Общие сведения и состояние рынка
Композиционными называют материалы, в состав которых входят сильно отличающиеся по своим свойствам нерастворимые или малорастворимые один в другом компоненты, разделенные ярко выраженной границей [1]. При создании КМ, как правило, используют синергетический эффект: функциональные свойства КМ выше, чем свойства отдельных компонентов.
КМ структурно состоят из матрицы и армирующих компонентов. Матрица является формообразующим элементом конструкции из КМ и в значительной степени определяет, как технологию изготовления, так и эксплуатационные свойства КМ.
Классификация композиционных материалов (КМ):
1. Одноматричные и полиматричные, моноармированные и полиармированные КМ.
2. По характеру матрицы композиты обычно разделяют на четыре группы: с полимерной матрицей (КПМ); с керамической матрицей (ККМ); с металлической матрицей (КММ); с углеродной матрицей (КУМ).
3. По форме наполнителя разделяют КМ дисперсионно-упрочненные, волокнистые и слоистые (с нульмерными, одномерными и двумерными армирующими компонентами).
4. По схеме армирования выделяют КМ с одноосным, двуосным и трехосным армированием.
5. По назначению в конструкции изделия:
— конструкционные композиты;
— функциональные композиционные покрытия.
6. По функциональному назначению:
— износостойкие;
— жаропрочные;
— жаростойкие;
— с высокой удельной прочностью;
— коррозионностойкие, радиационностойкие, эрозионностойкие;
— стойкие к термическому удару и термоциклическим нагрузкам;
— КМ со специальными свойствами.
Доля использования КМ с матрицами различного типа иллюстрируется структурой мирового рынка КМ (рис. 1). Суммарный объем рынка композиционных материалов оценивают в 60 млд. долл. (2009 г.).
Рис. 1. Глобальный рынок композиционных материалов.
Начиная с 1965 года массовая доля применения композиционных материалов в коммерческом авиастроении быстро возрастала и к 2010 году достигла уровня 50%. Боинг 787 — первый полноразмерный коммерческий самолет с крыльями и фюзеляжем из КМ.
Каждая машина включает 35 тонн полимеруглеродных материалов (23 т углеродного волокна). Композиты использованы для изготовления фюзеляжа, крыльев, хвостовой части и интерьера (рис. 2).
Рис. 2. Материалы, используемые в конструкции планера самолета Б787.
Композиционные материалы с полимерной матрицей
Эти КМ нашли наибольшее применение в производстве аэрокосмической техники. В зависимости от комбинации связующего и наполнителя с учетом формы и габаритов изделия применяют различные методы формообразования (табл. 1). Перечень используемых методов изготовления КМ представлен в табл. 2.
Применяют различные схемы армирования КМ (рис. 3) в зависимости от характера эксплуатации изделия и схемы его нагружения. Для реализации таких схем в конструкциях изделий используют специальное намоточное и выкладочное оборудование. Перспективным направлением формообразования изделий из материалов данного класса является предварительная намотка волоконноармированной заготовки простой формы, предварительная подсушка, пластическое деформирование с получением заданной формы и окончательное затвердевание связующего с фиксацией полученной формы. Некоторые отечественные станки для намоточных операций рассмотрены ниже.
В качестве армирующего элемента в изделиях аэрокосмической техники часто используют углеродное волокно. В 2012 г. в РФ ввезено 52,6 т. углеродного волокна, 32 т. тканей сеток и лент. Импорт этой продукции растет. Экспорт УВ из РФ составляет примерно 3% от импорта. Крупнейшие потребители: строительство (29%), космос и авиация (27%).
Композиционные материалы с керамической матрицей
В промышленности применяют монолитные и композиционные керамики. Недостатком МК является хрупкость. Добавление дискретной вторичной фазы в виде частиц, пластин, сеченого волокна или непрерывных волокон может усилить керамический материал. Функция вторичной фазы — повышение вязкости, сопротивления термическому удару и придание керамическому материалу других свойств, таких, как износостойкость, коррозионная стойкость, твердость, температурная стойкость.
ККМ состоит из керамической матрицы и вторичной фазы из неороганических или органических материалов. Матрица — из оксидной (AL2O3, ZrO2, SiO2, стеклокерамика), нитридной (Si3N4, TiN, AlN, BN) карбидной (SiC, TiC, B4C, ZrC) или боридной (TiB2) керамики. Вторичная фаза присутствует в виде:
— керамики,
— углерода,
— металла (такие композиты называют керметами),
— органики (протеины).
ККМ обозначают обычно в виде разделенного косой чертой обозначения наполнителя и матрицы, например, C/SiC — углерод/карбидная матрица.
