Введение

Снижение массы конструкции планера современного самолета является одним из наиболее важных целевых критериев, реализация которого определяет степень совершенства его конструкции. На долю обшивки приходится до 30–40 % от массы крыла и фюзеляжа планера современного самолета, поэтому одним из перспективных способов снижения массы при обеспечении высокой сопротивляемости ударным нагрузкам является применение гибридных металлополимерных композиционных материалов (МПКМ), или Fiber Metal Laminate (FML) [1, 2].

К категории гибридных материалов традиционно принято относить слоистые композиционные материалы, в которых слои из металлических материалов (преимущественно алюминиевые, титановые сплавы и стали) чередуются со слоями из полимерных композиционных материалов (ПКМ) [3]. При этом компоновка такого гибридного слоистого МПКМ (толщина, количество слоев и тип материала) может варьироваться в зависимости от предполагаемых условий его применения и места в конструкции самолета, а также характера приложенных к нему нагрузок [4]. Послойная ориентация армирующего волокна в полимерной части слоистого МПКМ позволяет управлять его свойствами и определяет комбинацию основных преимуществ: высокие уровни прочностных свойств и сопротивления усталостному разрушению в требуемом направлении (при однонаправленном армировании) либо высокие значения сопротивления ударным воздействиям, вязкости разрушения и низкая анизотропия механических свойств при умеренно высоких удельных прочностных характеристиках (при послойной смене направления укладки армирующего волокна или включении в состав слоя тканых полотен) [5].

Для повышения стойкости к ударам и уровня броневых свойств рядом зарубежных исследователей предпринимаются попытки создания гибридных МПКМ, включающих внутренний слой металлической пены наряду с поверхностными чередующимися слоями металлических листов и ПКМ [6].

Одним из первых самолетов, в конструкции (обшивка центроплана) которого применены гибридные слоистые МПКМ, является пассажирский самолет Fokker F-27 Friendship (коммерческая эксплуатация началась в 1950-е гг.). Впоследствии замена примененного в его конструкции МПКМ на усовершенствованный материал-аналог марки ARALL (алюминиевый сплав 2024 или 7475 с армированием арамидными волокнами, пропитанными эпоксидным клеем) позволила уменьшить массу планера самолета на 33 % [2].

За рубежом также широко известен слоистый материал GLARE (алюминиевый сплав 2024, 7075 или 7475 со стеклопластиковыми клеевыми препрегами), который применяется в конструкции самолетов Airbus A380 и A350 (фюзеляж, передние кромки стабилизатора и киля, конструкция грузового пола), Boeing 767 и 777, а также в самолетах фирмы Bombardier [3, 7, 8]. Одна из наиболее примечательных особенностей данного МПКМ – возможность визуально определить место удара без дополнительных средств обнаружения дефектов [9]. Однако главными преимуществами материала GLARE и его отечественного аналога СИАЛ являются высокий уровень удельных прочностных характеристик, а также низкие значения плотности, скорости развития и распространения трещин [10].

Кроме того, слоистые МПКМ могут использоваться для локального усиления деталей и конструкций из ПКМ в местах болтовых соединений, а также при выполнении переходных зон между деталями из ПКМ и металлических сплавов. Реализация возможна на стадии изготовления (формования) детали из ПКМ с формированием локальных зон гибридного слоистого МПКМ и плавных переходов к ним путем вставки различного количества металлических слоев либо посредством технологии послойного «сращивания» детали, изготовленной из ПКМ, с гибридным слоистым МПКМ [2, 11].

Однако необходимо отметить, что для подобных материалов, как следствие особенностей технологии их изготовления, требуется 100%-ный контроль полуфабрикатов неразрушающими методами [3].

