Введение

В современном авиастроении все более широко используют композиционные материалы, которые превосходят традиционные монолитные металлические материалы по ряду показателей [1‒7]. К таким композиционным материалам относят алюмостеклопластики (за рубежом GLARE, в Российской Федерации ‒ СИАЛ), применение которых позволяет не только снизить массу конструкции благодаря уменьшенной плотности, но и повысить ее надежность за счет необходимых уровней прочности и трещиностойкости [8‒16].

Для изготовления обшивок сложной конфигурации, в том числе крупногабаритных изделий, из алюмостеклопластика используют автоклавное формообразование. Такой подход позволяет получать детали двойной кривизны, производство которых традиционным способом из серийных алюминиевых сплавов затруднительно [17‒22].

При автоклавном формообразовании переход деформации заготовки в режим ползучести позволяет получить требуемую форму детали за одну технологическую операцию, при которой совмещаются процессы отверждения клеевого связующего и формообразования деталей из алюмостеклопластиков. При этом давление равномерно распределено по контуру заготовки и плавно вдавливает ее в технологическую матрицу при отсутствии зон локальных концентраций в материале. Автоклавное формообразование обеспечивает снижение внутренних напряжений в детали, поэтому применяется для изготовления из алюмостеклопластиков особо ответственных деталей, таких как элементы обшивки фюзеляжа и панелей крыла.

Использование базовых принципов чередования слоев металла и стеклопластика и определение их количества в пакете при конструировании детали с учетом расчетных характеристик позволяют разработать технологическую схему изготовления сложноконтурных деталей (например, деталь с двойной кривизной – капот мотогондолы двигателя вертолета и др.) [22]. Изготовление таких деталей традиционным способом из металлических материалов является многостадийным, трудоемким процессом. Применение алюмостеклопластиков позволяет упростить технологию получения сложноконтурных деталей при автоклавном формообразовании.

Руководствуясь этими же принципами, можно применять алюмостеклопластики для получения деталей сложной формы, которые в настоящее время изготавливают из массивных полуфабрикатов с помощью механической обработки резанием, что существенно снижает коэффициент использования материала.

Цель данной работы – исследование возможности изготовления прототипов нижней обшивки панели крыла самолета Ил-114 (далее – панель) и капота мотогондолы двигателя вертолета Ка-226 (далее – капот) с использованием алюмостеклопластика СИАЛ на основе тонких листов из алюминий-литиевого сплава 1441-Т11 и стеклопластика.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» ‒ ВИАМ в рамках реализации комплексной научной проблемы 6.2. «Слоистые трещиностойкие, высокопрочные металлополимерные материалы» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [23‒33].

Материалы и методы

Для изготовления панели и капота использовали следующие основные материалы:

– металлические слои в структуре алюмостеклопластика ‒ листы из сплава 1441-Т11 толщиной 0,35 и 1,0 мм с нормальной твердой регламентированной плакировкой для панели и толщиной от 0,35 до 0,4 мм с нормальной плакировкой для капота;

– стеклопластики – клеевые препреги марок КМКС-2м.120.Т64.55 и КМКС-2м.120.Т60.37 для панели и КМКС-2мР.120 для капота.

Для компьютерного моделирования 3D-модели капота использовали специализированный программный комплекс.

Формование панели и капота, а также образцов для комплексного исследования проводили в автоклаве, обеспечивающем отклонение температурного поля не более ±3 °С и давления не более ±1,5 %.

Механические свойства при растяжении определяли на образцах, вырезанных из разных зон в продольном и поперечном направлениях, по ГОСТ 1497–84.

Испытания на малоцикловую усталость проводили по ГОСТ 25.502‒79 при напряжении σ_max = 157 МПа, частоте f = 5 Гц, коэффициенте асимметрии R = 0,1 и концентраторе напряжений K_t = 98 МПа; испытания на скорость роста трещины усталости  – по ОСТ 1 92127‒90.

Структуру образцов исследовали методом просвечивающей микроскопии по ММ 1.595-17-351. Дефектность структуры контролировали акустическим импедансным методом с помощью прибора ИД-91М.

Результаты и обсуждение

В настоящее время нижняя обшивка панели крыла изготавливается фрезерованием из плиты алюминиевого сплава 1163-Т толщиной 15 мм. Масса заготовки составляет ~250 кг. После обработки в соответствии с требованиями чертежа (толщина детали от 2,3 до 13,0 мм) масса одной панели достигает ~67 кг, следовательно, коэффициент использования материала составляет ~28 %.

