Авиа

Архив рубрики «КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ»

ИАТА, Международная ассоциация воздушного транспорта, считает, что электронные грузы по-прежнему будет распространяться по всему китайскому рынку. Стив Смит, директор, главный менеджер по поставкам ИАТА, отметил, что “стабильный уровень работы по всей цепочке поставок впечатляет”. В частности, он оценил приобретение южными авиакомпаниями Китая персональных цифровых помощников (ПЦП) для доступа к информации о грузе. Это шаг, который позволит значительно сократить использование бумажных грузов.
После успешного запуска электронных грузов в Китае 24 мая, Стив Смит посетил все китайские заинтересованные стороны с целью, чтобы они официально признали их внедрение электронных грузов на международном и национальном уровнях.
В ходе визита состоялись дискуссии о внедрении электронных грузов на китайском рынке и о том, как наилучшим образом расширить их использование и в других аэропортах следующих авиакомпаний: Air China, China Cargo Airlines, China Southern Airlines, Shenzhen Airlines и Jade Cargo Airlines.

При армировании алюминиевых сплавов стальной проволокой наблюдается повышение упругих характеристик. Так, с увеличением объемной доли волокон из стали 12Х18Н9Т, армирующих сплав АМгб, с 6 до 20% (объемн.) модуль нормальной упругости при растяжении увеличивается с 70 до 90 ГПа. Армирование алюминиевых сплавов стальной проволокой увеличивает их прочность при повышенных температурах. Наибольший эффект получается на материале типа САП  (спеченная

алюминиевая пудра). Таким образом, армирование алюминия и его сплавов волокнами из высокопрочных сталей позволяет в 1,5—4 раза увеличить их абсолютную и удельную прочность, сохранив удовлетворительную пластичность, а также повысить жаропрочность этих сплавов.

Технология армирования алюминия и его сплавов волокнами бора, окиси кремния, окиси алюминия, карбида кремния, углеродными волокнами и др. сложнее, материалы получаются более дорогими, однако армирование этими наполнителями следует считать перспективным. Так, армирование чистого алюминия волокнами бора позволяет повысить предел прочности в 10—12 раз,  а модуль нормальной упругости — в 3—4 раза.

Ниже показано влияние объемной доли борных волокон на механические свойства композиции А1—В:

Использование новых жаропрочных материалов в комплексе с новыми конструкционными материалами открывает возможности существенного повышения технико-экономических показателей авиационных двигателей — повысит тягу, экономичность двигателя, уменьшит его массу, габаритные  размеры и

значительно повысит ресурс. Таким образом, новые композиционные материалы являются перспективными материалами авиационной техники.

Композиционные материалы, армированные частицами

В матрице дисперсноупрочненного композиционного материала равномерно распределены частицы упрочняющей фазы размером 10—100 нм, занимающие 1—15% объема материала. В таком материале матрица воспри: нимает основную часть, внешней нагрузки. Роль мелкодисперсных частиц сводится к созданию эффективного сопротивления перемещению дислокаций в объеме зерна. Чем больше это сопротивление, тем выше степень упрочнения материала. Дисперсноупрочненные материалы, как- правило, обладают высокой температурной стабильностью структуры, что позволяет им сохранять высокие прочностные характеристики в широком температурном

интервале, вплоть до (0,7—0,8)7™ (где ‘Г"л —температура плавления матрицы). Это в основном жаропрочные материалы. В качестве упрочняющей фазы применяют мелкодисперсные частицы окислов, карбидов, интерме-таллидов, которые при высоких температурах не растворяются в матрице и некогерентны с ней.

Интенсивно проводятся исследования по армированию металлических матриц углеродными волокнами диаметром 2—10 мкм. При плотности 1600—1700 кг/м3 их прочность может достигать 10 ГПа, а модуль упругости 450 ГПа. Углеродные волокна характеризуются самой высокой температурной стабильностью механических свойств (до 3000° С). Сырьем для их изготовления служат вискоза, полиакрилонитрил, продукты переработки нефти. К недостаткам углеродных волокон относятся низкая стойкость против истирания, относительно низкая температура окисления (500—600° С) и высокая стоимость.

Особенно высокую прочность в сочетании с высоким модулем упругости имеют многокристальные волокна, которые иногда называют усами. Бездефектная структура таких кристаллов обеспечивает им прочность, близкую к теоретической (левая ветвь кривой Бочвара). К таким кристаллам относятся усы окиси алюминия, окиси бериллия, карбида бора, карбида кремния и других соединений. На рис. 64 приведена зависимость прочности волокнистых монокристаллов окиси алюминия от температуры испытаний. Видно, что прочность волокон остается на высоком уровне в широком температурном интервале.

