Введение

Вертолетостроение в СССР и Российской Федерации было и остается важнейшей задачей государственной промышленной политики в области авиастроения, соответственно разработка и производство конкурентоспособных изделий вертолетной техники являются основным приоритетом развития отрасли [1–4]. Разработка и использование новых перспективных материалов обеспечивают динамичное развитие и технологическое будущее отрасли [5–7].

Одной из задач является снижение массы используемых в вертолетостроении конструкций как минимум с сохранением, а оптимально – с повышением уровня физико-механических свойств материалов и, соответственно, изделий на их основе. Замена материалов и технологии изготовления элементов тяг управления, валов трансмиссий или иных приводов, в настоящее время часто изготавливаемых из металлических сплавов (или в лучшем случае из препрегов ручной выкладки), весьма актуальна для уже разработанных и тем более для разрабатываемых перспективных летательных аппаратов [8–13]. В качестве примера на рис. 1 приведена типовая схема размещения элементов управления вертолетом.

Рис. 1. Пример расположения элементов управления рулевым винтом (∘) вертолета Ми-8

Тяги системы управления и аналогичные элементы состоят из трубчатого корпуса и двух законцовок, передающих осевые усилия и осевое управляющее перемещение или иное механическое движение.

Для изготовления тяг системы управления вертолетной техники в Российской Федерации часто используют металлические сплавы (иногда препреги), а за рубежом – полимерные композиционные материалы, в том числе на основе объемно-армирующих плетеных преформ, выпускаемых, например, компанией General Dynamics (США). Применение объемно-армирующих плетеных преформ позволяет за одну операцию получить конструкцию переменного сечения с заданными размерами и внедренным (при необходимости) соединительным элементом с использованием безавтоклавных технологий формования (зачастую пропитки под давлением или вакуумной инфузии).

Одним из способов изготовления трубчатых элементов конструкции является радиальное плетение, которое позволяет изготавливать армирующие преформы из практически любого волокна, такого как углеродное, стеклянное, базальтовое, органическое, и проектировать изделия с необходимым конструктору набором характеристик и, соответственно, потребительским диапазоном свойств. Применение пропитки низковязким расплавным связующим совместно с технологией плетения обеспечивает получение низкопористого высокопрочного материала. Использование полимерных композиционных материалов на основе объемно-армирующих плетеных преформ при изготовлении тяг системы управления вертолетной техники позволяет уменьшить массу изделий по сравнению с металлическими сплавами, сократить производственный цикл и снизить долю ручного труда за счет автоматизации процесса производства [14–19]. В НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ разработана технология изготовления заготовки элемента тяги системы управления вертолетной техники путем пропитки под давлением объемно-армирующей плетеной преформы из российского углеродного волокна расплавным эпоксидным связующим отечественного производства.

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

Материалы и методы

В качестве объекта исследования выбрана заготовка элемента тяги системы управления вертолетной техники на основе объемно-армированной плетеной преформы из углеродного волокна марки Umatex c углом армирования ±(45±2) градусов (биаксиальное плетение) и связующего марки ВСЭ-62 разработки НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ, изготавливаемая методом пропитки под давлением (совместная пропитка с металлическим закладным элементом). Схема укладки волокна в биаксиальной преформе представлена на рис. 2.

Рис. 2. Биаксиальное плетение волокна

Важным этапом разработки технологии изготовления любого изделия из полимерных композиционных материалов является оптимальный выбор связующего, который отвечает всем аспектам технологии и позволит получить материал с необходимым набором свойств [20–23]. Из научно-технических литературных источников известно принципиальное влияние связующего на свойства получаемого полимерного материала, такие как прочность, тепло- и влагостойкость, стойкость к действию агрессивных сред и др. Связующее должно обеспечивать совместную работу армирующих волокон и образовывать непрерывно-наполненный материал, в котором матрица сохраняет структуру вплоть до разрушения волокна. Исключительно важным свойством связующего является технологичность применительно к конкретным технологическим процессам изготовления материалов, в частности полимерных композиционных.

