ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В АВИАСТРОЕНИИ
В зависимости от способа изготовления все алюминиевые сплавы подразделяются на деформируемые и литейные.
Деформируемые сплавы выпускаются в виде самых разнообразных полуфабрикатов: листов, профилей, панелей, труб, прутков, штамповок, поковок, проволоки и др. Листы могут быть плакированные и неплакиро- ванные. Метод плакирования состоит в том, что на плиту из сплава накладывается со обеих сторон по листу чистого алюминия, после чего плита подвергается горячей прокатке, в процессе которой алюминиевые листы свариваются с сердцевиной. Плакирование производится для повышения коррозионной стойкости. Деформируемые алюминиевые сплавы по коррозионной стойкости могут быть разделены на две группы.
Литейные сплавы обладают различной коррозионной стойкостью. Сплавы АЛ5, АЛ6, АЛ12 и АЛ19 содержат медь, коррозионная стойкость их низкая. Хорошей стойкостью обладают сплавы: АЛ2, АЛ8, АЛ12 и АЛ13. Жаропрочные сплавы ВАЛІ, ВАЛ 19 обладают пониженной коррозионной стойкостью. Коррозионная стойкость литейных алюминиевых сплавов зависит не только от состава, но и от степени пористости. Алюминиевые сплавы в самолето- и вертолетостроении широко применяют для изготовления крыльев, фюзеляжа и оперения (стабилизатор, киль, рули). Для этих целей расходуется примерно 60 . 90 % алюминиевых сплавов из всех сплавов, используемых в авиационных конструкциях. Они также расходуются на изготовление заклепок, колес, шасси, лопастей воздушных винтов, внутренней отделки и в приборах.
Магниевые сплавы. Вследствие малой механической прочности и низкой коррозионной стойкости чистый магний в авиастроении не применяется. В авиационных конструкциях используются главным образом детали из литейных магниевых сплавов. Большим преимуществом их по сравнению с другими сплавами является меньшая масса, плотность их равна 1,76 . . . 2,00 г/см3, что примерно в 4 раза меньше, чем у стали, и в 1,5 раза меньше, чем у алюминиевых сплавов. Из магниевых сплавов отливают корпуса компрессоров и приборов, картеры, крышки картеров, корпуса нагнетателей, картеры масляных насосов, детали авиаколес (тормозные барабаны, колодки, реборды, корпуса тормозов и др.), штурвалы, колонки управления, фермы шасси, кронштейны, каркасы фонарей, окон, люков, сидений и многие другие детали самолетов и авиадвигателей.
Стали. В авиастроении применяются стали различных марок.
К первой группе относятся углеродистые стали: СтЮ, СтЮА, Ст20, Ст20А и т.д. до Ст65А, имеющие низкую коррозионную стойкость; из них изготавливают малонагруженные и средненагруженные детали самолетов
и вертолетов и двигателей (трубопроводы, прокладки, втулки, болты, угольники, кронштейны, качалки, шайбы, заглушки, элементы подмотор- ных рам легких самолетов и др.), К этой же группе относятся малолегированные стали ЗОХГСА и 30ГСН2А; их применяют для изготовления стоек шасси, полок и поясов лонжеронов и центропланов, сварных ферм фюзеляжа и подмоторных рам, стыковых узлов крыльев и др.
Ко второй — высоколегированные стали, имеющие сравнительно высокую коррозионную стойкость; из них изготавливают детали соплового аппарата, коллекторов двигателей, систем коммуникации горячих газов трубокомпрессоров, выхлопных патрубков и др.
Ти т а н и его сплавы обладают весьма ценным комплексом свойств — высокой прочностью и меньшей, чем сталь, плотностью. Титан и его сплавы хорошо обрабатываются всеми известными механическими методами. Они обладают высокой коррозионной стойкостью и не нуждаются в защите от коррозии в атмосферных условиях, речной и морской воде и во многих других агрессивных средах. Высокие физико-механические свойства титана и его сплавов делаютг их незаменимым конструкционным материалом для изготовления некоторых деталей и силовых узлов современной авиационной техники. Особенно широко титановые сплавы применяют в конструкциях авиационных двигателей.