К новейшим конструкционным материалам относятся композиционные, материалы, представляющие собой армированные волокнами или дисперсными частицами металлы, сплавы, полимеры. В волокнистых композиционных материалах эффективно используются необычайно высокие механические свойства различных типов волокон — прочность, жесткость, жаростойкость и др. Это позволяет получать композиционные материалы с существенно более высокими механическими характеристиками, чем у матриц.

Разработка таких материалов в настоящее время находится в стадиях исследования, опытного производства и* внедрения в промышленность. Уже имеются многочисленные примеры эффективного использования композиционных материалов в авиационной технике — это детали компрессора двигателей, некоторые элементы фюзеляжа, сосуды высокого давления, корпус ракеты, винты вертолетов и др. Благодаря применению новых композиционных материалов повышаются эксплуатационные характеристики узлов и деталей летательного аппарата, имеет место значительная экономия в массе (до 30— 40%).

Для армирования можно использовать различные материалы,* например тонкую проволоку из стали, вольфрама, молибдена, титана, других металлов и сплавов, стекловолокно, углеродные волокна, борные волокна, волокнистые монокристаллы окиси алюминия, карбида кремния и других соединений.

Для изготовления армирующих волокон из стали чаще всего используют нержавеющие стали мартенсито-ферритного; мартенситного, аустенито-мартенситного и аустенитного классов. Проволока из этих сталей отличается прочностью (о"в=2,5-^3,0 ГПа) благодаря высокой концентрации дефектов кристаллического "строения в структуре, получаемой при изготовлении (правая -ветвь кривой Бочвара), высокой коррозионной стойкостью, способностью работать в условиях больших нагружений в широком диапазоне температур.

Перспективными армирующими материалами являются тугоплавкие металлы, прежде всего вольфрам и молибден. Эти металлы способны сохранять высокие механические свойства в диапазоне 1400—1600° С. Представляет большой интерес армирование тонкими нитями вольфрама и молибдена авиационных жаропрочных сплавов с целью расширения интервала рабочих температур и повышения характеристик жаропрочности.

Высокие прочностные свойства имеют борные волокна. Их сердцевина состоит из вольфрамовой нити диаметром до 13 мкм, на которую по специальной технологии осаждается бор. В процессе осаждения бор взаимодействует с вольфрамом, образуя бориды: WB, W2B5, WB4. Диаметр получающихся волокон 70—130 мкм, длина до 300 м. При плотности 2600 кг/м3 прочность волокон составляет ав=3,5 ГПа, модуль нормальной упругости Е&420 ГПа. Борные волокна перспективны для армирования авиационных сплавов на основе легких цветных металлов: алюминия, магния, титана.

Имеют высокие показатели сопротивления термическому удару (до 400—450° С). При повышенных температурах и механические свойства, в частности упругие характеристики, остаются довольно высокими. Недостатком этого материала является низкая пластичность, особенно при динамическом нагружении.

Большой интерес представляют материалы, армированные волокнистыми монокристаллами окиси алюминия и углеродными волокнами. Введение, например, 35% (объемн.) волокон из АЬОз в алюминий делает этот металл жаропрочным, так как значительная прочность сохраняется до высоких температур. По удельной прочности при высоких температурах эти материалы превос: ходят титановые сплавы.

Армирование алюминия и его сплавов углеродными волокнами с пределом прочности 1800—2300 МПа и диаметром 7—9 мкм позволяет получить материалы для изготовления лопаток компрессоров. Есть сведения, что армирование силумина (~13% Si) углеродными волокнами   типа торнел-50 [VB=28%  (объемн.)]    позволяет получить композиционный материал с пределом прочности 400—1000 МПа и высокой термостойкостью, в интервале температур — 193ч-500° С.

Получены методом направленной ‘ кристаллизации эвтектических сплавов в системе Ni3Al—Ni3Nb. При 1100° С о*юо = = 170 МПа, что в два с лишним раза превышает длительную прочность лучших промышленных сплавов на никелевой основе. Высокой жаропрочностью обладают композиции Ni—NbC, Ni—TaC, Ni—VC,Ni—Al—Cr и др. . Перспективно армирование никеля и его сплавов волокнистыми монокристаллами окиси алюминия, борными волокнами. Введение волокон окиси алюминия позволяет повысить предел прочности нихромов при комнатной температуре от 700—800 до 1800 МПа, а армирование никелевой матрицы волокнами бора позволяет получить композит с чрезвычайно высоким пределом прочности св=2700 МПа и удельной прочностью 3670 МДж/кг. –

Композиционные материалы на основе титана

При получении композиционных материалов на основе титана ставится задача повысить рабочую температуру этих сплавов до 800° С, а модуль упругости — до 200 ГПа. Эта задача успешно решается армированием титана волокнистыми-монокристаллами окиси алюминия. Существенно повышает характеристики титана и его   сплавов   армирование  молибденовыми   волокнами.

