Введение

В авиастроении широко используют алюминиевые сплавы при производстве клееных конструкций благодаря их высокой коррозионной стойкости и удельной прочности при невысокой, по сравнению с другими металлами, плотностью. Основным технологическим приемом, который используется в авиастроении, является химический способ обработки поверхности алюминиевых сплавов перед склеиванием, заключающийся в химическом оксидировании этих металлов в хромовой кислоте (анодное оксидирование), благодаря чему, с одной стороны, удается обеспечить их коррозионную защиту, а с другой – повысить стабильность прочностных показателей клееных материалов в условиях воздействия окружающей среды и эксплуатационных нагрузок [1, 2].

При многих положительных характеристиках анодного оксидирования ограничением для его применения является небольшой срок активности анодной пленки, поскольку при хранении в воздушной среде она быстро теряет свои адгезионные свойства. В связи с этим интервал времени между технологическим приемом анодирования и началом технологического процесса склеивания не должен превышать 2 сут [3].

Для увеличения интервала времени между химической обработкой в хромовой кислоте (с целью получения анодного покрытия (Ан.Окс.хром)) и началом работ по склеиванию предварительно (но не более 2 ч после процесса анодирования) на подлежащие склеиванию поверхности алюминиевых сплавов наносится адгезионный грунт ЭП-0234, а затем проводят его отверждение при температуре 125±5 °С. Функции адгезионного грунта в клеевом соединении заключаются в следующем [4–7]:

– до нанесения клея на склеиваемые поверхности грунт предотвращает загрязнение поверхностей, подготовленных под склеивание, в процессе промежуточных технологических операций, а также при их транспортировке и хранении;

– способствует увеличению интервала времени между технологическими этапами, в ходе которых сначала подготавливают поверхности под склеивание, а затем производят их склеивание; в результате повышается производительность труда за счет увеличения количества деталей, для которых одновременно выполняется операция по подготовке поверхности;

– предварительное нанесение адгезионного грунта способствует достижению лучшей смачиваемости склеиваемой поверхности клеем, так как грунт в своем составе содержит специальные функциональные добавки;

– наличие адгезионного грунта на поверхности алюминиевых сплавов способствует защите поверхности металлов от коррозии из-за содержания в его составе соединений хрома, являющихся ингибиторами коррозии;

– грунт, нанесенный на поверхность анодированного металла, заполняет поры в анодном покрытии, благодаря чему снижается возможность диффузии влаги, которая может проникать по торцам клеевого шва;

– клеевые соединения имеют более высокую водостойкость и трещиностойкость, поскольку клеевой слой на границе «клей–субстрат», как показали исследования, является более монолитным [8].

При использовании грунта ЭП-0234 в технологическом процессе склеивания клеем ВК-36 его концентрация должна составлять 11±1 % (по массе). На поверхности его наносят способом пневматического распыления (краскораспылителем) аналогично нанесению лакокрасочных покрытий.

В результате, за счет нанесения грунта на предварительно анодированную поверхность металла, существенно (с 2 до 30 сут) увеличивается время хранения деталей до начала процесса склеивания [9].

В данной статье представлены результаты исследований, показывающие влияние грунта марки ЭП-0234 на показатели характеристик стандартных образцов, склеенных с использованием клеящей пленки марки ВК-36.

Работа выполнена в рамках реализации комплексной научной проблемы 15.1. «Многофункциональные клеящие системы» («Стратегические направления развития материалов и технологий переработки на период до 2030 года») [10–12].

Материалы и методы

В качестве объекта исследований использована пленка клеевая марки ВК-36 на основе эпоксидной смолы, модифицированной полисульфоном, рекомендованная для соединения элементов конструкций из металлических и полимерных композиционных материалов, в том числе сотовых конструкций, работающих в интервале температур от –130 до +160 °С.

В качестве клеевого подслоя под нанесение клея ВК-36 применялся адгезионный грунт ЭП-0234 желтого цвета (ТУ 1-595-24-501–97). Содержание основного вещества в рецептуре грунта составляло от 55 до 60 %, степень перетира – не более 25 мкм [13, 14].

Перед применением грунт разбавляли с целью достижения рабочей концентрации 11±1 % путем введения растворителя.

Использовали следующие методы исследований:

– клеящие свойства при сдвиге оценивали по ГОСТ 14759–91;

– клеящие свойства при отслаивании оценивали по РТМ 1.2А.015–99;

– влияние условий камеры тропиков исследовали по СТП 1-595-20-100–2002;

– оценку влияния длительной нагрузки на прочность и выносливость клеевых соединений проводили по РТМ 1.2А.015–99.

Результаты и обсуждение

С целью оценки изменения показателей прочностных характеристик клеевых соединений стандартных образцов под влиянием предварительно нанесенного адгезионного грунта ЭП-0234 с использованием клея ВК-36 изготовлена серия образцов для проведения испытаний в условиях воздействия нагрузок различного вида, после чего выполнены их испытания. При этом часть образцов изготовлена на анодированных образцах без грунта, а вторая часть – с дополнительным предварительным нанесением адгезионного грунта ЭП-0234. Показатели испытаний прочностных характеристик клеевых соединений после воздействия условий экспозиций различного вида в сравнении с контрольными образцами приведены в табл. 1.

