[1]Изобретение относится к области слоистых гибридных композиционных материалов, содержащих внешние и внутренние листы из алюминий-литиевых сплавов и слои стеклопластика на основе клеевых препрегов с разным содержанием армирующего наполнителя, применяемых в качестве конструкционного материала для силовых обшивок крыла самолета, а также для использования в других транспортных средствах.
[2]Многие годы обшивки крыла изготавливаются механической обработкой плит (листов, прессованных панелей): верхние из высокопрочных сплавов типа В95очТ2 (7475-Т76 за рубежом), отличающиеся, главным образом, повышенной статической прочностью при сжатии, нижние из ресурсных среднепрочных сплавов типа 1163Т (2524-Т351 за рубежом), отличающиеся повышенными характеристиками пластичности и трещиностойкости, и используются как монолитные стрингерные конструкции, с толщиной обработанного полотна ~5-10 мм (А.А. Туполев, В.В. Сулименков, В.К. Зельтин. Повышение эксплуатационных характеристик и эффективности конструкций пассажирских самолетов. Металловедение алюминиевых сплавов М., Наука, 1985, с. 22-40; О.Г. Сенаторова, В.В. Антипов, А.В. Бронз, А.В. Сомов, Н.Ю. Серебренникова. Высокопрочные и сверхпрочные сплавы традиционной системы Al-Zn-Mg-Cu, их роль в технике и возможности развития // ТЛС, 2016, №2, с. 43-49).
[3]Известен класс слоистых гибридных алюмостеклопластиков под маркой GLARE (Glass + Aluminium + Reinforced), которые предложены и реализованы в обшивке фюзеляжа фирмой AKZO (Нидерланды) (ЕР 0312151 А1, опубл. 1989), состоящие из тонких одинаковой толщины (0,2-0,5 мм) листов традиционных сплавов систем легирования Al-Cu-Mg (2024-Т3 - типа Д16чТ) и Al-Zn-Mg-Cu (7475-Т76 - типа В95очТ2) и промежуточных слоев стеклопластика, как правило, на клеевом связующем, армированным непрерывными стекловолокнами из стекла типа S (серии ВМП в России).
[4]Известны российские слоистые композиционные гибридные алюмостеклопластики марки СИАЛ (Стекло И Алюминий) пониженной плотности и повышенного модуля упругости на базе тонких листов из Al-Li сплавов типа ресурсного 1441 (RU №2185964, опубл. 27.07.2002; RU №2565215, опубл. 20.10.2015 г.), обозначенные маркой СИАЛ-1-1Р.
[5]Материалы (GLARE и СИАЛ) используются в виде относительно тонких обшивок фюзеляжа толщиной до 2,5 мм (максимальной структуры 6/5, где 6 - количество алюминиевых листов и 5 - количество прослоек стеклопластика). Основные недостатки известных слоистых алюмостеклопластиков (GLARE и СИАЛ) применительно к крыльевым панелям состоят в следующем: при использовании в обшивках крыла требуется большая многослойность, при которой резко возрастает трудоемкость изготовления композита - усложняется подготовка поверхности тонких Al-Li листов (анодное окисление и покрытие грунтом) и ручная выкладка большего количества слоев клеевых препрегов; параллельно нарастают проблемы дефектности и трудности их определения.
[6]По этим основным причинам разработанные многослойные материалы класса СИАЛ и GLARE сложно применять в массивных обшивках крыла увеличенной толщины.
[7]Из уровня техники известен градиентный металлостеклопластик, состоящий из внешних листов одинаковой толщины высокомодульного Al-Li сплава с пределом текучести в диапазоне 300-400 МПа и слоев стеклопластика на базе термореактивного клеевого связующего с армирующим наполнителем из стекловолокон в виде тканей или ровинга. Он содержит внутренние листы из высокопрочного Al-Li сплава с пределом текучести более 500 МПа, причем каждый слой стеклопластика расположен между упомянутым внутренним листом и внешними листами, толщина внутреннего листа составляет 25-40% от общей толщины градиентного металлостеклопластика (RU 2565215, опубл. 20.10.2015, В32В 15/08).
[8]Ближайшим аналогом заявленного изобретения является слоистый композиционный материал, состоящий из чередующихся алюминиевых листов и слоев стеклопластика с термореактивным связующим и армирующим наполнителем. Материал содержит, по крайней мере, два слоя алюминиевых листов, один из которых выполнен из высокомодульного Al-Li сплава пониженной плотности с содержанием Li более 1,5%, а другой - из сплава системы Al-Mg-Si при соотношении толщин слоев (70-12):1 (RU 2270098, опубл. 20.02.2006, В32В 15/08).
[9]Недостатками данных материалов является малая толщина, пониженные несущая способность и сопротивление сжатию, недостаточная жесткость.