Перечисленные характеристики МПКМ особенно актуальны для обеспечения надежности и экономичности эксплуатации пассажирской авиации. Такие материалы совмещают преимущества как неметаллических композиционных материалов [12], так и металлических сплавов и обеспечивают за счет высокой демпфирующей способности повышение устойчивости элементов конструкций к эксплуатационным вибро-акустическим нагрузкам, приводящим к усталостному разрушению.

Значительно более высоких значений прочностных характеристик и модуля упругости можно достигнуть за счет применения в составе гибридных МПКМ углепластиков, в том числе упрочненных высокопрочными графитовыми волокнами типа IM-6 (гибридный материал TiGr), совместно с титановыми сплавами (титанополимерные материалы), что также снимает риск развития коррозионных повреждений в их соединении.

Отечественных разработок в области титанополимерных слоистых материалов в авиастроительной отрасли немного, и они имеют преимущественно экспериментальный характер. Среди них можно упомянуть материалы ТИОР (органопластик и сплав ВТ35), ТИГРАН (углепластик и сплав ВТ6), а также экспериментальные материалы на основе сплавов ВТ20, ВТ23 (ВТ23М), ОТ4 с угле- и органопластиками, разработанные в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ и других научно-исследовательских институтах [2, 7, 13, 14].

При этом отмечено, что иностранные исследователи активно проводят работы в данном направлении последние 30–40 лет. Несмотря на то что в научно-исследовательской литературе по теме слоистых МПКМ большая часть источников посвящена материалам на основе алюминия, исследованию титанополимерных материалов также уделяется значительное внимание, в особенности применительно к области сверхзвуковой авиации и космической техники. К одному из наиболее известных титанополимерных композиционных материалов можно отнести материал марки TiGr (на основе графитового волокна), применение которого в авиационной отрасли началось в 1990-х гг. для элементов обшивки крыльев и фюзеляжа самолета Boeing 787 и люков двигателя конвертоплана Bell Boeing V-22 Osprey [15].

Это подтверждает актуальность проблемы создания новых титанополимерных материалов с повышенным уровнем свойств (в особенности сопротивления усталостному разрушению и трещиностойкости) и их внедрения в конструкцию современных изделий авиационного и космического назначения. Высокая удельная прочность и низкая скорость роста трещины усталости (СРТУ) титанополимерных слоистых материалов позволят повысить весовые характеристики и надежность конструкции новых сверхзвуковых пассажирских самолетов, что затруднительно реализовать при использовании уже существующих и широко применяемых материалов.

Разработанный в настоящее время в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ титанополимерный материал марки ВТПО-1 на основе листов из сплава ВТ23М и органопластика превосходит материал-аналог (сплав ВТ23М) по пределу прочности при растяжении на 18 %, по плотности – на 32 %, по удельной прочности – в 1,5 раза, по удельной жесткости – на 26 %. Титанополимерный материал марки ВТПУ-1 на основе листов из сплава ВТ23М и углепластика превосходит сплав ВТ23М по пределу прочности при растяжении на 27 %, по модулю упругости – на 15 %, по плотности – на 42 %, по удельной прочности – в 1,8 раза, по удельной жесткости – в 1,6 раза.

Основным преимуществом слоистых титанополимерных материалов при создании сверхзвуковых летательных аппаратов является высокая трещиностойкость, поэтому в данной статье представлены результаты исследований сопротивления усталостному разрушению материалов ВТПО-1 и ВТПУ-1 в сравнении с титановыми сплавами.

Работа выполнена в рамках реализации стратегических направлений 6. «Слоистые металлополимерные, биметаллические и гибридные материалы» и 12. «Металломатричные и полиматричные композиционные материалы» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [16].

Материалы и методы

Исследования проведены на образцах гибридных слоистых МПКМ марок ВТПУ-1 и ВТПО-1, изготовленных в условиях производства НИЦ «Курчатовский институт» - ВИАМ и обладающих уровнем свойств, представленным в табл. 1 и 2 [17].

