих плетеных преформ является и уменьшение количества технологических этапов производства, что позволяет изготовить преформу трубчатой конструкции с заданными размерами и внедренными (при необходимости) соединительными элементами за одну операцию [7–11].

Анализ научно-технической литературы[12–14] также показал, что основными технологиями, применяемыми при получении ПКМ для воздушного винта, являются:

– пропитка армирующего наполнителя методом пропитки под давлением в жесткой пресс-форме;

– технологии объемно-армирующего плетения наполнителей путем создания сетчатой биаксиальной/триаксиальной структуры с дальнейшей пропиткой под давлением.

Кроме того, определено [15–21], что:

– в качестве армирующих наполнителей используются любые волокна, однако чаще всего стекло- и углеволокна как однонаправленной, так и тканой структуры;

– в качестве связующего можно применять как традиционные эпоксидные связующие, так и другие полимеры (полиэфирэфиркетон, бисмалеимид, полиэфиримид, полиимид и др.), а также термопласты;

– конструкции из ПКМ обладают плотностью 1,4–1,9 г/см³, что приблизительно в 1,5 раза меньше плотности конструкции из алюминиевого сплава (до 2,7 г/см³) – это приводит к уменьшению весовых характеристик воздушного винта, выполненного из пластика.

Таким образом, можно сделать вывод, что применение объемно-армирующих плетеных преформ, характеризующееся возможностью создавать криволинейные поверхности сложной геометрической формы, позволяет производить конструкции с переменным сечением без использования ручной выкладки, обеспечивать легкое и надежное внедрение соединительных элементов в изготавливаемые лопасти воздушного винта [22–24].

Материалы и методы

Проведен выбор эпоксидного связующего для создания углепластика на основе объемно-армирующих плетеных преформ методом пропитки под давлением, а также их схем армирования и волокна.

От связующего зависят многие свойства полимерного композита, в том числе прочность, тепло- и влагостойкость, стойкость к действию агрессивных сред. Именно матрица связывает волокна друг с другом, создавая монолитный конструкционный материал. Опыт, полученный сотрудниками НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ в рамках выполнения проектов по разработке ПКМ с использованием способов безавтоклавного формования, позволяет определить требования к связующему для создания воздушного винта методом пропитки под давлением:

– вязкость при температуре переработки ‒ не более 0,5 Па·с;

– сохранение вязкости при температуре переработки ‒ не менее 3 ч;

– доступность компонентов связующего на рынке Российской Федерации.

Выбрано расплавное эпоксидное связующее, разработанное в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ, с низкой вязкостью при температуре переработки и значительным временем жизнеспособности (до 5,5 ч). Кроме того, в его составе отсутствуют компоненты импортного производства [25].

Выбор углеродного волокна проводили исходя из наличия серийного производства в Российской Федерации, в целях развития которого и для создания конкурентоспособной продукции на основе данного волокна в 2015 г. запущен завод по его производству ‒ ООО «Алабуга-Волокно». Этот проект направлен на импортозамещение зарубежных углеродных волокон. По данным производителя, волокно марки Umatex применяется в качестве наполнителя при производстве углепластиков для изделий авиационной техники. В связи с этим выбрано волокнороссийского производства марки Umatex для изготовления объемно-армирующих плетеных преформ.

Проведен анализ существующих схем армирования ПКМ, получаемых на основе ровинга или тканей, и их применения при производстве преформ методом плетения. Существует две схемы армирования при изготовлении композиционного материала на основе объемно-армирующих преформ – биаксиальная и триаксиальная. Технология создания биаксиальной объемно-армирующей преформы состоит во взаимном сплетении волокон в продольном направлении (рис. 1, а) [26].

Кроме биаксиального, может применяться и триаксиальное армирование путем введения третьей нити в преформу (рис. 1, б). Использование такой схемы способствует повышению механической прочности композита на основе плетеной преформы к нагрузкам вдоль оси и драпируемости, при этом снижаются значения вероятности оплетки (и, следовательно, изготовления изделий) с переменным сечением.

Рис. 1. Биаксиальная (а) и триаксиальная (б) схемы армирования объемно-армирующих
плетеных преформ

Используемый угол армирования плетеной преформы также оказывает влияние на свойства разрабатываемого ПКМ, созданного на ее основе. Меняя угол, можно получать свойства, требуемые для конкретной конструкции, в зависимости от применяемого типа нагрузки – кручение, сдвиг.