Титан и его сплавы при контакте усиливают коррозию магния, цинка, кадмия, алюминия и их сплавов в морской воде.
Источник
Современные материалы авиационной техники
Электронный научный журнал «ТРУДЫ ВИАМ»
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ
«ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ АВИАЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ»
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Авторизация
Статьи
Обеспечение надежной защиты изделий авиационной техники от внешних воздействующих факторов зависит от выбора лакокрасочных материалов и покрытий на их основе, которые обеспечивают высокую адгезию, физико-механические, защитные и декоративные свойства. Представлены основные направления работы лаборатории «Лакокрасочные материалы и покрытия» ФГУП «ВИАМ», а также свойства лакокрасочных материалов и покрытий на их основе. Представлены ключевые тенденции развития лакокрасочных материалов авиационного назначения и покрытий на их основе.
Введение
Одна из важнейших проблем в области обеспечения ресурса и надежности эксплуатации изделий авиационной техники – создание лакокрасочных материалов и разработка систем покрытий на их основе, обладающих комплексом защитно-декоративных свойств. Кроме того, лакокрасочные покрытия (ЛКП) выполняют ряд других сложных функций, о которых будет сказано далее. Следует отметить, что в изделиях гражданской авиационной техники с началом нового тысячелетия все большее применение находят полимерные композиционные материалы (ПКМ), а также новые металлические сплавы, требующие новых подходов и систем защиты от коррозии.
Во ФГУП «ВИАМ» разработан сборник «Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» [1, 2], в котором на основании мировых и собственных достижений определены тенденции развития лакокрасочных материалов и защитных покрытий. Стратегией предусмотрена разработка составов и технологий изготовления полимерных ЛКП для защиты от коррозии и воздействия окружающей среды металлических и полимерных композиционных материалов, в том числе соединений «металл–углепластик».
Основной задачей при разработке лакокрасочных материалов является защита деталей и узлов конструкций авиационной техники от разрушающего воздействия окружающей среды. Поверхность деталей из металлических сплавов и ПКМ подвергается сложному воздействию многих факторов. Среди них: широкий диапазон температурных перепадов воздушной атмосферы, интенсивная солнечная радиация, повышенная доля ультрафиолета, эрозионный износ, неизбежное воздействие при эксплуатации горюче-смазочных веществ и других агрессивных жидкостей. Кроме того, ЛКП несет декоративные функции, а для изделий военного назначения – функции защиты от специальных факторов и снижения заметности в различных диапазонах длин волн. В настоящее время на изделиях авиационной техники применяются десятки и даже сотни различных функциональных лакокрасочных материалов на полимерной основе с диапазонами рабочих температур от -60 до +600°С [3–6].
Во ФГУП «ВИАМ» ведутся разработки в области защитных лакокрасочных материалов и систем покрытий на их основе для изделий авиационной и специальной техники с момента основания института на протяжении практически девяноста лет. Лаборатория «Лакокрасочные материалы и покрытия» стала одной из первых, созданных во ФГУП «ВИАМ». За годы работы такими выдающимися специалистами, как В.В. Чеботаревский, И.И. Денкер, А.А. Лебедев, М.Я. Шаров, Э.К. Кондрашов, В.А. Кузнецова, В.А. Молотова, М.Г. Офицерова, Н.С. Кожеурова, П.И. Вассерман, Н.Е. Малова, В.Н. Владимирский, Л.В. Семенова, Д.С. Лялюшко и многими другими, разработаны, паспортизованы и внедрены в производство несколько сотен лакокрасочных материалов для защиты изделий авиационной техники, ракетно-космической и специальной техники. Получено более 200 авторских свидетельств и патентов, а разработанные материалы применяются во многих сферах промышленного машиностроения [7].
Использование созданного научно-технического задела по разработке лакокрасочных материалов позволяет сотрудникам ФГУП «ВИАМ» решать задачи, связанные с импортозамещением материалов зарубежного производства, созданию новых поколений ЛКП с применением «зеленых» технологий. Работа лаборатории «Лакокрасочные материалы и покрытия» делится на несколько основных направлений.