В 1999 г. мировой объем продаж изделий из ККМ составлял 212 млн. долл., в 2008 г. — 773,5 млн. долл. Планируемый объем рынка ККМ в 2015 г. составляет 1295 млн. долл. со среднегодовым приростом 8% за последние 5 лет. В аэрокосмической отрасли в 2015 г. объем рынка ККМ составит 212,8 млн. долл. со среднегодовым приростом 6% за последние 5 лет.
В аэрокосмической и оборонной технике ККМ используются для термозащиты и как износостойкие материалы. Недавно эти материалы стали применять для изготовления стволов огнестрельного оружия. Основные применения:
— термозащита систем и компонентов двигателя самолетов и космических аппаратов;
— створки;
— носовые обтекатели и уплотнения военных самолетов;
— клапаны;
— стабилизатор пламени;
— сопловые элементы ГТД
— двигатели управления положением;
— рабочие колеса ТНА, блиски;
— камеры сгорания малогабаритных газогенераторов;
— сверхзвуковые кромки;
— элементы обтекателей;
— компоненты ракетных двигателей, сопла, форсунки;
— броневые пластинки;
— подложка зеркала космического телескопа.
Выделяют ККМ с нерегулярной и регулярной (волоконно-керамические) структурой. В последние годы появились новые виды композиционных материалов:
— ламинированные композиты;
— наноструктуированные керамические композиты;
— функционально ориентированные ККМ;
— наноструктуированные композитные покрытия;
— металлоупрочненные ККМ;
— ККМ, упрочненные нанотрубками и нановолокнами;
— сверхпластичные ККМ.
В ККМ с нерегулярной структурой используют металлические (NB, Cr) упрочняющие частицы и пластины. Под пластинами понимают керамические структуры диаметром 10…100 мкм и толщиной 1…10 мкм.
Рис. 4. Элементы авиакосмической техники, изготовленные из КПМ и КУМ.
ККМ с регулярной структурой содержат длинные волокна или нити, ориентированные в различных направлениях и формирующие двух- или трехразмерную архитектуру. Они проявляют более высокие механические и термические свойства, чем ККМ с нерегулярной структурой и характеризуются следующим:
— отличные механические свойства при высоких температурах;
— высокая удельная прочность и жесткость;
— хорошая размерная стабильность;
— низкие значения коэффициента теплового удлинения;
— хорошее сопротивление тепловому удару;
— хорошее сопротивление окислению.
Однако такие материалы дороже из-за более сложной технологии изготовления и очень низкой обрабатываемостью резанием. Они практически используются для изготовления износостойких и теплостойких изделий, таких как детали турбин.
Технология обработки композиционных материалов
Технологию изготовления изделий из КМ можно разделить на два этапа — предварительное формообразование заготовки и окончательная обработка конструктивных элементов, которые невозможно или нецелесообразно получить на первом этапе. Проблема обработки таких элементов осложняется тем, что физико-химические свойства и обрабатываемость компонентов КМ различными методами и способами сильно отличаются [1].
Методика разработки технологии обработки КМ основывается на анализе требований чертежа и технических условий на изготовление, анализе физико-химических свойств составляющих компонентов, определении множества возможных технологических решений и оптимизационной процедуре выбора наилучшего в данных условиях варианта технологии.
Развитие отечественной ракетно-космической техники идет по пути увеличения общих габаритов изделий, ужесточения требований по массовым характеристикам и все более широкого применения в конструкциях изделий композитов с полимерной и углеродной матрицами.
Использование для таких изделий универсального станочного оборудования, как правило, не представляется возможным, и требуется разработка специальных средств технологического оснащения с повышенными требованиями по надежности и точности.
Важным направлением развития отечественного специального станкостроения является создание намоточных и намоточно-выкладочных станков. ФГУП "НПО Техномаш" начало создавать оборудование для получения деталей из полимерных композиционных материалов методом намотки в 1960 году. Можно проследить тенденцию развития данной группы оборудования.
Станки для намотки КПМ на оправку сложной формы с любым заданным рисунком укладки можно было создать только с применением ЧПУ. Они отличались разнообразием габаритов и масс изготавливаемых изделий, их формой, применением армирующих материалов на основе различных волокон, способами намотки („сухой”, „мокрый”), возможностью выкладки изделий, величиной натяжения армирующего материала при намотке, производительностью, типом следящих приводов, типом систем ЧПУ, количеством контролируемых и регулируемых параметров намотки и др. За период с 1963 по 1986 годы было спроектировано и изготовлено около 70 специальных многокоординатных станков с ЧПУ типа СНП и КУ для «сухой» и «мокрой» намотки изделий из ПКМ (корпуса, сопловые раструбы, емкости высокого давления, обтекатели, длинномерные трубы, криогенные патрубки и др.). Некоторые из них до сих пор эксплуатируются на предприятиях (рис. 5).