Выбранные схемы армирования и угол переплетения позволяют создать заготовку, оптимально соответствующую типу нагрузки будущей конструкции. С учетом переменного сечения изготавливаемой конструкции биаксиальная схема армирования является оптимальным решением для изготовления изделия, а применение триаксиальной схемы армирования затруднительно [26].

Результаты и обсуждение

Выбрана схема армирования преформ с укладкой ±45 градусов. Для проведения данной работы использовали расплавное эпоксидное связующее, которое, так же как и изготовленные плоские образцы углепластика на основе объемно-армирующих плетеных преформ, разработано в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

В процессе изготовления образцов углепластика методом пропитки под давлением варьировали следующие параметры технологического процесса: продолжительность пропитки под вакуумом и величину избыточного давления. На рис. 2 представлены плиты углепластика в оснастке после проведения пропитки под давлением.

Рис. 2. Плиты углепластика в оснастке после проведения пропитки под давлением

Результаты ультразвукового контроля углепластика показали отсутствие в нем дефектов и расслоений. Исследование проводили высокочастотным эхо-импульсным методом с чувствительностью контроля, эквивалентной выявлению плоскодонного отражателя диаметром 5 мм. Сканирование преобразователем на фазированной решетке осуществляли по всей площади. Выполнен также рентгеновский компьютерный анализ образцов углепластика для определения объемной доли их пористости. На рис. 3 представлено изображение образца углепластика при проведении исследования.

Рис. 3. Визуализация образца углепластика при проведении рентгеновской компьютерной томографии

Установлено, что, согласно полученной микроструктуре образцов углепластика, объемная доля пористости составляет 0,2 %, что свидетельствует о правильном выборе режимов.

Исследованы физические свойства углепластика на основе биаксиальной плетеной преформы и связующего производства НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ. Определены пористость, плотность, степень отверждения и температура стеклования углепластика [27]:

Определены также механические свойства (предел прочности) плоских образцов углепластика при температуре 20 °С:

Образцы углепластика исследованы после натурных испытаний в умеренно теплом климате с мягкой зимой (г. Геленджик) и в зоне промышленной атмосферы умеренного климата (г. Москва) после 12 мес экспозиции. После проведения экспозиций в Геленджике и Москве определены основные физико-механические характеристики. Углепластик также подвергали испытаниям по определению стойкости к климатическим факторам: термическому старению при температуре 100 °С в течение 2000 ч; тепловлажностному старению при температуре 60 °С и влажности воздуха 85 % в течение 3 мес; испытанию на тропикостойкость в течение 3 мес [27].

Установлено, что сохранение предела прочности при межслойном сдвиге образцов углепластика относительно исходных значений составляет:

– 100 % – после термического старения в течение 2000 ч при температуре испытаний 20 °С;

– более 75 % – после тепловлажностного старения при температуре 60±2 °C и относительной влажности 85±3 % после 3 мес;

– 100 % – после экспозиции тропического цикла в течение 3 мес;

– 100 % – после натурных испытаний в умеренно теплом климате с мягкой зимой (г. Геленджик) и в зоне промышленной атмосферы умеренного климата (г. Москва) после 12 мес экспозиции.

Наблюдается вполне закономерная тенденция небольшого снижения эксплуатационных характеристик материала. Можно ожидать, что на практике, после выполнения работ по грунтовке и окраске изделия, уменьшение значений свойств будет незначительным [27].

Для получения образца углепластика сложной геометрической формы на основе объемно-армирующей плетеной преформы и последующего создания конструктивно-подобного элемента лопасти воздушного винта методом пропитки под давлением проведено моделирование процесса изготовления с учетом проницаемости армирующего наполнителя и вязкости полимерной матрицы (связующего).

С целью определения продолжительности пропитки и выбора оптимального расположения мест подачи и выхода полимерной матрицы из пресс-формы при производстве конструктивно-подобного элемента лопасти воздушного винта из углепластика осуществлено моделирование процесса создания образца сложной геометрической формы методом пропитки под давлением. С учетом проницаемости наполнителя и вязкости полимерной матрицы проведено также моделирование процесса пропитки с использованием программы конечно-элементного моделирования PAM-RTM.

Для осуществления расчета в программе Solid Edge построена оболочечная CAD-модель конструктивно-подобного образца длиной 700 мм (рис. 4).

Рис. 4. Оболочечная CAD-модель конструктивно-подобного образца

Поскольку моделирование в программе PAM-RTM выполняют по методу конечных элементов, то после импорта CAD-модели в программу Visual Mesh построена FEM-модель с размером ячейки 6 мм [27].