Для обеспечения требуемых свойств панели из алюмостеклопластика с учетом условий ее эксплуатации необходим правильный выбор количества и последовательности расположения слоев металла и стеклопластика. Сборку заготовки панели следует проводить на специально подготовленной технологической матрице. Последовательность операций при изготовлении панели состоит из следующих этапов:

‒ компьютерное моделирование эскиза панели с учетом технологических отверстий;

‒ проектирование и изготовление технологической матрицы;

‒ разработка схем выкладки, выбор режима автоклавного формообразования панели;

‒ сборка заготовки панели методом ручной выкладки;

‒ автоклавное формообразование по выбранному режиму (давление, температура, выдержка);

‒ определение механических свойств, исследование структуры.

Поскольку панель состоит из повторяющихся одинаковых фрагментов, для изготовления выбран только один фрагмент длиной 2000 мм.

По результатам моделирования с учетом технологических отверстий спроектирована и изготовлена технологическая матрица для выкладки и автоклавного формообразования панели.

На следующем этапе разработана схема выкладки металлических листов из сплава 1441 в состоянии Т11 (закалка и искусственное старение) толщиной 0,35 и 1,0 мм и слоев клеевых препрегов марок КМКС-2м.120.Т64.55 и КМКС-2м.120.Т60.37. Для внешних слоев панели использовали листы из сплава 1441-Т11 толщиной 1,0 мм с твердой регламентированной (РД) плакировкой, для внутренних слоев – листы толщиной 0,35 мм с нормальной (А) плакировкой. Регулируя количество слоев металла и стеклопластика, а также количество и направленность монослоев препрега в стеклопластике, можно получить необходимые уровни свойств и толщину элементов детали.

При формировании структуры алюмостеклопластиков наиболее часто применяют схемы равнопрочного и однонаправленного армирования, для реализации которых используют перекрестную и параллельную ориентации клеевого препрега. Возможно и смешанное конструирование алюмостеклопластиков, выбор зависит от геометрических характеристик детали и условий ее работы. На внешних поверхностях структуры материалов типа СИАЛ использованы листы большей толщины, в данном случае 1,0 мм. Такая структура обеспечивает возможность постановки крепежа, включая заклепки с потайной головкой.

Панели собирали по разработанной схеме методом ручной выкладки. Листы из сплава 1441-Т11 разрезали на заготовки с применением кривошипных ножниц с наклонным ножом с последующей зачисткой кромок. После обезжиривания заготовки анодировали в растворе хромового ангидрида и покрывали адгезионным грунтом ЭП-0234. При вырезке листовых заготовок учитывали расположение технологических отверстий в соответствии с чертежом панели. Потери в металлических листах за счет обрези и технологических отверстий составляют ~5 %. Препрег раскраивали с припуском 5‒10 мм по отношению к листовой заготовке. Технологическую матрицу, на которой осуществляли сборку пакета, перед выкладкой обезжиривали. На нижний металлический слой накладывали первый монослой препрега, затем последующий монослой в выбранном направлении. Далее выкладывали последующие слои металла и стеклопластика в соответствии со схемой выкладки. При сборке пакета последний верхний слой всегда должен быть металлическим. После сборки пакет поместили в вакуумный мешок для последующего формообразования в автоклаве. Режим формообразования: температура нагрева 172±3 °С, выдержка 3 ч, давление от 0,6 до 0,8 МПа.

После охлаждения панель вынимали из пакета, обрабатывали по кромкам фрезерованием в соответствии с чертежом с последующим нанесением лакокрасочного покрытия (грунтовка + эмаль) (рис. 1).

Рис. 1. Формообразованный фрагмент нижней обшивки панели крыла из металлополимерного композиционного материала

Для оценки свойств панели образцы изготавливали методом автоклавного формообразования с различными схемами выкладки. В таблице приведены сравнительные характеристики традиционного алюминиевого среднепрочного сплава марки 1163-Т и материалов типа СИАЛ с различными схемами выкладки.

Алюмостеклопластик с равнопрочной и однонаправленой (в продольном направлении) структурами имеет преимущество по прочности по сравнению со сплавом 1163-Т. Алюмостеклопластик также обеспечивает повышенные уровни сопротивления усталости, трещиностойкости и весовой эффективности конструкции.