В качестве такого связующего выбрано высокопрочное эпоксидное связующее расплавного типа марки ВСЭ-62, позволяющее успешно проводить пропитку под давлением плетеной преформы. Свойства эпоксидного связующего марки ВСЭ-62:

Необходимо отметить, что по вязкостным характеристикам указанное связующее можно успешно перерабатывать методами пропитки под давлением и вакуумной инфузии. Кроме того, следует обратить внимание на значительное время сохранения вязкости связующего (жизнеспособность) при температуре переработки (100 °С), которое составляет 6,5 ч, что позволяет при необходимости повторно его использовать после нагрева в процессе пропитки волокнистого наполнителя (рис. 3) [20].

Рис. 3. Зависимость кажущейся вязкости связующего от продолжительности изотермической выдержки при температуре 100 °С

Пропитка объемно-армированной плетеной преформы выполняется при температуре 100 °С, при которой вязкость связующего составляет 0,035 Па∙с.

Заготовки элемента тяги системы управления, входящего в состав колонки несущего винта, представляют собой сборку из углепластикового цилиндра, изготовленного на основе плетеной преформы, и металлических закладных элементов (законцовок) (рис. 4).

Рис. 4. Общий вид заготовки элементатяги системы управления

Для получения плетеной преформыизготавливается специализированная оснастка, представляющая собой цилиндр необходимого диаметра и длины, выполненный из склеенных пенопласта и металлических законцовок.

В качестве материала для оснастки выбран пеноакрилимид марки ВПП-5 разработки НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ, который рекомендован в качестве легкого заполнителя для получения изделий сложной формы конструкционного назначения. Возможна также его обработка на токарном станке для достижения высокого качества обрабатываемой поверхности и прочности изготавливаемой оснастки. Пеноакрилимид марки ВПП-5 может эксплуатироваться в интервале температур от –60 до +150 °С (при температуре 180 °С – до 50 ч), что является принципиальным для процесса отверждения расплавного эпоксидного связующего при температуре 180 °С. В процессе отверждения связующего не происходит видимых изменений структуры пенопластовой сердцевины оснастки.

На рис. 5 представлены эскизы изготовленных металлических закладных элементов и оснастки из пеноакрилимида.

Рис. 5. Эскизы пенопластовой оснастки (а) и закладного элемента (б) для заготовки элемента тяги системы управления

На токарно-винторезном станке изготовлены металлические закладные элементы необходимого размера (рис. 6).

Рис. 6. Изготовление металлических закладных элементов

Необходимо отметить, что поверхность металлических закладных элементов, которая должна контактировать с объемно-армирующей плетеной преформой, дополнительно обработана на пескоструйном станке для повышения адгезии слоя «металл–углепластик».

На рис. 7 представлены стадии изготовления фрагментов цилиндрических оснасток из пенопласта и оснасток в сборе.

Рис. 7. Производство фрагмента оснастки из пеноакрилимида (а, б) и изготовленные оснастки заготовки элемента тяги системы управления (в)

Следующей ответственной стадией изготовления заготовки элемента тяги системы управления является оплетка полученных оснасток углеродным волокном с биаксиальной схемой укладки на станке радиального плетения (рис. 8).

Рис. 8. Процесс оплетения оснастки с металлическими закладными элементами для изготовления заготовки элемента тяги системы управления углеродным волокном

Как видно на рис. 8, углеродное волокно оплетает оснастку без пропусков и «соскальзывания» оплетки по всей длине. «Сдвижек» плетеной преформы с металлических закладных элементов также не происходило.

Результаты и обсуждение

Разработана и изготовлена специализированная оснастка для проведения пропитки под давлением плетеной преформы выбранным связующим (рис. 9). Необходимо было достичь определенного баланса между качественной поверхностью изготавливаемой детали, полностью покрытой впрыскиваемым связующим, и отсутствием его избытка как в углепластике, так и в оснастке. Избыток связующего отрицательно влияет на механические свойства изделия.

