Особенности формирования структуры, комплекса служебных свойств и применение в авиационной технике гибридных слоистых алюмополимерных композиционных материалов

Введение

Современное авиастроение находится в состоянии постоянного поиска решения комплексной задачи по снижению массы летательного аппарата, повышению ресурса, обеспечению живучести и безопасности эксплуатации изделий. Одним из наиболее перспективных решений, отвечающих этим требованиям, является применение гибридных слоистых металлополимерных композиционных материалов (МПКМ), сочетающих лучшие свойства металлов и полимерных композитов. Ответом на потребность в более легких, прочных и надежных конструкционных материалах для изделий нового поколения стала разработка алюмополимерных композитов и технологических процессов изготовления из них деталей для применения в конструкциях изделий авиационной техники. Работы по созданию слоистых МПКМ (Fiber Metal Laminate – FML) в России и за рубежом для нужд авиационной промышленности активно ведутся с 1970-х гг. [1–9].

Сравнение служебных характеристик МПКМ и монолитных металлических листов представлено в табл. 1.

Основные типы металлополимерных композиционных материалов

В состав МПКМ входят чередующиеся тонкие листы из металла толщиной 0,2–0,5 мм и полимерного композиционного волокнистого материала преимущественно на основе эпоксидного связующего толщиной ~0,125 мм. 

Основными коммерчески доступными материалами в настоящее время считаются материалы на основе алюминиевых сплавов, производимые за рубежом под торговыми марками ARALL, CARALL, GLARE, и их российские аналоги АЛОР, АЛКАР и СИАЛ соответственно. Название торговых марок является акронимом, образованным из начальных букв наименования типа волокна, используемого для армирования (арамидное, углеродное, стекловолокно), и алюминиевого сплава.

Разработка слоистого волокнистого композиционного материала ARALL (ARamid ALuminium Laminate) началась в 1978 г. (Delft University of Technology, Нидерланды). Материалы класса ARALL представляют собой структуру, состоящую из нескольких слоев тонкого алюминиевого листа толщиной 0,2–0,4 мм и прослоек из препрега (однонаправленного или равнопрочного), армированного органическими волокнами [1, 2, 4, 5, 8–10].

В СССР в это же время проводили работы по исследованию слоистых металлополимерных материалов первого поколения – марки АЛОР (АЛюминий + ОРганопластик), аналогичных по структуре материалу ARALL [3, 6, 7].

Применение материалов класса АЛОР взамен листов из алюминиевых сплавов обеспечило повышение сопротивления усталости и трещиностойкости конструкции (в >1,2 и 5–20 раз соответственно) при более высокой прочности и стойкости к ударным воздействиям (табл. 2) [5, 6].

Работы по созданию и исследованию алюмоуглепластиков проводили в различных странах: в Европе и Австралии – материалов класса CARALL (Carbon Reinforced Aluminium Laminate), в России – материалов класса АЛКАР (АЛюминий + КАРбон) [6, 10–13].

Использование для армирования полимерных прослоек углеродных волокон, имеющих низкую плотность (~1,4 г/см³) и высокий модуль упругости (E ≈ 140 ГПа), позволило разработать алюмоуглепластик АЛКАР Д16/14-3, который имел следующие механические характеристики: Е = 87–93 ГПа, σ_в = 860–900 МПа, σ_сж = 690–720 МПа [12, 13].

Однако несмотря на высокое сопротивление усталости и низкую плотность, эти материалы имеют ряд ограничений: хотя углеродное волокно обеспечивало высокую жесткость и прочность композиционных материалов, наличие гальванической пары «алюминий–углерод» вызывало риск контактной коррозии [13], а разница в значениях коэффициента теплового линейного расширения приводила к высоким остаточным напряжениям и снижению сопротивления усталости [10]. Арамидное волокно обладало повышенной гигроскопичностью, недостаточной стойкостью при сжатии, склонностью к образованию дефектов и создавало сложности при механической обработке ввиду высокой прочности и вязкости [4–6], а также имело высокую стоимость по сравнению со стекловолокном.