Таблица 1

Механические свойства (средние значения) образцов

слоистых титанополимерных материалов марок ВТПУ-1 и ВТПО-1

Таблица 2

Эксплуатационные свойства образцов слоистых титанополимерных материалов

ВТПУ-1 и ВТПО-1 при температуре испытаний 20 °С

(продольное направление вырезки образцов)

Для однонаправленных слоистых титанополимерных материалов ВТПУ-1 и ВТПО-1, как и для большинства композиционных материалов на основе титана с упрочнением высокомодульными волокнами, характерна выраженная анизотропия прочностных свойств при растяжении, в том числе модуля упругости [18]. При этом в продольном направлении за счет однонаправленного расположения волокон армирующего наполнителя обеспечивается высокий уровень механических свойств и ударной вязкости при более низких значениях плотности по сравнению с классическими титановыми сплавами. Испытания на растяжение титанополимерных материалов при повышенных температурах проведены при нагреве до 175 °С, что обусловлено предельной рабочей температурой эпоксидного связующего. Уменьшение предела прочности титанополимерных материалов ВТПУ-1 и ВТПО-1 при испытании на растяжение при температуре 175 °С по сравнению с 20 °С составляет 13 и 11 % соответственно, что можно охарактеризовать как незначительное снижение уровня механических свойств при максимальной рабочей температуре. Необходимо также отметить, что по результатам испытаний на растяжение образцов слоистых титанополимерных материалов после воздействия длительных нагревов практически не наблюдалось уменьшения предела прочности при растяжении и модуля упругости. 

Не зафиксировано снижение уровня механических свойств при испытании на растяжение слоистых титанополимерных материалов марок ВТПО-1 и ВТПУ-1 после экспозиции в камере соляного тумана, коррозионные повреждения на образцах отсутствовали.

На рис. 1 представлены микроструктуры титанополимерных материалов.

Рис. 1. Микроструктуры (оптическая микроскопия, анализируемая плоскость – поперечная) образцов слоистых титанополимерных материалов ВТПУ-1 (а, б) и ВТПО-1 (в, г)

Образцы слоистых титанополимерных материалов марок ВТПУ-1 и ВТПО-1 не имеют дефектов в виде расслоений, пустот или инородных включений. Микроструктура листов сплава марки ВТ23М в образцах соответствует 1–2 типу согласно девятитипной шкале микроструктур для (α + β)-сплавов в соответствии с ПИ 1.2.785–2009. Распределение клеевого связующего в препрегах углепластика марки КМКУ-4м.175.UMT49 и органопластика марки ВКО-26 в образцах слоистых титанополимерных материалов марок ВТПУ-1 и ВТПО-1 равномерное. Однако наблюдаются участки, обедненные армирующими волокнами наполнителя, что характерно для данного типа материалов, в особенности при использовании жгутовых армирующих наполнителей [5].

Циклическая долговечность (N) определена по ГОСТ 25.502–79 на образцах типа «полоса с отверстием» при напряжении σ_max= 290 МПа, α_σ = 2,6, R = 0,1,ν = 5 Гц, СРТУ (dl/dN) – по ОСТ 1 90268–78 на плоских образцах шириной В = 100 мм при R = 0,1 в интервале коэффициента интенсивности напряжений ΔK от 15,5 до 43,4 МПа√м.

Работа выполнена при поддержке ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Результаты исследований

Циклическая долговечность (N) титанополимерных материалов ВТПУ-1 и ВТПО-1 при σ_max = 290 МПа составила >1200000 циклов. Образцы сняты с испытаний при достижении 1200000 циклов, разрушены металлические слои без разрушения образцов.

Для исследованных титанополимерных материалов характерны высокие значения циклической долговечности в продольном направлении, что обусловлено выбранной компоновкой и направлением укладки армирующего наполнителя: для материала ВТПУ-1 – компоновка 3/2 [Ti/0/Ti/0/Ti], для материала ВТПО-1 – компоновка 2/1 [Ti/0/Ti] (продольное направление укладки).