1. Разработка лакокрасочных материалов и атмосферостойких покрытий на их основе для защитно-декоративной окраски перспективных изделий авиационной техники на основе фторсодержащих сополимеров. За последние годы создана линейка таких материалов с диапазоном рабочих температур от -60 до +175°С. Данные материалы обладают высокой адгезией к поверхностям из алюминиевых сплавов и ПКМ, высокой твердостью и стойкостью к рабочим жидкостям и действию УФ-излучения, выдержали натурные испытания, в том числе в условиях влажных тропиков и пустыни, и рекомендованы для применения на авиационных изделиях всеклиматического исполнения. Разработанные лакокрасочные материалы и покрытия на их основе превосходят импортные аналоги производства фирм AkzoNobel и PPG по атмосферостойкости, грибостойкости и прочностным характеристикам [8]. Лаборатория занимается развитием данного направления, в частности сотрудниками синтезируются новые фторсодержащие пленкообразующие, противокоррозионные пигменты, разрабатываются составы с улучшенной эрозионной стойкостью, грязеотталкивающими свойствами и др.
2. С целью снижения токсичности лакокрасочных материалов и соблюдения требований экологической безопасности все больше внимания уделяется разработке и применению материалов, не содержащих токсичных пигментов, в том числе хроматов. Во ФГУП «ВИАМ» разработаны бесхроматные грунтовки ВГ-37, ВГ-40 и ВГ-41. Грунтовка ВГ-40 рекомендуется в качестве самостоятельного двухслойного покрытия для защиты внутренней поверхности кессон-баков взамен грунтовки ЭП-0215, отличается повышенной стойкостью к топливу и высокой адгезией. Грунтовки ВГ-37 и ВГ-41 успешно прошли общую квалификацию (паспортизацию) и рекомендованы для защиты алюминиевых сплавов и ПКМ в системах с эпоксидными, акриловыми, полиуретановыми и фторполиуретановыми эмалями, обеспечивают защиту от коррозии, старения и биоповреждения изделий авиационной техники во всеклиматическом исполнении [9, 10].
3. Для защиты от коррозии крепежных соединений (титановых, алюминиевых, стальных), в том числе в воздушных отсеках и топливных кессон-баках, контактных пар комбинированных конструкций, например композиционных материалов на основе углепластика и металлической подложки, разработаны эластичный полимерный антикоррозионный состав ВЗП-1 и паста ВП-1. Состав ВЗП-1 отличается пониженным содержанием токсичных хроматных соединений и при совместном применении с грунтовками ВГ-40 или ВГ-37 обеспечивает надежную эксплуатацию авиационной техники, в том числе в экстремальных условиях климата Латинской Америки и Кубы [11, 12].
4. Для обеспечения эксплуатации изделий в особых условиях во ФГУП «ВИАМ» разрабатываются и производятся лакокрасочные материалы, стойкие к различным эксплуатационным воздействиям, – износостойкие и радиопрозрачные покрытия, покрытия для лопаток вентилятора и вертолетных лопастей. Во ФГУП «ВИАМ» разработаны лакокрасочные материалы и внедрены на изделия авиационной техники износостойкие радиопрозрачные покрытия на основе эмалей КЧ-5230, ФП-566 и ВЭ-71. Для устранения поверхностных дефектов и защиты конструкций из ПКМ радиотехнического назначения от эрозионного воздействия, влаги и внешних воздействующих факторов окружающей среды разработаны эрозионностойкие радиопрозрачные шпатлевки марок ВШ-20, ВШ-22 и ЭП-0065. Для защиты лопастей вертолетной техники и турбовинтовых двигателей из ПКМ разработаны и производятся атмосферостойкие полиуретановые эмали ВЭ-62 и ВЭ-62М, работоспособные в диапазоне температур от -60 до +120°С. Покрытия на основе данных эмалей обеспечивают защиту лопастей в условиях повышенной запыленности. Использование эмалей ВЭ-62 и ВЭ-62М рекомендовано в системе с электропроводящей грунтовкой ЭП-0181 для снижения электризуемости в условиях эксплуатации. Производство грунтовки ЭП-0181 возобновлено во ФГУП «ВИАМ» в 2018 году. Данный материал работоспособен в диапазоне температур от -60 до +250°С, выпускается с улучшенными технологическими характеристиками [13–16].