Указанные недостатки слоистых МПКМ с арамидным и углеродным волокном явились предпосылкой для разработки в конце 1980-х гг. слоистых композиционных материалов второго поколения – алюмостеклопластиков: СИАЛ (Стеклопластик И АЛюминий) в России и GLARE (Glass Laminate Aluminium Reinforced Epoxy) за рубежом [14–19].

Алюмостеклопластики представляют собой конструкционные листовые гибриды, состоящие из чередующихся тонких листов из алюминиевых сплавов, в том числе алюминий-литиевых, и полимерных прослоек, армированных стекловолокном.

Стекловолокно, будучи диэлектриком и химически совместимым с алюминием, позволило устранить основные недостатки алюмопластиков предыдущих поколений.

В настоящее время материалы класса СИАЛ являются в Российской Федерации основным семейством МПКМ, обладающих повышенными прочностными характеристиками при статическом и ударном нагружении в сравнении с алюмоорганопластиком ARALL.

Алюмостеклопластики имеют исключительный комплекс служебных характеристик. По сравнению с листами из алюминиевых сплавов они обладают: пониженной плотностью (на 10–15 %), повышенной трещиностойкостью (скорость роста трещины усталости в 5–10 раз ниже), высокой удельной прочностью (σ_в = 600–1300 МПа), огнестойкостью (выдерживают воздействие температуры до 1100 °C в течение ≥15 мин) и хорошей ремонтопригодностью. Эти качества делают их идеальными материалами для ответственных элементов конструкций воздушных судов, подвергаемых усталостным и ударным нагрузкам [13, 15, 17, 19].

Структура и принципы конструирования материалов класса СИАЛ

Алюмостеклопластик представляет собой симметричный пакет с нечетным количеством слоев (например, 3/2, 5/4, где первое число – количество металлических слоев, второе – полимерных прослоек), что предотвращает коробление.

Типичная структура материала класса СИАЛ включает (рис. 1):

• внешние слои – плакированные листы из алюминиевых сплавов толщиной 0,25–0,6 мм (Д16ч-АТ, 1163-АТ, 1441-Т11 и др.) для молниезащиты, коррозионной стойкости и возможности клепки;
• внутренний слой (для материалов с количеством слоев 3/2) – неплакированный алюминиевый лист и полимерные прослойки: 2–4 монослоя клеевых препрегов на основе эпоксидного связующего (ВК-41, ВСК-14-2мР), армированных стеклянной тканью (Т-10) или ровингом (R-10) с содержанием волокон 55–70 % (объемн.).

Тип армирования подбирается с учетом характера нагружения:

• однонаправленное [0°] (СИАЛ-1/GLARE-1) ‒ для зон растяжения;
• асимметричное в соотношении 70/30 (СИАЛ-2/GLARE-4) ‒ для смешанного нагружения;
• перекрестное [0°/90°] (СИАЛ-3/GLARE-3) ‒ для обеспечения изотропности свойств элементов конструкции (фюзеляж, полы).

Механизмы формирования комплекса служебных свойств

Механические характеристики при растяжении и сжатии, коррозионная стойкость

Результаты испытаний на растяжение образцов алюмостеклопластиков на основе алюминий-литиевого сплава 1441-Т11 и стеклопластиков, имеющих пятислойные структуры (3/2) – однонаправленную (СИАЛ-1-1Р) и равнопрочную (СИАЛ-3-1Р), представлены в табл. 3. Для сравнения приведены характеристики листов толщиной 1,5 мм из алюминиевого сплава 1163-Т, широко используемого в конструкциях самолетов [17–19].

Алюмостеклопластик СИАЛ-1-1Р с однонаправленной ориентацией армирующих волокон обладает существенной анизотропией, особенно предела прочности при растяжении. У материала СИАЛ-3-1Р с равнопрочным армированием механические свойства в продольном и поперечном направлениях близки между собой.