Результаты испытаний титанополимерных материалов на СРТУ представлены в табл. 3.

Таблица 3

Скорость роста трещины усталости (СРТУ) титанополимерных материалов

марок ВТПУ-1 и ВТПО-1 при температуре испытаний 20 °С

Исходя из анализа представленных данных видно, что титанополимерные материалы характеризуются низким значением СРТУ. В среднем значения СРТУ материала ВТПУ-1, армированного углеродным волокном, в 4–5 раз меньше аналогичных значений для материала ВТПО-1, упрочненного арамидным волокном [19]. Значения СРТУ в зависимости от DK в интервале значений от 23,2 до 43,4 МПа√м либо не изменяются, либо проявляют незначительную склонность к увеличению, что выгодно отличает титанополимерные материалы от традиционных средне- и высокопрочных титановых сплавов, в частности Ti-64 и ВТ23М. Полученные результаты представлены графически (рис. 2).

Обсуждение результатов

По результатам сравнительного анализа ПКМ-составляющей разработанных материалов видно, что применение различных армирующих наполнителей в созданных слоистых титанополимерных материалах предопределяет их различия: для материала ВТПУ-1 характерны более высокий уровень прочностных характеристик и, соответственно, более высокая удельная прочность, а также очень низкие значения СРТУ; для материала ВТПО-1 – более высокий уровень ударной вязкости при более низкой удельной прочности и более высоких значениях СРТУ.

Необходимо отметить, что механизм усталостного разрушения гибридных МПКМ существенно отличается и более сложен в сравнении с гомогенными по структуре и свойствам металлическими сплавами. Для классического титанового сплава механизм развития процесса усталостного разрушения состоит из трех стадий: зарождение, рост трещины усталости с установившейся скоростью, быстрый рост трещины и разрушение материала. В случае слоистых композиционных материалов существует большее количество стадий и механизмов развития данного процесса.

Первая стадия - развитие и распространение трещины усталости на поверхностных металлических слоях материала, которые в случае наличия концентратора напряжений (отверстия) распространяются от него. Армирующее волокно также может выступать в качестве концентратора напряжений (в особенности при укладке в поперечном направлении по отношению к оси нагружения), поэтому процесс зарождения трещин усталости также развивается и в матрице композиционного материала вблизи границы раздела «матрица-волокно».

При росте трещин усталости до критического размера, ослаблении металлической составляющей материала и, как результат, увеличении уровня напряжений процесс образования и роста новых трещин активнее развивается в слоях композиционного материала и на границе раздела «металл-композиционный материал». Процесс усталостного разрушения в слоях с продольным по отношению к оси нагружения направлением укладки армирующего наполнителя может происходить следующим образом. Трещина усталости, как показано на материале TiGr, зарождается и распространяется между волокон в сторону поверхностных металлических слоев, а при достижении границы раздела «металл-композиционный материал» меняет направление, и далее в гибридном материале развивается процесс расслаивания [20]. Зачастую при росте трещин на ранних стадиях процесса армирующие волокна преимущественно не повреждаются, и формируется так называемый мостик из волокон [21]. Необходимость учета влияния перечисленных механизмов существенно осложняет моделирование и прогнозирование процесса усталостного разрушения слоистых МПКМ.

На последней стадии процесс усталостного разрушения распространяется непосредственно на волокна армирующего наполнителя, расположенные вдоль оси направления приложения нагрузки, и материал разрушается.

После проведения усталостных испытаний образцов титанополимерных материалов ВТПУ-1 и ВТПО-1 при выбранной нагрузке произошло разрушение только поверхностных металлических слоев, т. е. в слоях из ПКМ, вероятно, прошли только первая стадия процесса усталостного разрушения материала и частично вторая.

