Авиакосмической промышленности

Титановые сплавы. Сплавы титана с алюминием и медью и другими присадками (ВТЗ-1, ВТ5, ВТ9, ВТ16, ВТ22 и др.) имеют после термообработки высокую прочность (ав = 900 4-1300 МПа) и малую плотность (р = 4,5 г/см3), высокую коррозионную стойкость. Их используют для изготовления корпусов, трубопроводов, крепежных деталей, заклепок и других деталей изделий авиационно-космической техники, судостроения, химической и пищевой промышленности.

Легкие сплавы — сплавы на основе алюминия, магния, титана и других элементов. Имеют плотность почти в 3 раза меньшую, чем стали, а удельная прочность * примерно равна удельной прочности стали. Применяют во всех отраслях машиностроения, где особенно необходимо снижение массы (например, для корпусных и других деталей транспортных машин, авиационно-космической техники и т. п.).

Совершенно иные критерии существуют для грузовых автомобилей. Внешний вид здесь не доминирует; гораздо более важным является возврат капиталовложений. Скорость возврата зависит от затрат на приобретение автомобиля, его эксплуатационных расходов, долговечности, полезной нагрузки, времени простоя и затрат на ремонт. По совокупности этих факторов пластик, упрочненный стекловолокном, наиболее выгодный материал. Вполне вероятно, что потребители будут отдавать предпочтение упрочненным пластикам, исходя из опыта его эксплуатации в других изделиях. Например, стеклопластик хорошо зарекомендовал себя в катерах и яхтах, рыболовных удилищах. Кроме этого, широкое использование композиционные материалы нашли в авиационно-космической технике. В связи с этим можно ожидать, что по мере установления стандартов на материал, накопления опыта его

Вследствие определяющего влияния затрат на оборудование при производстве мелкосерийных грузовиков большинство деталей кабины, выполненных из металла, изготовляются на простом оборудовании, поэтому большинство деталей имеют плоские либо несложной кривизны поверхности и прямые линии. Умеренная стоимость оборудования для производства деталей из упрочненных пластиков позволяет рассматривать материал как вполне пригодный для изготовления необходимых в ряде случаев более сложных деталей кабин, таких, как цилиндрические панели, панели фар крылья, козырьки крыши. Для крепления их с металлом обычно используют соединения либо клеевые, либо с помощью металлических заклепок. Такого рода соединения хорошо зарекомендовали себя в изделиях авиационно-космической техники.

Своим возникновением и развитием легкие композиционные материалы обязаны требованиям и во многом поддержке со стороны авиационно-космической промышленности. В настоящее время к важнейшим из них относятся материалы, получаемые путем сочетания армирующих волокон, освоенных в промышленном производстве и выпускаемых с гарантированными в определенных пределах показателями свойств, с различными матрицами. Такие материалы представлены в табл. 1 в сравнении с алюминием и титаном и обсуждаются в последующих разделах.

Борные волокна позволили получить первый истинно композиционный материал для авиационно-космической техники. Преимущества борных волокон состоят не только в том, что они обладают высокими показателями удельных механических свойств, но и в том, что их использование возможно в сочетании как со связующими, ранее разработанными для стеклопластиков, так и с алюминием. Поскольку авиационные конструкции обычно проектируются с учетом требований как по жесткости, так и по прочности, композиционные материалы на основе борных волокон эффективнее использовать в тех агрегатах, в которых малые деформации должны сочетаться с высокой прочностью. Борное волокно пока еще относительно дорогой материал, хотя его стоимость не столь велика, как указывается в некоторых источниках. Пауэре [16], например, считает, что цена борного волокна до некоторой степени зависит от уровня цен и технологии получения других волокон. Относительно высокий спрос и усовершенствование процессов изготовления могли бы обеспечить снижение цены на борное волокно до 110 доллар/кг.

Многие перспективные авиационно-космические материалы не применимы для средств наземного транспорта. Целесообразнее использовать в железнодорожной индустрии элементы авиационно-космической технологии, методы конструирования и анализа, применительно к слоистым панелям, модульным конструкциям, соединительным узлам и т. д. Некоторые материалы и методы, предложенные в последующих разделах для конструкций будущих мало- и многоместных железнодорожных транспортных средств, успешно применялись за последние 25 лет в авиационных и судовых конструкциях, но в большинстве случаев не применялись в наземном транспорте.

Целесообразность использования композиционных материалов и конструкций выявилась впервые в авиационно-космической и электронной отраслях. Усложнившиеся в последнее время требования к конструкциям приводят к необходимости использования множества различных материалов. Сравнительно простые конструкции из таких комплексных материалов, например универсальные контейнеры для воздушного, наземного и морского транспорта, описанные в гл. 6, уже применяются и удовлетворяют требованиям как по прочности, так и массе, с учетом различных условий окружающей среды.