Использование однонаправленного армирования алюмостеклопластика ровингом позволяет получать более высокий уровень механических свойств, чем при армировании равнопрочными тканевыми препрегами, при прочих равных условиях [16, 20].

Установлены следующие закономерности формирования механических свойств при растяжении и сжатии в исследуемых слоистых МПКМ:

• предел прочности при растяжении материалов класса СИАЛ в направлении армирования в большей степени зависит от σ_в стекловолокна (~2000 МПа) и алюминий-литиевых листов (~440 МПа) в соответствии с объемной долей (количеством и толщиной) слоев; для равнопрочного материала класса СИАЛ σ_в = 600–700 МПа в обоих направлениях, для однонаправленных структур σ_в = 1000–1200 МПа в продольном направлении;
• предел текучести алюмостеклопластика непосредственно обусловлен σ_0,2 металлических листов и в продольном и поперечном направлениях составляет 335 и 257 МПа соответственно;
• относительное удлинение материалов класса СИАЛ не превышает удлинения стекловолокна (δ = 3,0 %) и практически не зависит от направления армирования клеевого препрега (δ = 4,1–4,7 %);
• модуль упругости при растяжении и сжатии алюмостеклопластиков зависит от схемы армирования и объемного содержания металла в структуре слоистой композиции. При увеличении в структуре объемной доли алюминий-литиевых листов модули упругости при растяжении и сжатии повышаются (Е ≈ 70 ГПа, Е_сж ≈ 71 ГПа), однако их уровень ниже, чем у листов из алюминий-литиевых сплавов (Е = 79–80 ГПа, Е_сж = 80–81 ГПа) [13, 17–20].

При эксплуатации авиационной конструкции материал подвергается длительным низкотемпературным нагревам (солнечным, технологическим и др.). Показано [19], что длительные температурные нагревы при температурах 85 и 125 °С в течение 1000 ч не оказывают существенного воздействия на механические свойства, определяемые при растяжении при комнатной температуре.

Наибольшему влиянию коррозионных факторов слоистые материалы класса СИАЛ подвергаются со стороны внешних металлических листов и с торцевых поверхностей, что может изменять свойства алюмостеклопластика вследствие химических и электрохимических процессов, а также влагопоглощения и деструкции полимерных слоев. При условии надежной антикоррозионной защиты торцевых поверхностей деталей по периметру и отверстий под крепеж, а также поверхности внешнего алюминиевого листа структура гибридных слоистых алюмостеклопластиков обеспечивает повышенную коррозионную стойкость деталей при эксплуатации [19–21].

Для защиты деталей из алюмостеклопластиков от коррозионных повреждений применяют нанесение грунтов, эмалей, герметиков по схемам в соответствии с нормативными документами и требованиями конструкторской документации.

Трещиностойкость и сопротивление усталости

Важнейшее преимущество материалов класса СИАЛ перед металлическими материалами – способность останавливать развитие усталостной трещины. Когда микротрещина длиной 1–2 мм возникает в алюминиевом слое, стекловолокна в полимерной прослойке остаются целыми, создавая «мостиковый эффект», снижая коэффициент интенсивности напряжений ΔK и перераспределяя нагрузку на соседние слои, что препятствует появлению сквозных трещин.

В результате скорость роста трещины в материалах класса СИАЛ составляет ≤0,3 мм/кциклов при ΔK = 31 МПа√м, тогда как в листах из сплава Д16ч-АТ – до 2,5 мм/кциклов (в 8–10 раз больше).

Установлено, что снижение скорости роста трещины усталости в слоистых материалах класса СИАЛ, по сравнению с монолитными алюминиевыми листами, происходит из-за зигзагообразной траектории трещины вследствие ее ветвления в слоях стеклопластика [22–24], вызывающего в процессе испытаний расслоение образцов МПКМ (рис. 2).