На рис. 10 приведено изображение изготовленных заготовок элементов тяги системы управления.

В процессе исследования технологических режимов изготовления заготовки элемента тяги системы управления методом пропитки под давлением с использованием объемно-армирующей плетеной преформы из углеродного волокна связующим марки ВСЭ-62 варьировали и оптимизировали следующие основные параметры технологических режимов:

– температура и продолжительность сушки плетеной преформы перед проведением пропитки с целью удаления влаги, образующейся при ее изготовлении;

– вакуумное давление в пресс-форме – не менее 0,060 МПа;

– продолжительность пропитки под действием вакуумного давления в пресс-форме – не менее 5 мин;

– избыточное давление при проведении пропитки – не менее 0,1 МПа;

– количество шагов избыточного давления – не менее 2;

– продолжительность выдержки каждого шага избыточного давления – не менее
2 мин;

– температурно-временно́й режим отверждения.

Подбор оптимальных значений указанных параметров позволил разработать технологию изготовления заготовки элемента тяги системы управления. На рис. 11 приведено изображение разреза изделия, наглядно показывающее его внутреннюю структуру: пенопластовый заполнитель, пропитанная плетеная преформа и металлический закладной элемент.

Рис. 11. Внутренняя структура заготовки элемента тяги управления

Критически важными для длительной и успешной эксплуатации изделия являются структура зоны перехода «металл закладного элемента–углепластик», отсутствие расслоений и внутренних дефектов, пористость материала, что в дальнейшем определяет жизнеспособность конструкции [24, 25]. Исследована микроструктура (рис. 12) зоны соединения металлического закладного элемента (наконечника) с углепластиком (с использованием видеоизмерительного микроскопа) и зоны цилиндрического основания заготовки – образцов из углепластика (с использованием метода рентгеновской компьютерной томографии).

Рис. 12. Визуализация микроструктур образцов из углепластика, вырезанных из заготовки (а), и зоны соединения металлического наконечника и углепластика (б)

Исследование микроструктуры образцов наглядно показало отсутствие дефектов, расслоений и пустот в структуре образцов, в том числе в зоне совмещения «металл–углепластик». Основные свойства образцов из заготовки элемента тяги системы управления:

Как видно из приведенных данных, полученные значения плотности являются типичными для углепластика на основе эпоксидного связующего. Содержание связующего в материале (34 % (по массе)) свидетельствует об оптимальном подборе режимов процесса пропитки под давлением, количества слоев в плетеной преформе и геометрических размеров изготовленной оснастки. Значения объемной доли пор, полученные методами рентгеновской компьютерной томографии и травления, близки и подтверждают получение качественного беспористого углепластика.

В рамках данной работы исследования ограничены определением основных физических свойств полученного материала для подтверждения правильности выбранных технологических параметров разрабатываемой технологии. Не менее важны и механические свойства самого изделия – заготовки элемента тяги системы управления вертолетной техники. Предполагается проведение значительного количества испытаний для определения таких свойств, как предел прочности и модуль упругости при растяжении, предел прочности при сжатии и сдвиге в плоскости армирования (трансверсальная прочность), сопротивление усталости (циклические испытания) и др. Результаты этих исследований будут приведены в следующей публикации.

Заключения

Использование объемно-армирующих плетеных преформ обеспечивает возможность изготовления заготовки элемента тяги системы управления вертолетной техники. Разработана технология изготовления указанного изделия с использованием специализированной оснастки, углеродного волокна и расплавного эпоксидного связующего российского производства.

Полученные свойства углепластика подтвердили оптимальный выбор режимов процесса пропитки под давлением и возможность изготовления низкопористого материала без расслоений и дефектов в зоне «металлический закладной элемент–углепластик».

Технология является перспективной и может быть реализована в авиационной промышленности, судостроении, машиностроении и других отраслях при изготовлении сложных конструкций типа валов трансмиссии, тяг систем управления или специализированных приводов.