Прочность композиции существенным образом зависит от сцепления на границе волокно — матрица. Соединение металлической матрицы с металлическим волокном чаще всего сопровождается их химическим взаимодействием, в результате которого образуются интерметаллические фазы. Они обеспечивают достаточно надежное сцепление между волокном и матрицей, но играют и некоторую отрицательную роль. Интерметал-лиды снижают прочность волокна. Обладая низкой пластичностью, они разрушаются при небольших деформациях материала. Образование хрупких интерметаллидов исключав ет возможность дополнительной обработки с целью профилирования изделий из композиционного,   материала.   Если армирующие волокна и матрица не взаимодействуют друг с другом, то обеспечить их надежное сцепление трудно. В этом случае для улучшения сцепления матрицу легируют, на волокна наносят различные покрытия, что в конечном счете приводит к химическому взаимодействию на границе волокно — матрица. Особый интерес представляет бериллиевая проволока в связи _с ее высокой удельной прочностью (~6500 МДж/кг )и высоким модулем нормальной упругости (~300 ГПа). Бериллий разупрочняется большим количеством легирующих компонентов, поэтому его используют с незначительными добавками. Волочение осуществляют обычно при 400—480° С, когда бериллий обладает максимальной пластичностью. При производстве бериллиевой проволоки часто волочение проводят в оболочке из того же материала, который необходимо армировать. В этом случае оболочка играет роль подслоя и способствует прочному соединению бериллия и матрицы.

Длительный отжиг при температурах вплоть до 0,98 Тзат, где ТЭВч — эвтектическая температура, не приводит к заметной сфероидизации или разрушению волокон или пластин. Это определяет возможности использования эвтектических композиций в качестве жаропрочных.

Композиционные материалы на основе алюминия и его сплавов

Наиболее изученными конструкционными материалами .являются алюминий и его сплавы, армированные проволочными волокнами из высокопрочных сталей. Лучший эффект получается в результате армирования непрерывными волокнами при оптимальном режиме прокатки. Если матрицей композиционного материала служит алюминиевый сплав, упрочняемый термической обработкой, то прочность армированного материала можно повысить закалкой и старением.

Самое высокое дополнительное упрочнение при термической обработке достигается в тех случаях, когда температура нагрева под закалку для матрицы совпадает с температурой упрочняющего отпуска материала волокон. Анализ результатов исследования прочности композиционных материалов на основе алюминиевых сплавов показывает, что при армировании стальными волокнами с пределом прочности 2—4 ГПа ее легко можно повысить от 290—550 до 450^1400 МПа при плотности 3500—4000 кг/м3. Следует отметить, что получаемые армированные сплавы обладают достаточно высокими характеристиками пластичности. Так, удельная вязкость плит из сплава Д20, армированного проволокой из стали 12Х18Н9Т [14—20% (объемн.)], составляет ап = 441-=-539 кДж/м2.

Волокна в отличие от упрочняющих частиц имеют большую протяженность. Объемная доля волокон в материале колеблется в широких пределах — от нескольких процентов до 90%, диаметр волокон —от долей-микро-метра до сотен микрометров. Увеличение отношения длины волокна * к диаметру I: d, как правило, повышает Коэффициент упрочнения материала! Волокна в композиционном материале располагаются параллельно или под различными углами друг к другу. Свойства таких материалов анизотропны.

Теория композиционных материалов, армированных волокнами, строится на предположении, что волокна равномерно распределены по объему матрицы, однородно и жестоко сцеплены с ней "и на поверхности раздела волокно—матрица нет проскальзывания. В.этом случае наЗависимость а* от объемной доли волокон в композиции приведена на рис. 63. Видно, что прочность композиционного материала тем выше, чем больше объемная доля волокон в нем.

Однако при 1/в>0,8 механические свойства композиции ухудшаются, так как матрица не в.состоянии смочить каждое волокно. Сцепление волокна с матрицей ухудшается, появляется проскальзывание. Это условие ограничивает максимальную объемную долю волокон в композиционном материале.