Усталостная трещина на поверхности слоистого материала может появиться раньше, чем в монолитных листах. Далее трещина растет очень медленно [22–24]. Сравнительные данные по влиянию структуры материала на скорость роста трещины усталости приведены на рис. 3 и 4.

В процессе испытаний на усталостную долговечность (МЦУ) алюмостеклопластика установлено, что появление усталостной трещины происходит на стадии 20–30 % от числа циклов до полного разрушения в поверхностных слоях образцов из алюминий-литиевого сплава с дальнейшим развитием трещины и разрушением металлического листа. Долговечность продольных образцов материала марки СИАЛ-1-1 с однонаправленной схемой армирования существенно выше, чем образцов алюмостеклопластика СИАЛ-3-1 с перекрестным армированием. При этом получено, что характеристики МЦУ образцов алюмостеклопластика СИАЛ-3-1 с перекрестным армированием сравнимы с долговечностью монолитных листов из ресурсных сплавов 1163 и 1441 (табл. 4).

Испытания конструктивно-подобных панелей фюзеляжа самолета Ан-148 [23, 24] также подтвердили преимущество материалов класса СИАЛ перед листами из традиционного обшивочного высокоресурсного сплава 1163. Живучесть панелей из алюмостеклопластика в ~2 раза превосходила живучесть панели из сплава 1163: долговечность панели из алюмостеклопластика СИАЛ на основе листов из сплава 1441 составила >305000 циклов, а панель из сплава 1163-АТ разрушилась при ~160000 циклов.

Ударная стойкость

Типичным видом эксплуатационных повреждений поверхностей конструкции самолетов могут быть повреждения ударного происхождения при монтажных и ремонтных работах. Поверхности листов из традиционных алюминиевых сплавов при местных повреждениях можно ремонтировать зачисткой и заменой участка поверхности с креплением на механическом крепеже.

Исследование слоистых образцов после испытаний показали [25], что ударная стойкость материалов класса СИАЛ возрастает с увеличением общего количества слоев в композите и толщины алюминиевых листов, а также благодаря применению перекрестного армирования монослоев стеклопластика, в связи с чем наиболее оптимальной является структура пятислойного (3/2) материала с четырьмя монослоями препрега с перекрестной укладкой [0°/90°/90°/0°] и толщиной листа из сплава Д16ч-АТ 0,5 мм. Энергия удара на пробой этой композиции не превышает 42 Дж, что сопоставимо с показателями зарубежного материала GLARE [26].

Ударостойкость алюмостеклопластиков на базе листов из сплава 1441-АТ1 ниже, чем у аналогичной композиции на основе листов из сплава Д16ч-АТ.

Энергия удара при пробое монолитных листов толщиной 1,5 мм ниже, чем для материалов класса СИАЛ, и имеет максимальные значения 34 Дж.

Сравнительные испытания показали [26], что, в отличие от углепластиков, материалы класса СИАЛ демонстрируют высокую устойчивость к низкоскоростным ударам (падающий груз, инструмент, техобслуживание), повреждения визуализируются (вмятины), что упрощает диагностику. При этом повреждения локализованы, трещины несквозные, остаточная прочность сохраняется на уровне 70–80 % даже при наличии вмятин глубиной до 6 мм.

Огнестойкость и огненепроницаемость

Для обеспечения безопасности при эксплуатации авиационной техники в обязательном порядке должны выполняться требования, предъявляемые к пожарной безопасности материалов и типовых конструктивных элементов на их основе. В ряде параграфов Авиационных правил предъявляются требования к огнестойкости или огненепроницаемости материалов при воздействии открытого пламени в различных ситуациях при эксплуатации (наземный пожар от разлива топлива, пожар во внутренних отсеках, пожар в зонах двигателей и пожароопасной зоне материалов внешней обшивки и др.).