5. Во ФГУП «ВИАМ» разработаны системы лакокрасочных материалов и покрытий на основе термостойких кремнийорганических лакокрасочных материалов для защиты поверхностей из металлических сплавов и ПКМ – эмали КО-5189, КО-856, КО-818, КО-811, КО-819, а также кремнийорганические шпатлевки КО-0070 и КО-0067. Данные материалы выпускаются по ТУ с использованием исключительно отечественного сырья. Системы ЛКП с применением кремнийорганических лакокрасочных материалов производства ФГУП «ВИАМ» обладают рабочей температурой от -60 до +600°С, высокой влагостойкостью, требуемой радиопрозрачностью и повышенной адгезией к покрываемым поверхностям. На базе данных лакокрасочных материалов разработаны системы покрытий для спасательных средств для применения в Арктике, стойкие к воздействию открытого пламени в течение 10–20 мин [17].
6. Во ФГУП «ВИАМ» разработаны и внедрены в серийные изделия авиационной и специальной техники высокоэффективные фторопластовые лакокрасочные материалы (ВЭ-46, ФП-566, ФП-5105, ФП-5182 и др.) и покрытия на их основе. Фторопластовые покрытия обладают повышенной влагостойкостью, температурой эксплуатации – до +200°С. На базе данных лакокрасочных материалов во ФГУП «ВИАМ» ведутся разработки супергидрофобных покрытий.
7. Как отмечалось ранее, во ФГУП «ВИАМ» разработаны и прошли общую квалификацию камуфлирующие ЛКП на основе фторопластовых и фторполиуретановых эмалей. Данные материалы выдержали натурные испытания, в том числе в условиях влажных тропиков и пустыни, приморской зоны умеренного климата, а также натурные испытания в арктических и субарктических условиях. При изготовлении данных материалов применяются пигменты, разработанные во ФГУП «ВИАМ», придающие ЛКП камуфлирующие свойства в видимом и инфракрасном диапазонах длин волн. Во ФГУП «ВИАМ» ведутся также разработки камуфлирующих пигментов и покрытий с высоким коэффициентом отражения в УФ-спектре для окраски изделий и сооружений, эксплуатирующихся в Арктике.
8. В новом тысячелетии наметилась тенденция к росту потребления экологически безопасных лакокрасочных материалов. Экологичность данных материалов достигается вследствие высокого содержания сухого остатка, т. е. снижения легколетучих органических соединений в их составе, а также за счет более широкого применения водоразбавляемых лакокрасочных материалов (ВЛКМ). Традиционно экологически безопасные ВЛКМ в основном применяются в строительстве и быту, но с развитием мирового химического комплекса, синтезом новых соединений и модификаторов, а также пленкообразующих на их основе, эксплуатационные свойства ЛКП на основе данных материалов стали приближаться к свойствам покрытий на основе органоразбавляемых лакокрасочных материалов. В последнее время ВЛКМ находят все большее применение в качестве индустриальных материалов, а также используются в машино- и автомобилестроении. Развитие ВЛКМ не обошло стороной и авиацию, где к технологическим и эксплуатационным свойствам ЛКП традиционно предъявляются самые жесткие требования. Такие материалы находят все большее применение в качестве интерьерных покрытий при производстве авиационной техники. В настоящее время рынок авиационных ВЛКМ для внутренней отделки авиационной техники практически на 100% представлен материалами фирм АkzоNоbel (Голландия), Mankiewicz (Германия) и Mapaero (Франция). Данные материалы также применяются в отечественном авиапромышленном комплексе наряду с органоразбавляемыми лакокрасочными материалами.