При малой объемной доле волокон предел прочности материала не определяется уравнением (12.3). Это связано с тем, что числа волокон недостаточно для эффективного сопротивления удлинению матрицы, а также с быстрым нагружением волокон до разрушающего напря-’ жения. В этом случае волокна ведут себя как пустоты, а композиционный материал оказывается менее прочным, чем матрица.

Тем выше, чем’выше его модуль нормальной упругости по сравнению с модулем упругости матрицы и чем больше его объемная доля в композиционном материале. Например, при армировании алюминия (Е&70 ГПа) углеродными волокнами (Ет л; 450 ГПа) в объеме VB = 0,b распределение нагрузки таково: Рв : Рм=6,5 : 1. Это значит, что основная доля нагрузки падает на волокна. Роль матрицы сводится к равномерному перераспределению нагрузки между волокнами.

Поведение композиционных материалов, армированных волокнами конечной длины, описывается другими уравнениями, из которых следует, что дискретные волокна упрочняют композицию слабее, чем непрерывные, при условии, если их длина не превосходит во много раз некоторое критическое значение длины.

Деформация композиционного материала, армированного непрерывными волокнами, при приложении нагрузки вдоль волокон проходит четыре стадии: 1) волокна и матрица деформируются упруго; 2) волокна .деформируются упруго, а матрица начинает деформироваться пластически; 3) волокна и матрица деформируются пластически; 4) волокна разрушаются, что приводит к разрушению композиции.

Если армирование осуществляется хрупким волокном, то третья стадия отсутствует. Если при деформации в композиционном материале появляется микротрещина, то существует вероятность того, что она не перерастет в макротрещину и не приведет к разрушению материала, так как при встрече с волокном она локализуется и не распространяется дальше.

Наиболее производительный — процесс получения армированных изделий прокаткой и волочением. В этом случае нужно учитывать много факторов, основной из которых — способность волокна к пластической деформации. Степень обжатия волокон в матрице может значительно превосходить степень обжатия отдельных волокон при тех же температурах. Это связано с тем, что металл матрицы при обжатии внедряется в микроучасток зародышей повреждений волокон и залечивает их, что способствует повышению допустимой деформации волокон.

Распространенными способами получения композиционных материалов являются прессование и сварка взрывом. Прессование ведут в прессах при повышенных температурах дпя обеспечения схватывания. Прессование в отличие от прокатки способствует большей сохранности волокон, что заметно расширяет ассортимент используемых при армировании волокнистых материалов. При сварке взрывом происходит заметное упрочнение матрицы композиционного материала.

Другие способы получения армированных материалов — спекание порошка матрицы с волокнами, пропитка каркаса ‘волокон расплавом матричного элемента. Часто один из этих способов дополняют прессованием и прокаткой. Такие комбинированные процессы успешно используют при армировании сплавов на основе магния и алюминия, а также жаропрочных сплавов на основе никеля.

В настоящее время интенсивно проводятся исследования по армированию магния и его сплавов. Композиционные материалы на основе магния могут иметь более высокие удельные характеристики прочности, чем материалы на основе алюминия. Однако армирование магния и его сплавов сопряжено со значительными технологическими трудностями из-за низкой свариваемости и’деформируемости магниевых сплавов и присутствия на поверхности рыхлой окисной пленки магния.

Тем не менее получены некоторые .результаты, заслуживающие внимания. Сплав Mg-f-14% Li-f-1% A1, армированный 32% (объемн.) проволоки из нержавеющей стали (ai3 = 4100 МПа), имеет предел прочности при комнатной температуре 770 МПа, а при 200° С 490 МПа. Магний, армированный 30% (объемн.) волокон бора, имеет при комнатной температуре предел прочности _ 970 МПа и модуль нормальной упругости 136 ГПа. При" 400° С этот материал сохраняет очень высокую прочность (о-в=490 МПа). Рекомендуются следующие способы сварки алюминиевых сплавов: аргоно-дуговая, контактная, холодная, для небольших толщин — ультразвуковая, в отдельных случаях — газовая.

Сварка титановых сплавов. Титан — активный металл. Поэтому для сварки титана и его спла,вов применяют способы, обеспечивающие хорошую защиту, аргоно-дуговую сварку, электрошлаковую, электронно- и фотон-нолучевую, , электроконтактную, термодиффузионную, взрывом и др.