[10]Технической задачей настоящего изобретения является создание слоистого гибридного композиционного материала на основе листов разной толщины из двух Al-Li сплавов и слоев стеклопластиков, обладающего повышенными ресурсом и несущей способностью при сжатии, при высоком сопротивлении усталостному разрушению, пониженной плотности, высокой прочности, повышенном модуле упругости, для конструкционного применения в основных силовых элементах планера самолета (типа обшивок крыла) и другой транспортной технике.
[11]Технический результат заявленного изобретения заключается в создании слоистого гибридного композиционного материала на основе Al-Li листов с повышенным ресурсом и несущей способностью при сжатии, при сохранении высокого сопротивления усталостному разрушению и прочности, пониженной плотности, повышенного модуля упругости.
[12]Для решения поставленной задачи предложен слоистый гибридный композиционный материал, содержащий внешние и внутренние слои из Al-Li сплавов и слои стеклопластика на базе клеевых препрегов с армирующим наполнителем. В качестве внешних слоев применяются Al-Li листы толщиной 1-2 мм. В качестве внутренних слоев используются Al-Li листы толщиной 0,3-0,5 мм в количестве не менее трех, при этом слои стеклопластика, расположенные под внешними Al-Li слоями, выполнены на основе клеевого препрега в виде стеклоткани сатинового плетения с содержанием армирующего наполнителя не более 40 объемных процентов (об. %).
[13]В качестве металлических слоев используются листы из Al-Li сплавов с пониженной плотностью и повышенным модулем упругости при растяжении. Например, для внешних слоев - листы из Al-Li сплава с плотностью не более 2690 кг/м3 и модулем упругости при растяжении не менее 76 ГПа, для внутренних металлических слоев - листы из Al-Li сплава с плотностью не более 2620 кг/м3 и модулем упругости при растяжении не менее 78 ГПа.
[14]Между внутренними листами Al-Li сплава может применяться стеклопластик, армированный стекловолокном не менее 60 объемных процентов.
[15]Армирующий наполнитель между внутренними листами Al-Li сплава может быть выполнен в виде однонаправленной стеклоткани (с основой из высокопрочных стеклянных волокон и с утком из волокон легкоплавкого полимерного материала) или в виде стеклоровинга. Основа армирующего наполнителя между внутренними листами Al-Li сплава может быть выполнена из стеклянных волокон диаметром 5-20 мкм, плотностью 2500-2580 кг/м3, с пределом прочности 4000-5000 МПа, модулем упругости при растяжении 85-100 ГПа.
[16]Клеевое связующее может быть выполнено на основе смеси эпоксидных смол, модифицированное термопластичным материалом с повышенной температурой отверждения 170-180°C и обеспечивает монолитность слоя стеклопластика и надежную связь между слоями композиционного материала.
[17]Предложено также изделие, выполненное из заявленного слоистого гибридного композиционного материала.
[18]Слоистый гибридный алюмополимерный композиционный материал (рис. 1) состоит из чередующихся листов разной толщины из Al-Li сплавов и слоев стеклопластика. Внешние (наружные) листы 1 имеют толщину 1-2 мм и выполнены из высокомодульного Al-Li сплава с плотностью не более 2690 кг/м3, внутренние 3 листы имеют толщину 0,3-0,5 мм и выполнены из высокомодульного Al-Li сплава с плотностью не более 2620 кг/м3. При этом количество внутренних (тонких) листов толщиной 0,3-0,5 мм в структуре составляет не менее трех, между которыми применен стеклопластик 4 с армирующим наполнителем не менее 60 объемных процентов из однонаправленных стеклянных волокон в виде стеклоровинга или однонаправленной стеклоткани. Между внешними листами толщиной 1-2 мм применен стеклопластик 2 на базе клеевого препрега в виде стеклоткани сатинового плетения с содержанием армирующего наполнителя не более 40 объемных процентов.
[19]Предложенная регламентация количества внутренних тонких листов толщиной 0,3-0,5 мм в структуре не менее трех, между которыми применен стеклопластик на базе клеевого препрега с армирующим наполнителем из однонаправленных стеклянных волокон не менее 60 объемных процентов, обеспечивает повышение в 5-10 раз сопротивления росту трещиноусталости слоистого гибридного материала, что ведет к повышению ресурса.
[20]Использование в составе слоистого гибридного материала листов из Al-Li сплавов пониженной плотности позволяет дополнительно повысить весовую эффективность, при этом применение в качестве внешних слоев листов увеличенной толщины 1-2 мм из высокомодульного Al-Li сплава с плотностью не более 2690 кг/м3 ведет также к повышению несущей способности и жесткости конструкции.
[21]Использование в составе слоистого гибридного материала слоев стеклопластика на основе клеевых препрегов с разным содержанием армирующего наполнителя позволяет повысить предел прочности при растяжении и сжатии, при этом стеклопластик, расположенный между внешними листами увеличенной толщины, армирован стеклотканью сатинового плетения, что способствует повышению статической прочности материала в поперечном направлении. Между внутренними тонкими листами применен стеклопластик, армированный однонаправленными стеклянными волокнами.