В частности, исследование скорости роста трещины усталости алюмостеклопластиков на стандартных образцах (рис. 2) показало значительные преимущества слоистого материала по сравнению с традиционными монолитными металлическими листами. Развитие трещины фиксировали в поверхностных алюминий-литиевых листах, образующих внешние слои алюмостеклопластика. Трещины у надреза появились практически одновременно в четырех точках на концах надреза на двух противоположных поверхностях образца. Трещина развивалась симметрично относительно оси отверстия надреза. Дальнейшее развитие трещины происходило по толщинам внешних листов с последовательным разрушением промежуточных листов при торможении разрушений в зонах прослоек стеклопластика.

Механические и усталостные характеристики алюмостеклопластика СИАЛ

с различными схемами выкладки и сплава 1163-Т

Рис. 2. Испытания для определения скорости роста трещины усталости на образцах из алюмостеклопластика: а – образец для испытаний; б – диаграмма нагружения; в – вид расслоений в прослойках стеклопластика в зоне концентратора напряжений после удаления внешних металлических листов

Наблюдали расслоение материала вдоль поверхностей соединения металлических листов со стеклопластиком и значительное отклонение направления роста трещины во внутренних слоях стеклопластика. Выступающие над поверхностью магистральной трещины и вытянутые из матрицы упрочняющие волокна являлись характерным признаком торможения роста трещины. Кроме того, торможение происходило за счет появления продольных по направлению, перпендикулярному трещине, расслоений. Материал расслаивался вдоль поверхности границы раздела металлических листов со стеклопластиком, а также среди продольных и поперечных волокон в стеклопластике.

Таким образом, скорость роста трещины усталости в алюмостеклопластиках меньше, чем в монолитных листах из алюминиевых сплавов. Высокий уровень сопротивления развитию трещины усталости обеспечивается чередованием металлических слоев и прослоек стеклопластика на основе клеевых препрегов, армированных стекловолокном.

Процесс изготовления прототипа капота двигателя вертолета, как и панели крыла самолета, включает: моделирование эскиза капота и технологической матрицы, обеспечивающей двойную кривизну обшивки; выбор схемы выкладки заготовок клеевого препрега и листов алюминиевого сплава, режима автоклавного формообразования; непосредственно ручную выкладку и формообразование в автоклаве. Обшивка капота представляет собой трехслойную композицию из двух внешних монолитных слоев из алюминий-литиевого сплава 1441-Т11 и одной прослойки стеклопластика, состоящей из трех монослоев клеевого препрега КМКС-2мР.120, выложенных в направлении (0/90/0). Для соединения элементов проема с обшивкой капота использовали метод сращивания с помощью семислойной композиции, состоящей из четырех металлических листов и трех прослоек стеклопластика, каждая из которых сформирована аналогично прослойке в обшивке капота. В качества ребер жесткости внутреннего набора использовали гнутые профили из тонкого листа алюминиевого сплава 1441-Т11, которые укладывали в соответствии с чертежом детали и крепили к обшивке с помощью клеевого препрега. Сборку проводили на плите технологической матрицы. Затем плиту помещали в автоклав для формообразования по выбранному режиму. Изготовленный прототип капота двигателя вертолета представлен на рис. 3.

Рис. 3. Прототип капота двигателя вертолета [22]

На образцах-свидетелях определены механические свойства при растяжении в продольном направлении: предел прочности σ_в = 750–800 МПа, предел текучести σ_0,2 = 340–350 МПа, относительное удлинение δ₅ = 4,0–4,3 %. Плотность материала составила 2,32–2,34 г/см³, что в ~2 раза меньше, чем плотность листов титанового сплава ОТ4, которые используются в настоящее время для изготовления капота мотогондолы двигателя вертолета. Визуальный осмотр, структурные исследования и ультразвуковой контроль не выявили дефектов в готовом капоте.

Заключения

Алюмостеклопластики имеют существенные преимущества по сравнению с традиционными алюминиевыми сплавами и могут применяться для изготовления авиационных деталей ответственного назначения.

Автоклавное формообразование позволяет получить криволинейные изделия сложной конфигурации из алюмостеклопластиков с минимальными затратами на последующую механическую обработку, что сокращает производственный цикл изготовления, существенно повышает коэффициент использования материала и улучшает качество деталей по сравнению с традиционным методом формообразования.

Технологические нагревы в процессе автоклавного формообразования позволяют совмещать стадии отверждения клеевого связующего и непосредственно деформации, что также снижает временны́е и экономические затраты, тем самым сокращая себестоимость продукции.

В промышленных условиях получены прототипы деталей из алюмостеклопластика типа СИАЛ, в частности фрагмент нижней обшивки панели крыла самолета и капот двигателя вертолета.

Работы (исследования) выполнены при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования России (Соглашение № 075-11-2021-085 от 22.12.2021).