Низкие значения СРТУ (рис. 2) свидетельствуют о повышенной трещиностойкости разработанных материалов. Слоистые титанополимерные материалы ВТПУ-1 и ВТПО-1 обладают существенным преимуществом – более низкие значения СРТУ в сравнении с титановыми сплавами Ti-64 (в 20–40 и 5–8 раз соответственно) и ВТ23М (в 28 и 6 раз соответственно), что также подтверждается результатами сравнения зарубежных титанополимерных материалов-аналогов с титановыми сплавами, в том числе при повышенных температурах [5].

Рис. 2. Зависимости скорости роста трещины усталости (СРТУ) от коэффициента интенсивности напряжений DK титанополимерных материалов ВТПУ-1 и ВТПО-1 в сравнении с титановыми сплавами Ti-64 и ВТ23М

Низкие значения СРТУ, как отмечено ранее, характерны для всего класса гибридных слоистых композиционных материалов, а значения СРТУ разработанных материалов находятся на уровне соответствующего показателя отечественного гибридного материала на основе алюминия СИАЛ-1-1Р.

Классическая теория механизма усталостного разрушения, использующая понятие фактора интенсивности приложенных напряжений изотропного материала, не вполне подходит для описания поведения гибридных слоистых композиционных материалов. Многослойная структура гибридного материала и наличие высокопрочных высокомодульных волокон оказывают существенное влияние на СРТУ. В первую очередь низкие значения СРТУ обусловлены тем, что даже при существенном нарушении целостности слоя из ПКМ на стадии роста трещины с установившейся скоростью большая часть армирующих волокон остается целостной и принимает на себя воздействие приложенных нагрузок [21]. Трещины при расслаивании, распространяющиеся вдоль направления приложения нагрузки, также забирают для своего роста часть приложенной энергии, однако площадь поперечного сечения при этом не уменьшается, что является дополнительным фактором обеспечения низких значений СРТУ материала. Рядом исследователей также отмечено, что относительно слабое соединение металлических слоев со слоями ПКМ снижает уровень прочностных свойств, но также может повышать сопротивление усталостному разрушению слоистых гибридных МПКМ [20].

Необходимо отметить еще одну отличительную особенность процесса усталостного разрушения в гибридных композиционных материалах, проиллюстрированную на примере материала TiGr. В классических титановых сплавах, например Ti-15-3, СРТУ увеличивается с повышением коэффициента интенсивности напряжений ΔK. Для гибридного материала, наоборот, характерно снижение СРТУ с последующим переходом к установившимся значениям [22]. При анализе данных табл. 3 и рис. 2 выявлено, что для титанополимерного материала ВТПУ-1 также наблюдается аналогичная тенденция. Предполагается, что дальнейшее увеличение ΔK не приведет к существенному повышению СРТУ разработанных материалов, что является одним из наиболее важных преимуществ по сравнению с традиционными титановыми сплавами.

Заключения

Представлены физико-механические и эксплуатационные свойства, а также микроструктура слоистых титанополимерных материалов марок ВТПУ-1 и ВТПО-1. Показано, что их состав (компоновка) и технология изготовления обеспечивают высокий уровень прочностных свойств при растяжении (включая удельную прочность), ударной вязкости, сопротивления усталостному разрушению, а также низкие значения СРТУ в направлении укладки армирующего наполнителя (волокна).

Исследование эксплуатационных свойств показало, что слоистые титанополимерные материалы ВТПУ-1 и ВТПО-1 обладают меньшими значениями СРТУ в сравнении с титановыми сплавами Ti-64 (в 20–40 и 5–8 раз соответственно) и ВТ23М
(в 28 и 6 раз соответственно).

В отличие от традиционных титановых сплавов, для которых СРТУ увеличивается с повышением коэффициента интенсивности напряжений DK, для слоистого титанополимерного материала ВТПУ-1 обнаружено, наоборот, снижение СРТУ с последующим переходом к установившимся значениям, что также является важным преимуществом при их эксплуатации в изделиях авиакосмической отрасли.