Статьи

 




УДК 667.637.233
Н. Н. Иванникова, Г. Г. Шаповалов
Технология защиты конструкций из металлических композиционных материалов

Развитие современной техники, в частности авиационной, позволяет создавать новые композиционные материалы на основе традиционных материалов, используемых в различных конструкциях. Анализ таких конструкционных материалов на основе металлических композиционных материалов с гибридным армированием волокон позволяет сделать вывод о коррозионном воздействии на границе «металл–волокно», которое является катодом по отношению к сплавам, что может привести в условиях коррозионной среды к разрушению композиционного материала. Выбраны схемы для обеспечения защиты поверхности металлических композиционных материалов.

Ключевые слова: лакокрасочные материалы, покрытия, армирующие волокна, контактная коррозия, металлические композицио

Крупным достижением последних десятилетий явилось создание нового класса материалов на основе металлической матрицы и упрочняющих компонентов, в качестве которых могут использоваться борные, углеродные и другие волокна (металлические композиционные материалы) [1–5].

Армирование легких металлов (алюминия, титана, магния) высокопрочными и высокомодульными волокнами – эффективный технологический прием, позволяющий в несколько раз повысить прочность и жесткость материала, особенно в направлении приложения максимальных усилий, а также температурный уровень эксплуатации деталей из них [4–7].

В связи с тем, что армирование композиционных материалов (КМ) производится волокнами, являющимися катодом по отношению к алюминиевым сплавам, и образующиеся по границам раздела элементов интерметаллиды (например, диборид алюминия) либо также являются катодами, либо сами обладают низкой коррозионной стойкостью, обеспечение надежной коррозионной стойкости этих материалов и необходимой защиты их от коррозии является важнейшим вопросом в определении возможности применения деталей из металлических КМ, особенно в авиационных конструкциях [1–3, 8].

В условиях коррозионной среды коррозионному воздействию подвергается внешний металлический слой КМ и металл на границе «металл–волокно» по торцам материала и местам установки крепежа, причем торцы и места установки крепежа и заклепок требуют усиленной коррозионной защиты. Для устранения коррозии рекомендуют металлургические способы заделки торцов: заплавление или электронно-лучевую обрезку. Таким образом, разработка технологических схем антикоррозионной защиты металлических КМ имеет существенное значение [6, 9].

Композиционные материалы ВКА-1 и ВКА-1А представляют собой систему, в которой матрица из алюминиевого сплава армирована волокнами бора; КАС-1А – матрица из сплава АВ армирована проволокой из нержавеющей стали; ВКУ-1 – получается методом пропитки матричным металлом В93 пакета углеродных волокон [3, 10].

Установлено, что исследуемые металлические КМ с гибридным армированием в состоянии поставки обладают низкой коррозионной стойкостью и применение их без защиты системами ЛКП невозможно. При воздействии 3%-ного раствора NaCl (распыление или погружение в раствор) через 730 сут на поверхности КМ наблюдаются точки коррозии по торцам и основной поверхности, причем наиболее значительные на образцах из материала ВКУ-1. Использование комбинированных пакетов с применением на внешней поверхности стекловолокна повысило коррозионную стойкость, но несущественно. Наиболее высокой коррозионной стойкостью обладали образцы с четырьмя слоями стекловолокна. Коррозионная стойкость модифицированного материала ВКУ-1н ниже, чем у материала ВКУ-1, очевидно, из-за значительной неравномерности распределения углеродных волокон в матрице ВКУ-1н [11, 12]. Данные по коррозионной стойкости исследуемых КМ в условиях камеры солевого тумана приведены в табл. 1.