В качестве исходных данных заданы вязкость полимерной матрицы и коэффициент проницаемости объемно-армирующей плетеной преформы:

– вязкость полимерной матрицы при температуре пропитки 50 °С изменяется в диапазоне от 0,25 до 0,45 Па∙с за 150 мин;

– проницаемость армирующего наполнителя постоянная и составляет не более 1,37∙10^–11 м².

Далее для проведения расчета заданы граничные условия – расположение точки подачи полимерной матрицы и точки отвода ее в ловушку. По схеме полимерная матрица подается со стороны заделки и распределяется по всей длине образца. Отвод полимерной матрицы осуществляется в противоположной части образца.

Диаметр входного и выходного штуцера одинаковый и составляет 6 мм. Давление для процесса RTM задано 0,3 МПа.

Моделирование процесса пропитки под давлением в программе PAM-RTM проводили по закону Дарси, по которому определяли расход однородной жидкости через пористую среду при ламинарном режиме потока. Основой для обеспечения закона Дарси является соблюдение закона сохранения масс с учетом несжимаемости жидкости. Параметры, оказывающие влияние на процесс пропитки, – это проницаемость наполнителя, вязкость полимерной матрицы и градиент давления. Чем больше показатель проницаемости наполнителя и скорость подачи матрицы, тем быстрее пройдет полная пропитка армирующего материала. Обратное влияние на процесс демонстрирует вязкость полимерной матрицы [27].

По результатам моделирования выявлено изменение положения фронта полимерной матрицы в зависимости от времени по предложенной схеме инжекции (рис. 5), а также установлено, что продолжительность полной пропитки конструктивно-подобного образца составила ~8000 с, что не превышает времени жизнеспособности полимерной матрицы.

Для отработки технологических режимов изготовления конструктивно-подобного элемента лопасти воздушного винта, изготовлена на фрезерно-гравировальном станке из пенопласта разработки НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ расходуемая оснастка. Затем методом радиального плетения на станке производства фирмы «Герцог» (Германия) наплетены слои объемно-армирующей биаксиальной преформы (рис. 6) [26].

Рис. 5. Положение фронта связующего при пропитке через 650 (а) и 3100 с (б), а также при полной пропитке (в)

Рис. 6. Процесс изготовления конструктивно-подобного образца лопасти воздушного винта

Далее создан конструктивно-подобный образец лопасти воздушного винта из углепластика на основе объемно-армирующей плетеной преформы. Процесс изготовления выполнен с учетом моделирования. Осуществлен неразрушающий контроль полученного образца лопасти воздушного винта, показавший отсутствие дефектов. Проведен также рентгеновский компьютерный анализ образцов конструктивно-подобного элемента лопасти из углепластика для определения объемной доли пористости и получено значение плотности. На рис. 7 представлена визуализация образца углепластика при проведении рентгеновской компьютерной томографии.

Рис. 7. Визуализация образца углепластика при проведении рентгеновской компьютерной томографии

Установлено, что пористость образца конструктивно-подобного элемента лопасти из углепластика, определенная методом рентгеновской компьютерной томографии, составляет ~0,25 %, а плотность данного образца 1,50 г/см³.

Показано, что используемая технология пропитки под давлением позволяет изготавливать высококачественный низкопористый материал. Данные, полученные в ходе работы, возможно интерпретировать применительно к созданию семейства воздушных винтов с легкими высокоресурными лопастями из ПКМ для турбовинтовых самолетов нового поколения [2].

Заключения

Использование углепластика, создаваемого методом пропитки под давлением на основе объемно-армирующей плетеной преформы, – эффективный способ получения как материалов, так и элементов конструкций. Применение расплавной эпоксидной полимерной матрицы с пониженной температурой отверждения позволяет снизить затраты на формование изделий и получать материал с низким содержанием пор.

Такой материал является перспективным для создания конструкций сложной геометрической формы, в том числе для изготовления элемента лопасти воздушного винта. Преимущества метода пропитки под давлением связаны с пониманием как самого процесса производства, так и способа формования изделия для его практического использования. Важным является понимание закономерностей процесса и технологии создания ПКМ на основе объемно-армирующих плетеных преформ с целью получения материала с заданными свойствами. Использование данных решений в высокотехнологичных отраслях промышленности позволит создавать новые изделия для различного
применения.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.