Введение

Новый уровень развития авиации в будущем могут обеспечить только принципиально новые материалы [1] и технологии, так как традиционные себя уже исчерпали – дальнейшее их использование дает незначительные результаты при существенных затратах.

Одними из приоритетных стратегических направлений развития материалов и технологий в мире являются слоистые металлополимерные материалы [2].

Производство композиционных и функциональных материалов нового поколения – одно из самых быстро развивающихся в мире направлений, которое вносит наибольший вклад в увеличение валового внутреннего продукта в каждом регионе [3].

Металлополимерные композиционные материалы (МПКМ) состоят из чередующихся тонких (0,3–0,5 мм) металлических листов и прослоек полимерных композитов (клеевого препрега с армирующими высокопрочными волокнами). Количество и структура металлических листов и полимерных прослоек определяется в зависимости от назначения и конструкции будущей детали [4].

Применение армирующих высокопрочных волокон и использование компонентов с взаимодополняющими свойствами (металла и полимерного композита) позволяют повысить характеристики прочности и вязкости разрушения МПКМ. Использование композитов обычно позволяет уменьшить массу конструкции при сохранении или улучшении ее механических характеристик [5].

На техническое состояние авиационной техники существенное влияние оказывает не механический износ деталей, а процессы коррозии и старения конструкционных материалов под воздействием комплекса климатических факторов – температуры, влажности, солнечного излучения и др. Полимерные материалы могут существенно изменять свои прочностные характеристики, что необходимо учитывать при проектировании изделий авиационной техники, предназначенных для эксплуатации во всеклиматических условиях. Необходимость учета воздействия климатических факторов на материалы отражена в Авиационных правилах [6].

Наиболее агрессивными климатическими зонами для эксплуатации полимерных композиционных материалов (ПКМ) являются зоны тропического и субтропического климата вследствие снижения основных механических характеристик по мере возрастания величины тепловлажностных факторов.

Сотрудниками отрасли проведен большой комплекс исследований по влиянию влагопоглощения на механические характеристики МПКМ в процессе длительных экспозиций, ускоренными методами и на различных климатических станциях [7]. Исследованы свойства ПКМ после воздействия открытого космоса на околоземных орбитах [8, 9]*.

Установлено, что из-за диффузии атмосферной влаги, сорбируемой из окружающей среды, вследствие пластифицирующего эффекта полимерной матрицы, нарушения адгезии на границе «связующее–наполнитель» происходит снижение деформационно-прочностных характеристик композиционных материалов до 30% и более [10–14].

Появление новых материалов постепенно расширяет круг возможностей металлополимеров. Это касается в первую очередь устойчивости к повышенным температурам, химическим и абразивным средам.

Использование ленты из высокопрочной стали ВНС-9-Ш в качестве металлических листов при изготовлении МПКМ позволяет получить детали с улучшенными эксплуатационными характеристиками, так как лента из этой стали обладает высокой прочностью и пластичностью, высоким сопротивлением к развитию поверхностных трещин, не склонна к межкристаллитной коррозии [15, 16].

Целью данной работы являлось проведение сравнительной оценки коррозионной стойкости образцов из металлополимерного композиционного материала на основе высокопрочной стали ВНС-9-Ш и углепластика ВКУ-44 в камере солевого тумана КСТ-35 в зависимости от предварительной подготовки поверхности стальных пластин до склеивания образцов МПКМ и определение влияния продолжительности экспозиции образцов в КСТ-35 на их механические свойства.

* Большой вклад в изучение МПКМ внесли такие специалисты, как В.Н. Кириллов, В.А. Ефимов, О.В. Старцев, А.К. Шведкова и др.

Материалы и методы

В данной статье рассмотрены вопросы коррозионной стойкости и механических свойств опытных композиций образцов из МПКМ, изготовленных на основе высокопрочной стали ВНС-9-Ш и углепластика ВКУ-44.

Ускоренные коррозионные испытания образцов проводили по ГОСТ 9.308–85 в камере солевого тумана (КСТ-35) на образцах-карточках размером 100×80 мм.

Коррозионную стойкость оценивали по результатам оптико-визуального осмотра внешнего вида образцов после 1, 2 и 3 мес экспозиции в КСТ-35. Фиксировали появление продуктов коррозии и коррозионных повреждений стали ВНС-9-Ш, а также целостность клеевого соединения (образование расслоений).

По завершении коррозионных испытаний из образцов-карточек изготовлено не менее 5 параллельных образцов для механических испытаний. Механические испытания на сдвиг проводили по ГОСТ 24778–81 на электромеханической машине Zwick/Roell Z100.

Результаты и обсуждение

Проведено исследование коррозионной стойкости образцов МПКМ после 1, 2 и 3 мес. испытаний в камере солевого тумана КСТ-35 (испытания при температуре 35°С с периодическим распылением 5%-ного раствора NaCl).