 

Таблица 1

Коррозионная стойкость металлических композиционных материалов после испытаний в камере солевого тумана

Материал

Вид подготовки

поверхности

Состояние поверхности образца после

испытаний в камере солевого тумана

 

ВКА-1

 Ан.Окс.нхр

 Отдельные точки коррозии по поверхности и торцам через 12 мес

Ан.Окс.хром

Отдельные точки коррозии по поверхности и торцам через 12 мес. Через 3 мес рыхлая коррозия по торцам

Хим.Фос.окс

Начало коррозии через 12 мес. Через 3 мес темные точки коррозии по торцам

Травление

Начало коррозии через 1030 сут. Через 3 мес сплошная коррозия в виде темных пятен

КАС-1А

Ан.Окс.нхр

Сплошная коррозия по всей поверхности в виде темных пятен через 3 мес

Ан.Окс.хром

Хим.Фос.окс

Травление

То же

-«-

-«-

ВКУ-1

Травление +

+ Хим.Фос.окс

Сильная расслаивающая коррозия через 7 сут. Увеличение толщины образца в 22,5 раза

ВКУ-1н с моди-

фицированными волокнами

То же

Расслаивающая коррозия через 7 сут. Увеличение толщины образца в 24 раза

ВКУ-1 со стекловолокном в поверхностном слое

-«-

Сильная расслаивающая коррозия. Увеличение толщины образца в 23 раза

 

Защитные свойства ЛКП определяются рядом факторов, главным из которых является адгезионная способность. Решающее влияние на адгезионную способность оказывает способ подготовки поверхности. Исследовали грунтовки и системы ЛКП: серийно применяемые грунтовки ЭП-076, ЭП-0215, ЭП-0214, АК-0209 и системы на основе эмалей ЭП-140, ЭП-140М, КО-856 [6, 11, 13].

Исследуемые грунты при всех рассматриваемых видах подготовки поверхности имеют хорошую или удовлетворительную адгезию к материалам ВКА-1, КАС-1А (табл. 2). Более высокие показатели адгезии получены при подготовке поверхности материалов ВКА-1 и КАС-1А анодированием в серной кислоте или химическим оксидированием с грунтами ЭП-076 и ЭП-0214 [3, 7, 11, 14].

 

Таблица 2

Адгезия ЛКП к поверхности металлических композиционных материалов

Система ЛКП

Вид подготовки поверхности матрицы

Адгезия, балл (ГОСТ 15140–82), после
10 сут выдержки в дистиллированной воде материала

КАС-1А

ВКА-1

ВКУ-1

 

Грунтовка ЭП-076

 

Ан.Фос.окс + Ан.Окс.нхр

Хим.Окс.хром

Ан.Окс.нхр

Ан.Окс.хром

 

2

2

2

1

 

2–3

1

2

2

 

Грунтовка ЭП-0214

Ан.Фос.окс + Ан.Окс.нхр

Хим.Окс.хром

Ан.Окс.нхр

Ан.Окс.хром

2

2

2

2

2

1

2–1

2

Грунтовка АК-0209

Ан.Фос.окс + Ан.Окс.нхр

Хим.Окс.хром

Ан.Окс.нхр

Ан.Окс.хром

3

3

3

2

3

3

2–3

2

Грунтовка ЭП-076

холодной сушки +

+ грунтовка ЭП-076

горячей сушки

(100°С, 2 ч) +

+ эмаль ЭП-140

Травление+Хим.Окс.хром

(матрица из сплава В93)

Стекловолокно (3 слоя) +

+углеродная лента (10 слоев)+

+стекловолокно (3 слоя)

 

 

2–3

 

3–4

Грунтовка ЭП-0215

холодной сушки +

+грунтовка ЭП-0215

горячей сушки

(100°С, 2 ч)+

+эмаль ЭП-140

 

Травление+Хим.Окс.хром

(матрица из сплава В93)

Стекловолокно (3 слоя)+

+углеродная лента (10 слоев)+

+стекловолокно (3 слоя)

 

 

2–3

 

3–4

 

Для материала ВКУ-1 из-за его высокой коррозионной активности целесообразно применение усиленных схем защиты с применением грунта и эмали. На образцах из материала ВКУ-1, имеющих в составе поверхностного слоя стекловолокно, адгезия заметно ниже [4, 6, 7, 15].