Стекловолокна, однако, не единственный вид волокон, используемых в настоящее время. Асбест, естественное неорганическое волокно, также обладает хорошими прочностью, модулем упругости и другими свойствами. Стальная проволока, вытянутая до малого диаметра и соответствующим образом термообработанная, может иметь прочность около 420 кгс/мм2 и модуль упругости в 3 раза более высокий, чем у стекловолокон. Более экзотические виды волокон интенсивно разрабатываются в настоящее время для авиационно-космической техники, к ним относятся волокна из углерода и графита, бора, бериллия и некоторых карбидов, однако они пока слишком дороги для строительной промышленности. Еще более экзотическими волокнами являются нитевидные кристаллы, прочность которых приближается к теоретической. Некоторые виды волокон и нитевидных кристаллов представлены в табл. 1 [2].

Для армирования наиболее широко используют термореактивные полимеры (например, полиэфиры, смолы на основе сложных виниловых эфиров, эпоксидные, фурановые), а в качестве армирующего наполнителя — стекловолокно из стекла Е, С, R, S. Используют также асбестовые волокна. Это не значит, однако, что другие волокна не находят применения в качестве армирующих, например такие, как борные, керамические, углеродные, джутовые волокна, металлическая проволока или листы, полиакриловые, полипропиленовые, кварцевые волокна, нитевидные кристаллы сапфира. Многие из перечисленных материалов, например нитрид бора, углеродные, кварцевые волокна и нитевидные кристаллы сапфира использовались в основном в авиационно-космической технике и, несмотря на их привлекательность, имеют ограниченное применение в осуществлении программы по предотвращению коррозии в химической промышленности вследствие их высокой стоимости. Углеродные или графитовые волокна являются армирующим наполнителем, обладающим наибольшей потенциальной возможностью снижения стоимости.

В данном обзоре рассмотрены многие экспериментальные факторы, которые оказывают влияние на чувствительность к коррозионному растрескиванию титановых сплавов. Хотя общая основа была установлена, очевидно, что требуется дальнейший экспериментальный и особенно теоретический анализ. Таким образом, представленный обзор следует рассматривать как прогресс в этом направлении; несомненно, что некоторые дискуссионные практические и теоретические факторы в будущем будут преданы забвению. Необходимо подчеркнуть, что многие проблемы КР для специфических пар сплав/среда были решены вскоре после их открытия. Это не означает, однако, что такие проблемы не возникнут в будущем, но можно надеяться, что этот обзор будет полезен при распознании таких проблем. Субкритический рост трещин может происходить по механизму иному, чем при КР. Наиболее важным является рост усталостных трещин. В последние годы много внимания уделялось рассмотрению аналогии между коррозионным растрескиванием и коррозионной усталостью; имеются указания и на взаимосвязанность этих процессов. При применении титановых сплавов в авиационно-космической технике и при подвод-

Предъявление требования к определенным параметрам, вообще говоря, вызывает необходимость в значительно большей координации, чем в случае предъявления требования общего характера или требования, сформулированного в виде общей цели проекта. Работа авиакосмической промышленности в настоящее время направляется прежде всего требованиями к надежности, зафиксированными в соответствующих документах, которые являются обязательными для правительственных организаций. В связи с тем что организации обычно не располагают собственными возможностями для проектирования и изготовления изделия, основные требования к надежности в форме правительственных технических условий составляют часть контракта, заключаемого между правительственными организациями и генеральным подрядчиком.

В ряде фирм авиакосмической промышленности используется документ, известный под названием основного соглашения. Этот документ отражает достигнутое соглашение относительно определения и интерпретации факторов, которые учитываются при деловых взаимоотношениях. Основное преимущество, которого при этом добиваются, заключается в устранении возможности различных толкований технических и юридических аспектов контракта благодаря взаимному соглашению, основанному на рассмотрении таких факторов, как тип выпускаемого изделия, современный уровень развития техники, производственные процессы, гарантийная политика, права собственности на техническую информацию и т. д. В основное соглашение вместе с другими факторами должны быть включены согласованные решения относительно пяти перечисленных выше документов.