[22]Применение стеклопластика, армированного тканью сатинового плетения, взамен стеклопластика, армированного ровингом из традиционных высокопрочных волокон (ВМП, S и др.), способствует повышению статических прочностных свойств материала по ширине, т.к. обшивка крыла самолета испытывает действие рабочих нагрузок в долевом и поперечном направлениях.
[23]Пониженное содержание до 40 объемных процентов армирующего наполнителя обеспечивает достаточное качество соединения внешних листов, о чем свидетельствуют прямые испытания на сдвиг (таблица 1) и отсутствие расслоений в образцах при других видах испытаний.
[24]Дополнительным фактором является совместимость сплавов внешних и внутренних Al-Li листов по температурно-временным параметрам упрочняющей термообработки. Эти параметры, в свою очередь, совместимы с повышенной температурой отверждения (170-180°C) используемого клеевого модифицированного связующего для создания надежной связи между металлическими листами и полимерными слоями и повышения температуры эксплуатации композиционного материала.
[25]
[26]
[27]На рисунке 1 приведена схема слоистого гибридного материала, где:
[28]1 - внешний (наружный) слой толщиной 1,0-2,0 мм из Al-Li сплава;
[29]2 - стеклопластик на базе клеевого препрега на стеклоткани с содержанием армирующего наполнителя не более 40 об. %;
[30]3 - внутренний слой толщиной 0,3-0,5 мм из Al-Li сплава;
[31]4 - стеклопластик на базе клеевого препрега на ровинге или однонаправленной стеклоткани с содержанием армирующего наполнителя не менее 60 об. %.
[32]В таблице 3 показаны механические и физические свойства листовых заготовок из заявленного (примеры 2, 3), экспериментального (пример 1, 4), известных (примеры 5, 6) слоистых композиционных материалов и известного монолитного материала (пример 7). Пример 1 - с содержанием в структуре двух внутренних листов толщиной 0,3-0,5 мм; пример 2 - с содержанием в структуре трех внутренних листов толщиной 0,3-0,5 мм; пример 3 - с содержанием в структуре четырех внутренних листов толщиной 0,3-0,5 мм; пример 4 - с содержанием в структуре трех внутренних листов толщиной 0,3-0,5 мм и прослойками стеклопластика, армированного тканью (до 40 об. %); пример 5 - СИАЛ-1-1Р с одинаковыми по толщине листами из Al-Li сплава и прослойками стеклопластика на ровинге; пример 6 - GLARE с одинаковыми по толщине среднепрочными листами из сплава 2024 системы Al-Cu и прослойками стеклопластика на ровинге; пример 7 - монолитный лист толщиной 5-10 мм из Al-Li сплава.
[33]
[34]
[35]
[36]Примеры осуществления
[37]В опытно-промышленном производстве были отформованы слоистые гибридные листовые заготовки предлагаемого композиционного материала габаритами 5×500×500 мм, состоящие из: двух внешних (наружных) листов Al-Li сплава (толщиной от 1,0 до 2,0 мм, пределом прочности σB~560 МПа, пониженной плотностью d~2680 кг/м3 и повышенным модулем упругости Е~78 ГПа) и слоев внутренних однонаправленых алюмостеклопластиков структуры 2/1, 3/2 и 4/3 на основе тонких листов из Al-Li сплава (толщиной 0,35 мм (в количестве двух, трех, четырех), пределом прочности σB~460 МПа, пониженной плотностью d~2590 кг/м3 и повышенным модулем упругости Е~79 ГПа) и слоев стеклопластика с тканевым армирующим наполнителем не более 40 об. %, расположенные между внешними Al-Li слоями, и слоев стеклопластика с ровингом, армированным не менее 60 об. % непрерывными высокопрочными волокнами между внутренними тонкими листами в однонаправленных алюмостеклопластиках структуры 2/1, 3/2 и 4/3.
[38]Алюминий-литиевые листы подвергали предварительной подготовке поверхности: обезжириванию, травлению, анодному окислению и покрытию адгезионным грунтом. Выкладку материала осуществляли ручным методом. Формование листовых заготовок слоистого гибридного материала проводили автоклавным способом при повышенной температуре отверждения модифицированного связующего (170-180°C).
[39]Микроструктуру и регламентированные соотношения листов и слоев стеклопластика, объемное содержание компонентов в слоистом гибридном материале оценивали на шлифах, вырезанных из разных зон, методами количественного микроструктурного анализа в оптическом микроскопе.
[40]Таким образом, предложенный трещиностойкий, легкий, высокопрочный, высокомодульный слоистый гибридный композиционный материал расширяет возможности производства деталей, обеспечивает повышение ресурса, надежности, весовой эффективности, жесткости, несущей способности при сжатии, температурного диапазона эксплуатации изделий.
[41]Материал рекомендуется для изготовления обшивок (панелей) крыла самолета, а также для изделий наземного транспорта и другой транспортной техники взамен монолитных плит (листов, прессованных панелей) из алюминиевых и Al-Li сплавов и слоистых материалов серии СИАЛ/GLARE.
