Файл: Алюминиевые и магниевые сплавы, армированные волокнами..pdf

Глава IV

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ АРМИРОВАННЫХ ЛЕГКИХ СПЛАВОВ

Алюминий — наиболее распространенный после железа элемент, обладающий замечательной способностью к образованию сплавов. Однако по ряду свойств (прочность, упругость, жесткость, термо­ прочность) алюминиевые сплавы значительно уступают сплавам на основе железа. Оптимальное армирование позволит приблизить в значительной мере алюминиевые сплавы по свойствам к сплавам на основе железа, что в принципе даст возможность расширить область применения алюминиевых сплавов в различных областях техники.

В настоящее время можно отметить две перспективные области применения армированных металлических материалов [1—3):

1)как конструкционного материала;

2)как материала с новыми физическими свойствами.

I.АРМИРОВАННЫЕ ЛЕГКИЕ СПЛАВЫ КАК КОНСТРУКЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ

Все композиты с неметаллической матрицей (такие, как эпоксид­ ная смола — борные волокна, эпоксидная смола — графитовые во­ локна и другие) имеют высокую удельную жесткость и прочность при растяжении в направлении волокон. Однако все известные смолы обладают низким сопротивлением разрыву и сдвигу, поэтому металлическая матрица типа алюминиевой или сплава из алюминия имеет значительные преимущества перед известными смолами [4]. В этой связи использование алюминиевых сплавов в качестве матрицы представляется весьма перспективным.

В настоящее время различные фирмы США освоили технологию получения армированных листов из серийных алюминиевых спла­ вов 1100, 2024, 2219, 3003, 5052, 5456, 6061, 7039, 7075, 7178 и

других. В качестве армирующей фазы используются бериллиевая и стальная проволока (нержавеющая сталь с пределом прочности 340—365 кГІмм2) диаметром 0,2—2,5 лш; волокна бора, карбида бора, карбида кремния и борсик (волокна бора, покрытые карбидом кремния); бора, покрытого нитридом, а также графитовые волокна. При объемной доле волокон карбида бора 40—50% прочность

188

с о х а ш х х ш ш ;

7 -іа а й ш п г '

Рис. 1. Конструкция композитного материала алюминиевый сплав 6061 — (35 — 45)% В — 5% проволоки из стали АМ-355 (4)

ром 50 м к м ; 3 — алюминиевая фольга

армированного алюминиевого сплава 6061 достигает 140 кПмм2 15], а при введении 50% волокон бора — 114 кГІмм2 при модуле упругости Е — 24 040 кГІмм2 [4]. В последнее время прочность этой композиции увеличилась даже до 150 кПмм2.

Продолжаются работы по созданию материалов путем упрочне­ ния легких сплавов усами карбида кремния и окиси алюминия. На основе главным образом жидкофазных технологий получены и запатентованы различными фирмами США композиции с ните­ видными кристаллами, которые из-за сравнительно низкой проч­ ности (сгь ж 80 кГ/мм2) и разброса свойств проигрывают по сравне­ нию с легкими сплавами, упрочненными волокнами. Армирован­ ные магний и алюминий и их сплавы находят широкое применение в новой технике.

Почти все крупные американские авиационные фирмы проекти

детали из композитов. По данным работы [3], только в 1970 г. свыше 22 типов изделий с композитами подготавливались и проходили летные испытания.

Наиболее распространенным в опробываемых конструкциях был материал алюминий — бор. Вот некоторые примеры; в 1968 г. фирма «Сопѵаіг» (США) разработала композитный материал алюми­ ниевый сплав — волокна бора для изготовления ряда деталей фюзеляжа самолета F-111 (рамы, лонжероны, дверцы, фиттин­ ги, стрингера, переборки, панели) [4], что позволило снизить вес этих деталей на 18—60%. Для уменьшения анизотропии свойств (повышения прочности материала в поперечном направлении) вво­ дили поперечные волокна из нержавеющей стали марки АМ-355.

волокна бора (продольные) — проволока из нержавеющей стали (поперечные волокна) схематично представлена на рис. 1. Диаметр

189

волокон бора составлял 50 мкм, объемная доля 35—45%; проволо­ ку из нержавеющей стали диаметром 100 мкм вводили в количе­ стве 5%. Механические свойства (табл. 1) определяли на панелях (методика испытаний рассмотрена в работах [6, 7]).

Использование композитного материала для изготовления не­ которых деталей фюзеляжа самолета F-111 позволило снизить их вес. Соответствующие расчеты деталей, изготовленных из арми­ рованного алюминия, даны в работе [8]. В табл. 2 приведены все детали фюзеляжа, изготовленные из различных материалов.

Авиакосмическая фирма «General Dynamics» проанализировала возможность использования композиции А1 — В для замены алю­ миниевых деталей (обшивка, перегородки, шпангоуты и т. д.) в самолете F-106A. Наибольшую экономию веса дает применение композита для перегородок: вес перегородки из А1—В в титановом каркасе на 43% меньше, чем из обычного стандартного алюминие­ вого сплава.

Использование композитного материала А1 — В с перекрестным расположением волокон (0—90°) для фюзеляжа, крыла и обшивок элеронов привело к существенному снижению веса. Уменьшение толщины обшивки крыла снизило его вес на 13%, а общий вес конструкции — на 23% (с 3872 до 2990 кг), что заметно улучшает летно-технические характеристики самолета: увеличивает емкость

190