Таблица 1

Механические свойства клеевых соединений при различных видах испытания

Данные, представленные в табл. 1, показывают, что в зависимости от температуры и вида испытаний получены различные результаты по влиянию адгезионного грунта на значения характеристик клеевых соединений. Для образцов клеевых соединений закрытого типа установлено, что показатели, характеризующие прочностные свойства в условиях сдвиговых нагрузок (τ_в), при температурах испытания –130 и –60 °С в сравнении с показателем при 20 °С снижаются незначительно;  при  температурах 150 и 160 °С имеет место более существенное снижение прочности. Показатели, характеризующие прочностные свойства в условиях воздействия расслаивающих нагрузок (S_рассл), в процессе испытаний при температурах –130, 20 и 150 °С изменяются незначительно и остаются в пределах от 2,0 до 2,7 кН/м; при температуре –60 °С имеет место некоторое повышение значения данного показателя до 3,1–3,4 кН/м. Следует отметить существенное снижение данного показателя для образцов с грунтом при температуре  160 °С. Результаты испытаний образцов сотовой конструкции при равномерном отрыве (σ_отр) и методом поднимающегося барабана (М_отд), представленные в табл. 1, показывают характер изменения прочностных показателей в интервале температур  от –60 до +150 °С.

Результаты испытаний, представленные в табл. 2, демонстрируют сравнение показателей прочностных характеристик образцов, изготовленных как без грунта, так и с использованием грунта и склеенных с применением клея ВК-36, при воздействии на них температур, превышающих 20 °С.

Таблица 2

Механические свойства клеевых соединений

после выдержки при повышенных температурах

Анализ данных, содержащихся в табл. 2, показывает, что использование предварительного нанесения на образцы грунта ЭП-0234 с последующим использованием клея ВК-36 не сказывается отрицательно на изменении уровня показателей прочности образцов при сдвиге после воздействия на них термического старения при температурах: 150 °С в течение 5000 ч и 160 °С в течение 1000 ч. Следует отметить, что нанесение грунта способствует повышению показателей прочностных свойств склеенных образцов после выдержки в условиях воздействия термостарения по режиму 150 °С в течение 5000 ч в процессе их испытания при 150 °С – с 20,0 до 24,5 МПа.

Термостарение по режиму 150 °С в течение 5000 ч практически не вызывает снижения показателей прочностных характеристик склеенных образцов при воздействии расслаивающей нагрузки [15–17].

В табл. 3 содержатся данные испытаний склеенных клеем ВК-36 образцов, изготовленных как с предварительным нанесением грунта ЭП-0214, так и без него, после выдержки в воде продолжительностью 30 сут.

Таблица 3

Механические свойства клеевых соединений после воздействия воды в течение 30 сут

Результаты испытаний, представленные в табл. 3, свидетельствуют о том, что грунт ЭП-0234, защищающий соединяемые поверхности под склеивание клеем ВК-36, вызывает несущественное снижение показателей прочностных характеристик при сдвиге для контрольных склеенных образцов. В то же время установлено, что показатели прочности при сдвиге для этих же образцов с грунтом после их выдержки в воде в течение 30 сут, превышают аналогичные показатели для клеевых соединений, изготовленных без применения грунта. Исключение составляют показатели прочности для образцов, испытанных при 20 °С, так как при этой температуре показатели прочности незначительно снижаются (на ~3 %).

Прочность клеевых соединений на клее ВК-36 при расслаивании в случае применения грунта ЭП-0234 незначительно снижается, но после воздействия воды в течение 30 сут прочность при расслаивании для образцов с грунтом практически во всех случаях превышала аналогичные показатели для образцов без грунта.

В табл. 4 приведены результаты испытаний клеевых соединений после выдержки в условиях воздействия искусственного тропического климата в течение 30 и 90 сут.

Таблица 4

Механические свойства клеевых соединений

после выдержки в камере тропического климата

Анализ представленных в табл. 4 результатов показывает, что влияние грунта ЭП-0234 на исходную прочность клеевых соединений и после длительного воздействия искусственного тропического климата аналогично воздействию воды.

Прочность при сдвиге клеевых соединений, выполненных без применения грунта ЭП-0234, после выдержки в искусственных тропических условиях в течение 90 сут снизилась на 25 %, а с грунтом – на 10,7 %.

После выдержки в аналогичных условиях образцов клеевых соединений без грунта для испытания при расслаивании (S_рассл) при температуре испытания 20 °С их прочность после воздействия искусственных тропических условий в течение 90 сут снизилась на 31 %, а клеевых соединений, изготовленных с использованием грунта ЭП-0234, в аналогичных условиях – на 11 % [17, 18].

Для соединений сотовой конструкции во всех случаях имело место разрушение по сотовому заполнителю и определялось прочностью фольги АМг2Н, толщина которой составляла 0,05 мм.

В табл. 5 приведены данные по изменению прочности при сдвиге клеевых соединений при циклическом воздействии на них переменных температур.

Таблица 5

Прочность при сдвиге клеевых соединений

после циклического воздействия переменных температур

Анализ данных, приведенных в табл. 5, позволяет сделать вывод, что применение грунта ЭП-0234 при получении клеевых соединений с клеем ВК-36 не ухудшает их прочностных характеристик при циклическом воздействии температур от –60 до +150 °С в течение 30 циклов и от –130 до 160 °С в течение 100 циклов.

Заключения

Проведены сравнительные испытания клеевых соединений алюминиевого сплава Д19-АТ Ан.Окс.хром, изготовленных с применением клея ВК-36, с предварительно нанесенным адгезионным грунтом ЭП-0234 и без грунта. Показано, что применение грунта ЭП-0234 позволяет увеличить интервал времени между операциями анодирования поверхности и склеивания с 2 до 30 сут. Одновременно показано, что применение грунта ЭП-0214 при склеивании клеем ВК-36 не оказывает отрицательного влияния на работоспособность клеевых соединений, а в некоторых случаях, например при воздействии воды и повышенной влажности, позволяет сохранить более высокий уровень прочностных характеристик.