Для оценки возможности использования слоистого алюмостеклопластика в зонах конструкции самолета с повышенными требованиями пожарной безопасности проведены квалификационные испытания во ФГУП «ГосНИИ ГА» на образцах листов из сплава 1441 и стеклопластика КМКС-2мР.120.РВМПН.30 применительно к облицовкам багажно-грузового отсека и противопожарным перегородкам. Сравнительная оценка результатов испытаний на огнестойкость, проведенных зарубежными (Airbus, Boeing) и отечественными (ВИАМ, ФГУП «ГосНИИ ГА») компаниями, показала, что отечественные и зарубежные материалы аналогичны по времени прогорания (табл. 5) [27–31].

При проведении испытаний всех типов алюмостеклопластиков при воздействии открытого пламени с температурой 1100 °С в течение 15 мин не наблюдали сквозного прогорания образца. Прогорание затронуло только наружный алюминиевый лист с частичным обугливанием поверхностного первого слоя стеклопластика [27, 28, 31]. При аналогичных условиях испытания сквозное прогорание монолитного листа от пламени с температурой 1100 °С наступает через 1,5 мин, т. е. быстрее в >10 раз.

Зависимость изменения температуры на расстоянии 100 мм от поверхности образца представлена на рис. 5 [19, 28].

Повышенная огнестойкость алюмостеклопластиков связана со свойствами стекловолокна (плавление при температуре >1000 °C) и абляционным эффектом при термодеструкции слоев стеклопластика, которые в сочетании с алюминиевыми слоями формируют барьер, предотвращающий сквозное прогорание. Материалы класса СИАЛ выдерживают воздействие температуры 1100 °C в течение 15–20 мин без сквозного прогорания, не выделяют токсичных газов при термодеструкции. Это делает материал пригодным для зон с повышенными требованиями пожарной безопасности: мотогондол, багажных отсеков, противопожарных перегородок.

Плотность и весовая эффективность

Средняя плотность материалов класса СИАЛ составляет 2350–2400 кг/м³ против 2780–2810 кг/м³ у алюминиевых сплавов. При сохранении уровня прочности это обеспечивает снижение массы детали на 10–15 %.

Технологии производства

Изготовление заготовок деталей из материалов класса СИАЛ осуществляется методом автоклавного формования (температура 120–180 °C, давление 0,6–0,8 МПа).

Технологические режимы автоклавного формования (давления, температуры и времени выдержки при формовании) для получения стабильных свойств слоистых алюмостеклопластиков выбирают с учетом конструктивных особенностей детали.

При формовании заготовок алюмостеклопластиков учитывают температурно-временны́е параметры процессов отверждения клеевых связующих ВСК-14-2мР и ВСК-14-2м [32, 33], используемых в клеевых препрегах КМКС на основе стеклонаполнителей (ровинга и тканей Т-60(ВМП), Т-64(ВМП)), принимая также во внимание параметры режимов искусственного старения алюминиевых листов, входящих в структуру материалов класса СИАЛ.

Для изготовления крупногабаритных конструкций из алюмостеклопластиков СИАЛ разработаны методы сращивания заготовок [19, 34] (рис. 6 и 7).

Оценка прочностных характеристик и трещиностойкости в зонах сращивания, проведенная на заготовках из материала СИАЛ-3-1 на базе листов из сплава 1441-РДТ11 и клеевого препрега на основе ровинга КМКС-2мP.120.РВМПН.30, показала, что служебные характеристики в зоне сращивания не уступают свойствам материала СИАЛ-3-1 с регулярной структурой [19, 35].

Применение технологии соединений слоистых алюмостеклопластиков методом сращивания обеспечивает снижение массы конструкции на 10–15 % за счет уменьшения числа заклепочных стыков и снижения трудоемкости при сборочных работах.

Применение в авиационных конструкциях

Наиболее известной областью применения материалов GLARE-3 и GLARE-4 в настоящее время является изготовление деталей самолета Airbus А380: панелей верхней зоны фюзеляжа (27 панелей), кромки хвостового оперения, гермошпангоутов, соединительных лент. Применение всего 3 % (от общей массы) материалов класса GLARE в самолете Airbus А380 взамен традиционных алюминиевых сплавов позволило снизить массу конструкции на ~500 кг [36, 37].