Рис. 5. Специальный намоточный станок модели КУ 463 Ф3 для изготовления крупногабаритных изделий из КПМ типа кокон диаметром до 2500 мм.
В 2010–2013 гг. были изготовлены опытные образцы специальных намоточных станков нового поколения
(таб. 3), предназначенные для изготовления:
• СНП 21 — длинномерных элементов антенных систем КА диаметром 50–150 мм и длиной до 3200 мм;
• СНП 25 — крупногабаритных корпусов, сопловых раструбов, емкостей высокого давления, силовых многослойных оболочек головных обтекателей, хвостовых отсеков, силовых оболочек диаметром до 3000 мм и длиной до 11000 мм;
• СНП 33 — криволинейных пространственных трубных элементов конструкций изделий РКТ, в том числе труб нецилиндрической формы и переменного сечения («горловины», «переходы», патрубки топливных криогенных магистралей);
• СНП 32 — изделий сложных геометрических форм диаметром до 1000 мм и длиной до 4000 мм из ПКМ, в том числе из новых типов композиционных материалов;
• СНП 34 (рис. 6) — топливных криогенных патрубков различной конфигурации.
Рис. 6. Опытный образец станка модели СНП 34 для намотки криогенных трубопроводов.
СНП 36 используют для изготовления раструбов ракетных двигателей из углеродных материалов с диаметром до 2500 мм; СНП 35 для изготовления из полимерных композиционных материалов элементов крупногабаритных трансформируемых механических систем космических аппаратов типа «спица» (рис. 7).
Рис. 7. Специальный намоточный станок модели СНП 35.
Все разработанные ФГУП «НПО «Техномаш» намоточные станки оснащены системами автоматического контроля и регулирования основных технологических параметров ККМ и процесса намотки: содержания связующего в «мокрой» ленте, температуры связующего в пропиточной ванне, натяжения армирующих материалов при намотке и др. В настоящее время производится разработка и изготовление выкладочных головок для автоматизированного комплекса с ЧПУ.
Рассмотренное выше оборудование предназначено для создания методами намотки или выкладки пространственно сложных форм элементов космической техники. Однако, в ряде случаев необходима дополнительная обработка полученных заготовок для получения окон, отверстий, сборочных баз и иных элементов, которые нецелесообразно или невозможно изготовить намоткой.
Для этих целей спроектирован и изготовлен пятиосевой обрабатывающий центр с ЧПУ модели ОЦП 3000, предназначенный для механической обработки крупногабаритных изделий из ПКМ, характерных для отрасли (фермы, переходные узлы, стыковочные узлы, элементы головных частей, адаптеры, антенные решетки, раструбы, сопла и др.)
В НПО «Техномаш» также разрабатывается концепция применения технологий обработки КМ на основе физико-химических и комбинированных методов обработки.
С этой целью разработаны следующие технологии:
— ультразвуковая резка, прошивка, фрезерование хрупких КМ;
— лазерная резка, перфорация, зачистка заусенцев и сколов;
— электроэрозионная и электроэрозионно-ультразвуковая обработка изделий из керамик;
— получение пространственно сложных ажурных форм методом плазменной металлургии;
— изготовление пространственносложных форм из С/SiC — материалов с пиронасыщением углеродом и последующей пропиткой жидким кремнием;
— технологии вакуумного нанесения различных функциональных покрытий на изделия из КМ.
На рис. 8 показан многокоординатный станок для комбинированной алмазноультразвуковой обработки композиционных материалов. В пятикоординатной компоновке станок способен обеспечить проведение операции обработки сложно контурной поверхности алмазным или специальным лезвийным инструментом.
Рис. 8. Многокоординатный станок с ЧПУ для комбинированной алмазноультразвуковой обработки композиционных изделий.
Рис. 9. Комбинированная алмазно-ультразвуковая обработка изделия из композиционных материалов.
На рис. 9 показаны элементы деталей из различных материалов, обработанные на данном станке. Как видно, возможности станка позволяют изготавливать различные элементы изделий из КМ, в том числе ККМ с одного установа заготовки.
Д. В. Панов, А. Н. Коротков, Б. П. Саушкин
ФГУП "НПО "Техномаш"
e-mail: spb47@mail.ru
<"