Конструкции из КМ могут выполняться сваркой, клеесваркой, склеиванием, соединением заклепками или болтами. Однако соединение листового КМ заклепками требует усиленной защиты, ввиду того что при рассверловке и клепке может происходить разрушение волокна и, как следствие этого, резкое снижение свойств материала с однонаправленным расположением волокна.

Для обеспечения надежной защиты исследовали вопросы защиты конструкций, имитирующих точечную электросварку и болтовое соединение. Для сварного варианта защита осуществлялась по травленой зашкуренной поверхности с последующим химическим оксидированием перед окраской. Сварку осуществляли по грунтовкам ФЛ-086, КФ-030, составу КСП-1, пасте АЛКМ-1. Для защиты торцов и мест постановки крепежа использовали: грунтовки ЭП-076 и ФЛ-086, пасту ВП-1, шпатлевки ЭП-0082 и ЭП-0061.

Для защиты основной поверхности применяли одну из следующих систем ЛКП: грунтовка ЭП-076 (или грунтовка АК-070)+эмаль ЭП-140; грунтовка ЭП-076 (или грунтовка АК-070)+эмаль КО-856.

После 4 мес испытаний сварных образцов из материалов КАС-1А и ВКА-1 в камерах влажности и солевого тумана коррозионные поражения отсутствуют как по основной поверхности, так и по сварному шву. Имеют место лишь участки сыпи на 10–20% поверхности образцов.

Испытания образцов из материала ВКА-1 с болтовыми соединениями в течение 2 мес в тропической камере влажности показали, что через 1 мес испытаний лишь при одном варианте защиты – заделка торцов шпатлевкой ЭП-0061 – имели место два участка коррозии по торцам. В остальных вариантах испытаний коррозионные поражения отсутствуют.

На образцах из материала ВКУ-1 с системами защиты по основной поверхности: грунтовка ЭП-076 (или грунтовка ЭП-0215)+грунтовка ЭП-076 (или грунтовка ЭП-0215)+ эмаль ЭП-140; с защитой торцов (горячая сушка при 100°С, 2 ч) по схеме: грунтовка ЭП-076 (или грунтовка ЭП-0215)+эмаль ЭП-140 (или паста ВП-1) или грунтовка ЭП-0215+герметик У-30МЭС-5 после 2 мес испытаний в камерах солевого тумана и влажности – коррозионных поражений нет.

В ВИАМ также разработана грунтовка ЭП-0215М, которая характеризуется более высокими адгезионными свойствами, может применяться в системах покрытий с эпоксидными и полиуретановыми эмалями (в том числе импортными). Грунтовка ЭП-0215М обладает более высокими технологическими свойствами, что позволяет сократить технологический цикл окраски изделия без ухудшения эксплуатационных характеристик покрытия. Система покрытия на основе антикоррозионного грунтовочного покрытия ЭП-0215М обладает высокими физико-механическими, защитными и декоративными свойствами. Применение указанной грунтовки позволяет снизить токсичность при окраске изделия (за счет исключения операции зашкуривания грунтовочного покрытия). Грунтовка ЭП-0215М может применяться при окраске внутренней и внешней поверхностей планера самолета, а также других изделий.

Таким образом, проведенные коррозионные испытания образцов из КМ позволяют выбрать схему для обеспечения защиты поверхности металлических композиционных материалов. Защита торцов и мест постановки крепежа должна осуществляться по усиленной схеме. Целесообразно предусматривать их защиту металлургическим путем (заплавление или электронно-лучевая обрезка).