Поликристаллические волокна из окиси алюминия, нитрида бора, карбида кремния и других веществ имеют высокий комплекс механических свойств, большую длину и .сравнительно недороги. Получают эти волокна в три стадии: 1) приготовление суспензии либо коллоидального раствора; 2) экструдирование вязкой массы и 3) термическая обработка для удаления влаги и органического связующего с целью стабилизации  структуры   волокон.

Этим методом получают волокна окиси алюминия диаметром 6—50 мкм и длиной 15—20 м. Их плотность 3150 кг/м3, предел прочности 2,1 ГПа и модуль нормальной упругости 175 ГПа.

Методы получения  композиционных материалов

Технология получения композиционного материала сложна. Она начинается с тщательной очистки контактной поверхности армирующих волокон и матрицы, поскольку взаимодействие по этой поверхности определяет качество и работоспособность композиции. Композиционные материалы в зависимости от их размеров, профиля и природы составляющих компонентов можно получать различными способами.

В последнее время успешно развиваются способы получения композиционных материалов с использованием различного рода фазовых превращений в веществах.— кристаллизации, эвтектоидного распада и др. Управляя такими параметрами процесса, как температура, направление теплоотвода, скорость кристаллизации, можно создать гетерогенную микроструктуру, в которой фазы пространственно ориентированы относительно друг друга. В этом случае исключаются многие тяжелейшие стадии получения композиционных материалов, характерные для рассмотренных выше методов.

Один из самых изученных и перспективных способов создания композиций — направленная кристаллизация эвтектических сплавов. Применяя технологию кристаллизации эвтектической жидкости в контролируемых условиях теплоотвода, получают эвтектическую композицию, в которой одна фаза кристаллизуется в форме стержней или пластин, имеет совершенную структуру и свойства нитевидных кристаллов. Таким образом, в эвтектической композиции сразу получается структура с направленно ориентированными нитевидными кри-сталлами (волокнами, пластинами), связанными прочной межфазной связью с матрицей. Интерес к этому методу вызван замечательными иншствами эвтектических композиций и прежде всего высокой термической* стабильностью сформировавшейся структуры.

достигается армированием нитевидными волокнистыми монокристаллами а-модификации карбида кремния a-SiC. Введение 32% (объемн.) SiC повышает предел прочности до 540 МПа. Из приведенных примеров видна перспективность получения" армированных материалов на основе магния и его сплавов.

Композиционные материалы на основе никеля

Особый интерес представляют результаты по армированию жаропрочных сплавов на основе никеля. Такие сплавы имеют удовлетворительные характеристики длительной прочности до температур 1050°

Длительная прочность лучших никелевых сплавов при 1100° С после ЮО-ч нагружения составляет аюо = = 75 МПа, а для никеля, армированного вольфрамом, 150 МПа. Большой эффект упрочнения дает армирование сплавами W+3% Re или W+1% Th02. Длительная прочность композиционного материала, армированного этими сплавами на 70%, достигает при 1100° С оюо = = 250 МПа, а при 1200° С 100 МПа. Пористость в швах из-за отрицательного влияния водорода, значительные деформации — эти дефекты также могут встречаться- при сварке алюминиевых сплавов.

При автоматической сварке плавлением этих сплавов во избежание прожогов необходимо применять подкладки или специальные замковые соединения, что также следует учитывать при проектировании конструкции.

Если размеры упрочняющих частиц превышают 1000 нм, то в композиционных материалах происходит перераспределение нагрузки между частицами и матрицей. Под действием внешнего напряжения в композиционном материале на границе упрочняющая частица — матрица действует скалывающее напряжение т. Когда оно достигает значения предела прочности частицы ав, то она разрушается с зарождением трещины, развитие которой приводит к разрушению всей композиции.

Упрочненные частицами материалы получают, как правило, методами порошковой металлургии. Свойства таких материалов изотропны.

В последнее время наблюдается заметный прогресс в области создания высокожаропрочных деформируемых сплавов методом дисперсного упрочнения. Никель, упрочненный 2—4% Th02 (ТД-никель), может работать при температуре до 1250° С. Еще большее повышение жаропрочности наблюдается у никелевых сплавов, изготовленных методом    механического   легирования. Этот

метод обеспечивает сочетание двух способов упрочнения^ никелевых сплавов: дисперсного упрочнения частицами" окислов и дисперсионного твердения при формировании упрочняющей- фазы. Интенсивно разрабатываются новые жаропрочные сплавы на основе титана, кобальта, сплава Со—Ni—Cr, армированные мелкодисперсной двуокисью тория и другими окислами.