3.6. Диаметры плоскодонных отверстий в мм для поковок в авиакосмической промышленности США, контролируемых прямым преобразователем

3.7. Диаметры плоскодонных отверстий в мм для поковок в авиакосмической промышленности США, контролируемых наклонным преобразователем

Сотовые панели и некоторые другие конструкции с периодической структурой внутреннего элемента (например, выполненной в виде гофра) широко применяют в авиакосмической промышленности. Сотовые панели очень разнообразны. Их обшивки делают из ПКМ, алюминиевых спла-

В авиакосмической промышленности используют адаптивные ПКМ (adaptive CFRP-structures). В этих материалах между слоями ПКМ (обычно углепластика) располагают тонкие пластины из пьезо-электрика, металлизированные обкладки которых проводящими углеродными нитями соединяют с контрольной аппаратурой. Получаемые с пьезоэлементов сигналы позволяют судить о механических деформациях, изменении формы, вибрациях и прочих воздействиях в процессе эксплуатации конструкций. Типовые размеры пьезопластин из ЦТС - 30 х 50 х 0,2 мм. Толщины листов из адаптивных ПКМ -1 ... 3 мм. Наличие пьезоэлементов, волновые сопротивления которых отличаются от таковых для ПКМ, усугубляет и без того неоднородную структуру материала, усложняя контроль. Типичные дефекты адаптивных ПКМ - разрушения пьезоэлементов, пористость, расслоения, наруше-

Пользовательские интерфейсы таких программ используют концепцию и инструменты компьютерного проектирования (CAD-Computer-Aided Design), с помощью которых возможно моделирование двух- и трехмерных проблем. Компоненты анализируемых геометрий можно передавать из одной программы в другую, используя стандартные CAD средства. Такие программы могут автоматически обмениваться данными или быть встроенными в многоцелевые средства проектирования CAD и моделирования САМ (Computer-Aided Modeling), которые применяют, например, в авиакосмической промышленности. Это позволяет существенно сократить время подготовки и предварительной обработки данных, поскольку разработанные модели могут впоследствии использоваться различными программами.

В авиакосмической промышленности синтез данных был применен для трех взаимодополняющих методов НК: УЗ, радиографического и ширографического [76]. Поскольку эти методы различны по реализуемым физическим принципам, расшифровка изображений должна осуществляться обученными операторами, которые способны идентифицировать отмеченные аномалии либо как дефекты, либо как артефакты. При последовательном применении данных методов временные и

Искажение изображений может происходить в процессе испытаний как вследствие геометрии контроля, так и в силу факторов электронного происхождения. Кроме того, из-за значительной площади объектов НК в авиакосмической промышленности, контроль выполняют от зоны к зоне с последующим составлением мозаичных изображений, что также требует использования специфических компьютерных программ. В работе [76] приводятся УЗ (единичное), радиографическое (3 подобласти) и ширографическое (32 подобласти) изображение сотовой панели самолета. В УЗ-изображении хорошо наблюдаются участки различной толщины, слабо проявляются отслоения внешней обшивки от сот, но не видна ячеистая структура сот. Радиографическое изображение обладает высоким пространственным разрешением, отчетливо показывает структуру сот, но практически нечувствительно к расслоениям. Ширографическое изображение отчетливо обнаруживает

В практических установках, например, фирмы Thermal Wave Imaging (США), используемых в авиакосмической промышленности, чаще всего применяют ксеноновые импульсные лампы. Такие лампы используют для накачки лазеров, а также в качестве ламп-вспышек в павильонной фотосъемке. Коммерческие фотографические системы, как правило, включают две лампы с энергией 3 кДж каждая и один блок питания; длительность вспышки составляет приблизительно 5 мс. Такие системы производятся фирмами Balcar, Calumet, Bowens и др. Спектр излучения ксеноновых ламп равномерный в интервале от 0,2 до 1,4 мкм с выбросами на некоторых длинах волн. Применение импульсных ламп часто требует введения дополнительных устройств фокусировки. В специализированных системах ТК используют несколько трубчатых ламп с энергией 2 ... 5 кДж каждая.

В авиакосмической промышленности широко используют композиционные материалы, такие как стекло- и углепластик, а также углерод-углеродные композиты, которые, в свою очередь, могут выступать в качестве обшивок сэндвичевых или сотовых структур, усиленных металлическими или неметаллическими сотами, пластическими пенообразными материалами, бальзой и т.п. Некоторые структуры могут иметь слои из резины, пробки и абляционных материалов. Получили распространение также полностью металлические соты, в которых обшивка соединена с ячейками с помощью клея или сварки с припоем. В самолетах применяют силовые элементы (стрингеры), соединенные с металлической обшивкой с помощью клея и заклепок.

Рекомендуется использовать в концентрации 11,25 г/л воды. Магнитный порошок № 800 для контроля изделий авиакосмической промышленности и на железнодорожном транспорте. Желто-зеленый в ультрафиолетовом свете для работы в концентрации 1,25 г/л легкого масла.