ЛИТЕРАТУРА REFERENCE LIST
1. Кондрашов Э.К., Кузнецова В.А., Семенова Л.В., Лебедева Т.А., Малова Н.Е. Развитие авиационных лакокрасочных материалов //Все материалы. Энциклопедический справочник. 2012. №5. С. 49–54.
2. Каблов Е.Н. Современные материалы – основа инновационной модернизации России //Металлы Евразии. 2012. №3. С. 10–15.
3. Гращенков Д.В., Чурсова Л.В. Стратегия развития композиционных и функциональных материалов //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 231–242.
4. Каблов Е.Н., Щетанов Б.В., Ивахненко Ю.А., Балинова Ю.А. Перспективные армирующие высокотемпературные волокна для металлических и керамических композиционных материалов //Труды ВИАМ. 2013. №2 (электронный журнал).
5. Мигунов В.П., Фарафонов Д.П., Деговец М.Л. Пористоволокнистый материал сверхнизкой плотности на основе металлических волокон //Авиационные материалы и технологии. 2012. №4. С. 38–41.
6. Чеботаревский В.В., Кондрашов Э.К. Технология лакокрасочных покрытий в машиностроении. М.: Машиностроение. 1978. 295 с.
7. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7–17.
8. Каблов Е.Н., Щетанов Б.В., Ивахненко Ю.А., Балинова Ю.А. Перспективные армирующие высокотемпературные волокна для металлических и керамических композиционных материалов //Труды ВИАМ. 2013. №2 (электронный журнал).
9. Хохлатова Л.Б., Колобнев Н.И., Антипов В.В., Каримова С.А. и др. Влияние коррозионной среды на скорость роста трещины усталости в алюминиевых сплавах //Труды ВИАМ. 2013. №3 (электронный журнал).
10. Акатенков Р.В., Кондрашов С.В., Фокин А.С., Мараховский П.С. Особенности формирования полимерных сеток при отверждении эпоксидных олигомеров с функциализованными нанотрубками //Авиационные материалы и технологии. 2011. №2. С. 31–37.
11. Семенова Л.В., Малова Н.Е., Кузнецова В.А., Пожога А.А. Лакокрасочные материалы и покрытия //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 315–327.
12. Каблов Е.Н., Кондрашов С.В., Юрков Г.Ю. Перспективы использования углеродсодержащих наночастиц в связующих для полимерных композиционных материалов //Российские нанотехнологии. 2013. Т. 8. №3–4. С. 28–46.
13. Семенова Л.В., Родина Н.Д., Нефедов Н.И. Влияние шероховатости систем лакокрасочных покрытий на эксплуатационные свойства самолетов //Авиационные материалы и технологии. 2013. №2. С. 37–40.
14. Кондрашов Э.К., Кузнецова В.А., Семенова Л.В., Лебедева Т.А. Основные направления повышения эксплуатационных, технологических и экологических характеристик лакокрасочных покрытий для авиационной техники //Российский химический журнал. 2010. Т. LIV. №1. С. 96–102.
15. Солнцев Ст.С., Розененкова В.А., Миронова Н.А., Гаврилов С.В. Высокотемпературные тонкопленочные покрытия для уплотнительных материалов из металлических волокон //Авиационные материалы и технологии. 2012. №1. С. 30–37.
1. Kondrashov E.K., Kuznetsova V.A., Semenova L.V., Lebedeva T.A., Malova N.E. Razvitie aviatsionnyh lakokrasochnyh materialov [Development of aircraft lacquer-and-paint coatings] //Vse materialy. Entsiklopedicheskiy spravochnik. 2012. №5. S. 49–54.
2. Kablov E.N. Sovremennye materialy – osnova innovatsionnoy modernizatsii Rossii [Modern materials – the basis for innovative modernization of Russia] //Metally Evrazii. 2012. №3. S. 10–15.
3. Graschenkov D.V., Chursova L.V. Strategiya razvitiya kompozitsionnyh i funktsional'nyh materialov [Development strategy of composite and functional materials] //Aviatsionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 231–242.