К применяемым при отделке внутреннего набора изделий авиационной техники материалам предъявляется ряд специфических требований, которые распространяются и на лакокрасочные материалы. В первую очередь к ним предъявляются повышенные требования по следующим показателям: защита металла от коррозии, стойкость к воздействию влаги и агрессивных жидкостей, защита материала подложки от механических воздействий. Во-вторых, применяемые лакокрасочные материалы должны соответствовать жестким требованиям по пожарной безопасности (АП-25) – не поддерживать горение, выдерживать воздействие открытого пламени в определенный промежуток времени, не выделять токсичные вещества как при нормальной эксплуатации, так и в процессе горения. В-третьих, лакокрасочные материалы для внутренней отделки салона авиационной техники и кабины пилотов должны нести декоративные функции, не терять цвет и не изменять блеск в течение нескольких лет, иметь низкое грязеудержание и водоотталкивающие свойства. Для кабины пилотов предъявляются особые требования к цветам ЛКП и их сочетаниям, призванным обеспечить высокий уровень зрительной работоспособности пилота при различном уровне освещенности. Это все эксплуатационные свойства, но не следует забывать и о чисто технологических, от которых зависит: насколько ровным и бездефектным получится готовое покрытие, сколько потребуется дорогостоящих лакокрасочных материалов, какова будет толщина и соответственно итоговая масса ЛКП, насколько вреден применяемый материал для человека и окружающей среды при применении.
В настоящее время лаборатория «Лакокрасочные материалы и покрытия» ФГУП «ВИАМ» полностью переоснащена современным оборудованием для производства лакокрасочных материалов, контроля качества покрытий на их основе, для испытаний на стойкость к воздействиям внешней среды, а также для наукоемких исследований. В арсенале лаборатории – оборудование для получения нанодисперсных лакокрасочных материалов, исследования кислородопроницаемости и влагопроницаемости пленок, исследования дисперсий полуфабрикатов эмалей и определения влияния степени дисперсности на конечные свойства ЛКП. Оборудование для ускоренных климатических испытаний и типовых испытаний на соответствие ГОСТ и ASTM позволяет прогнозировать эксплуатационные свойства ЛКП в различных климатических зонах. Научный и производственный потенциал, партнерство с ведущими конструкторскими бюро и производителями специальных лакокрасочных материалов позволяют специалистам ФГУП «ВИАМ» ставить перед собой задачи по созданию высокоэффективных атмосферостойких, термо-, износо-, эрозионностойких полимерных лакокрасочных материалов, обеспечивающих повышение стойкости покрытий к внешним воздействующим факторам, защиту от коррозии и декоративной окраски изделий во всеклиматических условиях эксплуатации.
Заключения
Основные тенденции развития лакокрасочных материалов и покрытий на их основе, используемых в авиастроении, включают экологическую привлекательность, эффективное функционирование и эстетичность. Перед разработчиками ЛКП во ФГУП «ВИАМ» в ближайшей перспективе стоят следующие задачи:
– разработка частично смываемых систем покрытий и экологически безопасных ВЛКМ на основе новых пленкообразующих полимеров для окраски металлов и ПКМ, обеспечивающих защитные свойства и стойкость покрытий к агрессивным средам (топливам и маслам), к циклическим перепадам температур, влажности и воздействию ультрафиолета;
– создание ультрагидрофобных покрытий для снижения лобового сопротивления воздушного судна и противообледенительных покрытий; расширение ассортимента лакокрасочных материалов и импортозамещение применяемых в настоящее время материалов зарубежных производителей – фирм PPG, AkzoNobel, Henkel, Sherwin-Williams, DuPont Mankiewicz, Mapaero и др.;
– разработка покрытий со специальными свойствами, в том числе с регулируемым временем высыхания, функцией самозалечивания, с низким содержанием летучих органических соединений;
– разработка УФ-отверждаемых и смарт-покрытий, снижающих лобовое сопротивление авиационной техники.
Разработка экологически безопасных ВЛКМ является одним из приоритетных направлений развития мировой лакокрасочной промышленности. В авиастроении данный вид материалов применяется ограниченно в виду того, что еще недавно ВЛКМ уступали по своим технологическим и эксплуатационным свойствам органоразбавляемым аналогам. В настоящее время это отставание преодолено – современные водоразбавляемые пленкообразующие и композиции на их основе позволяют получать ЛКП с высокими эксплуатационными характеристиками, удовлетворяющими потребности самолетостроения. Развитие ВЛКМ обусловлено не только экологическими причинами или законодательством по ограничению содержания летучих органических соединений, но также существенными экономическими причинами – снижение затрат на обеспечение техники безопасности при изготовлении лакокрасочных материалов и проведении окрасочных работ, на утилизацию отходов, компенсационные выплаты сотрудникам предприятий, изготавливающих или применяющих лакокрасочные материалы.
Источник