Экспериментальные образцы МПКМ изготовлены из углепластика ВКУ-44 и пластин холоднокатаной ленты из стали ВНС-9-Ш толщиной 0,28 мм с различной обработкой поверхности.

Поверхность коррозионностойкой стали ВНС-9-Ш перед склеиванием предварительно обрабатывали следующими способами:

– нанесением гальванических покрытий (катодное фосфатирование, никелирование);

– химической обработкой поверхности (травление в кислотном растворе);

– механической обработкой (обдувка корундовым песком, зачистка абразивной пастой).

Для химической обработки поверхности стали использовали кислотный раствор, содержащий соляную и азотную кислоты с добавлением хлорида железа, при температуре цеха. В качестве гальванических покрытий применены следующие: никелирование – толщиной 0,3–0,5 мкм; катодный фосфат – массой 11–14 г/м².

Оценку коррозионного воздействия на образцы МПКМ осуществляли по результатам оптико-визуального осмотра внешнего вида образцов (сохранение целостности образцов) и времени до образования коррозионных повреждений на поверхности стальной ленты. Результаты испытаний приведены в таблице. Внешний вид образцов после испытаний показан на рис. 1.

Внешний вид образцов после коррозионных испытаний в камере солевого тумана КСТ-35

Рис. 1. Внешний вид образцов после коррозионных испытаний в камере солевого тумана КСТ-35 с предварительной обработкой поверхности стали ВНС-9-Ш в кислотном растворе (а), обдувкой корундом (б), зачисткой абразивной пастой (в), катодным фосфатированием (г) и никелированием (д)

Результаты коррозионных испытаний свидетельствуют о том, что независимо от способа подготовки поверхности ленты из стали ВНС-9-Ш перед склейкой образцов МПКМ целостность образцов в процессе коррозионных испытаний не нарушена: расслоений МПКМ не обнаружено ни на одном образце за весь период испытаний (1, 2 и 3 мес) в КСТ-35.

Следует отметить, что в течение первого месяца испытаний на поверхности ленты из стали ВНС-9-Ш появились точки и пятна продуктов коррозии в большей степени на образцах с обдувкой корундом и с нанесенным никелевым покрытием.

По окончании коррозионных испытаний определяли прочностные характеристики МПКМ при испытании на сдвиг образцов, вырезанных из пластин. Результаты механических испытаний МПКМ на сдвиг клеевого соединения представлены на рис. 2.

Рис. 2. Результаты механических испытаний на сдвиг образцов клеевого соединения МПКМ при температуре 20°С в исходном состоянии и после экспозиции в камере солевого тумана КСТ-35

Полученные данные свидетельствуют о том, что подготовка поверхности путем обработки (травления) в кислотном растворе, абразивной пастой и обдувкой корундом обеспечивает практически одинаковые механические свойства исходных образцов МПКМ. Напряжение разрушения клеевого соединения исходных образцов составляет 25–27 МПа.

Применение в качестве подготовки под склеивание МПКМ гальванических покрытий (фосфатирование и никелирование) приводит к снижению прочностных характеристик (при испытании на сдвиг) исходных образцов по сравнению с химической и абразивной обработками. Применение фосфатирования в качестве подготовки поверхности приводит к снижению напряжения разрушения клеевого соединения МПКМ на ~50% по сравнению с применением травления в кислотном растворе, а никелирования – на ~40%.

После коррозионных испытаний в КСТ-35 (независимо от времени экспозиции) механические свойства образцов МПКМ с подготовкой поверхности химическим и механическими способами практически не меняются.

На образцах с катодным фосфатированием с увеличением продолжительности экспозиции наблюдается резкое падение напряжения до разрушения клеевого соединения – с 13,5 до 1 МПа, что составляет ˃90%. В связи с полученными данными образцы с фосфатным покрытием с дальнейшей экспозиции сняли.

На образцах с никелированием снижение напряжения до разрушения клеевого соединения уменьшается не более чем на 17% (по сравнению с исходными образцами).

Заключение

Механические свойства образцов МПКМ с химической и механической подготовкой поверхности ленты из стали ВНС-9-Ш практически не снижаются после экспозиции в КСТ-35 в течение 3 мес.

Применение фосфатирования и никелирования в качестве подготовки поверхности приводит не только к снижению напряжений до разрушения клеевого соединения при механических испытаниях на сдвиг исходных образцов, но и после экспозиции в КСТ-35.

Из трех использованных способов подготовки поверхности (химического и механических) наиболее перспективной является обработка ленты из стали ВНС-9-Ш абразивной пастой, являясь одновременно энергосберегающим способом.

Благодарности

Авторы выражают благодарность сотрудникам ФГУП «ВИАМ» М.М. Григорьеву, О.А. Губенковой, Н.Н. Мамонтовой за помощь в проведении экспериментов и обсуждении результатов.