4. Kablov E.N., Schetanov B.V., Ivahnenko Yu.A., Balinova Yu.A. Perspektivnye armiruyuschie vysokotemperaturnye volokna dlya metallicheskih i keramicheskih kompozitsionnyh materialov [Advanced high-temperature reinforcing fibers for metal and ceramic composite materials] //Trudy VIAM. 2013. №2 (elektronnyj zhurnal).
5. Migunov V.P., Farafonov D.P., Degovets M.L. Poristovoloknistyj material sverhnizkoy plotnosti na osnove metallicheskih volokon [Superlow-density porous-fibrous material based on metallic fibers] //Aviatsionnye materialy i tehnologii. 2012. №4. S. 38–41.
6. Chebotarevskiy V.V., Kondrashov E.K. Tehnologiya lakokrasochnyh pokrytiy v mashinostroenii [Technology of lacquer-and-paint coatings in the mechanical engineering]. M.: Mashinostroenie. 1978. 295 s.
7. Kablov E.N. Strategicheskie napravleniya razvitiya materialov i tehnologiy ih pererabotki na period do 2030 goda [Strategic directions of the development of materials and technolo-gies of their processing for the period until 2030] //Aviatsionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 7–17.
8. Kablov E.N., Schetanov B.V., Ivahnenko Yu.A., Balinova Yu.A. Perspektivnye armiruyuschie vysokotemperaturnye volokna dlya metallicheskih i keramicheskih kompozitsionnyh materialov [Advanced high-temperature reinforcing fibers for metal and ceramic composite materials] //Trudy VIAM. 2013. №2 (elektronnyj zhurnal).
9. Hohlatova L.B., Kolobnev N.I., Antipov V.V., Karimova S.A. i dr. Vliyanie korrozionnoy sredy na skorost' rosta treschiny ustalosti v alyuminievyh splavah [An effect of a corrosive environment on the fatigue crack growth rate in aluminium alloys] //Trudy VIAM. 2013. №3 (elektronnyj zhurnal).
10. Akatenkov R.V., Kondrashov S.V., Fokin A.S., Marahovskiy P.S. Osobennosti formirovaniya polimernyh setok pri otverzhdenii epoksidnyh oligomerov s funktsializovannymi nanotrubkami [Polymer network formation features during the curing processes of epoxy oligomers with functionalized nanotubes] //Aviatsionnye materialy i tehnologii. 2011. №2. S. 31–37.
11. Semenova L.V., Malova N.E., Kuznetsova V.A., Pozhoga A.A. Lakokrasochnye materialy i pokrytiya [Lacquer-and-paint materials and coatings] //Aviatsionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 315–327.
12. Kablov E.N., Kondrashov S.V., Yurkov G.Yu. Perspektivy ispol'zovaniya uglerodsoderzhaschih nanochastits v svyazuyuschih dlya polimernyh kompozitsionnyh materialov [Application potential of carbon-bearing nanoparticles in binders for polymer composite materials] //Rossiyskie nanotehnologii. 2013. T. 8. №3–4. S. 28–46.
13. Semenova L.V., Rodina N.D., Nefedov N.I. Vliyanie sherohovatosti sistem lakokrasochnyh pokrytiy na ekspluatatsionnye svoystva samoletov [An effect of roughness of lacquer-and-paint coating systems on service properties of aircraft] //Aviatsionnye materialy i tehnologii. 2013. №2. S. 37–40.
14. Kondrashov E.K., Kuznetsova V.A., Semenova L.V., Lebedeva T.A. Osnovnye napravleniya povysheniya ekspluatatsionnyh, tehnologicheskih i ekologicheskih harakteristik lakokrasochnyh pokrytiy dlya aviatsionnoy tehniki [Main directions for an improvement of operational, processing and environmental characteristics of lacquer-and-paint coatings for aeronautical engineering] //Rossiyskiy himicheskiy zhurnal. 2010. T. LIV. №1. S. 96–102.
15. Solntsev St.S., Rozenenkova V.A., Mironova N.A., Gavrilov S.V. Vysokotemperaturnye tonkoplenochnye pokrytiya dlya uplotnitel'nyh materialov iz metallicheskih volokon [High-temperature thin-film coatings for sealing materials made from metal fibers] //Aviatsionnye materialy i tehnologii. 2012. №1. S. 30–37.
Вы можете оставить комментарий к статье. Для этого необходимо зарегистрироваться на сайте.