В самолетах Fokker F27, Fokker 100, Boeing C-17, Boeing С-130 для панелей крыльев опробованы алюмоорганопластики марки ARALL, однако эти работы не нашли дальнейшего продолжения и не были внедрены из-за отмеченных недостатков и по экономическим причинам [4, 38].

Алюмоорганопластики применены также в самолетах Airbus A340-500/600 (передняя кромка крыла) и Boeing 777 (панели пола грузового отсека).

Слоистый алюмоуглепластик CARALL опробован в деталях, испытывающих ударные нагрузки (стойки вертолета, сиденья самолета) [19].

Применение МПКМ класса АЛОР для передней кромки крыла самолета Ан-124 позволило снизить ее массу на 10–15 % по сравнению с алюминиевым сплавом Д16ч-АТ [6].

Алюмостеклопластик СИАЛ-3-1 (с трехслойной структурой на базе листов из сплава 1441-РТ1 толщиной 0,5 мм и прослоек стеклопластика на основе клея ВК-41 и равнопрочной ткани Т-10 из высокопрочного высокомодульного стекла) применен в качестве молниезащитных верхних панелей пилотных топливных баков самолета Бе-103 [39].

В военной и транспортной авиации материалы класса СИАЛ применяются в элементах хвостового оперения и для панелей мотогондол.

Применение в конструкции вертолета Ка-226 материала СИАЛ-2-1Р для створки капота двигателя взамен титанового сплава ОТ4 обеспечило снижение массы на 20 % и повышение огнестойкости до 1100 °C в течение 15 мин [33, 40].

Ограничения и перспективы

Достоинства материалов класса СИАЛ неоспоримы, однако имеются ограничения, к которым относятся:

• более высокая стоимость по сравнению с монолитными полуфабрикатами из алюминиевых сплавов (в 2–3 раза);
• сложность механической обработки (сверловка требует специальных режимов);
• ограниченная применяемость в зонах длительного воздействия высоких температур (>150 °C);
• требования к герметизации торцов (для предотвращения влагопоглощения).

Тем не менее в рамках «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» (комплексная научная проблема 6.2. «Слоистые трещиностойкие, высокопрочные металлополимерные материалы») в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ активно ведется разработка материалов класса СИАЛ на основе алюминий-литиевых сплавов (1441, В-1469) для еще большего снижения массы [41], а также предлагаются для применения гибридные панели крыла и центроплана с комбинированным набором из профилей из сплавов системы Al–Li и технологии ремонта поврежденных участков методом локального использования накладок из материалов класса СИАЛ [42].

Заключения

Гибридные слоистые композиционные материалы – это не просто альтернатива традиционным металлам, а новый класс конструкционных материалов, сочетающих прочность металла, легкость композита и уникальную живучесть. Разработки НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ (СИАЛ) и зарубежные аналоги (GLARE) уже доказали свою эффективность в реальных конструкциях.

Уникальный набор служебных характеристик (высокие удельная статическая прочность, сопротивление усталости, трещиностойкость и коррозионная стойкость, повышенные огнестойкость, огненепроницаемость и устойчивость к ударам), существенно превышающих уровень свойств монолитных алюминиевых листов, делает слоистые МПКМ перспективными для будущих поколений авиационных конструкций.

Дальнейшее развитие направления связано с интеграцией цифровых технологий (цифровые двойники, оптимизация структуры компонентов композиционных материалов), использованием перспективных связующих (термопласты, самовосстанавливающиеся матрицы) и расширением геометрических возможностей формования (детали с двойной кривизной, интегральные панели).

Алюмостеклопластики являются наиболее перспективными МПКМ. Их уникальные свойства позволяют создавать более легкие, надежные и долговечные конструкции летательных аппаратов. Дальнейшее развитие этих материалов открывает новые перспективы для авиастроения и других отраслей промышленности.