Технологии

Казеиновый клей
               Первыми широко применяемыми клеевыми технологиями в авиасторении являлись технологии склеивания сосны и альбуминовой фанеры с применением казеинового клея. Такие конструкции под действием влаги снижали прочность и начинали гнить после пребывания под открытым небом в течение 5-6 мес. Плохая атмосферостойкость деревянных клееных конструкций была полностью устранена благодаря разработанным в ВИАМе и внедренным в промышленность древесным и клеящим материалам. Создание дельта-древесины и клеев ВИАМ Б-3 и ВИАМ Ф-9 положило начало применению в отрасли синтетических клеев и технологических процессов склеивания. Эти клеи и технологические процессы нашли широкое применение при изготовлении самолетов деревянной и смешанной конструкций.
               Однако долговечность деревянных клееных конструкций не отвечала требованиям авиации по ресурсу эксплуатации, что и определило полный переход от деревянного и смешанного самолетостроения к металлическому и к созданию клеящих материалов с более высоким уровнем свойств.

Фенольно-каучуковые клеи
               Первыми конструкционными клеями, предназначенными для склеивания металлов, были фенольно-каучуковые. Сочетание в одном клее фенолоформальдегидной смолы и каучука позволило использовать положительные свойства, как первого, так и второго компонента: клей сохранял прочность и достаточную теплостойкость феноло-формальдегидной смолы и приобретал эластические характеристики, свойственные каучукам, благодаря чему мог работать при воздействии отслаивающих и ударных нагрузок.
               Фенольно-каучуковые клеи с различными физико-механическими и технологическими свойствами являются одними из наиболее широко применяемых конструкционных клеев, отвечающих основным показателям технических требований к клеевым соединениям современной авиационной техники. Отличительной особенностью этого класса клеев является высокая эластичность в сочетании с высокой прочностью.
               Создание фенольно-каучуковых клеев положило начало применению новых технологических процессов в авиастроении. Прежде всего, следует отметить слоистые клееные конструкции. Они представляют собой тонкие листы металла, соединенные вместе с помощью клеев. Применение слоистых конструкций позволяет значительно повысить усталостную прочность и долговечность, обеспечивает минимальную концентрацию напряжений. Такие конструкции проявляют высокую устойчивость к усталостному разрушению от акустических нагрузок, трещины в них распространяются значительно медленнее, чем в монолитных цельнометаллических конструкциях. Это объясняется тем, что если трещина возникла в монолитной конструкции, она разрушает обшивку по всей ее толщине. При наличии эластичной клеевой прослойки трещина, возникшая в одном металлическом листе слоистой конструкции, гасится этой прослойкой и не распространяется в следующие листы. Весьма эффективно применение склеивания взамен химического фрезерования при изготовлении деталей переменной толщины. Расход металла при этом снижается на 15-20%, производительность труда повышается в 1,5-2 раза, отпадает необходимость в создании ванн и очистных сооружений, уменьшается загрязненность окружающей среды, снижается расход электроэнергии при проведении процесса. Слоистые детали, выполненные способом склеивания, имеют минимальные напряжения в местах переменной толщины. Первоначально для изготовления слоистых конструкций применяли клей ВК-40. Наиболее перспективными для слоистых конструкций из клеев последних разработок являются ВК-51А и ВК-36.
               Создание фенольно-каучуковых клеев положило начало применению в авиастроении клееных трехслойных сотовых конструкций. Эти конструкции состоят из плоских алюминиевых обшивок, между которыми вклеивается сотовый заполнитель, обеспечивающий совместную работу обшивок и необходимую жесткость конструкции.
               Основной технологической операцией при изготовлении сотовых конструкций является вклеивание сотового заполнителя между обшивками. Слой клея, расположенный между обшивками и сотовым заполнителем, одновременно выполняет функции соединительного и демпфирующего элемента, а также защищает обшивки от коррозии. Сотовый заполнитель воспринимает напряжения, возникающие при местном изгибе обшивок, и обеспечивает совместную работу несущих слоев, как при изгибе, так и при воздействии нормальных и касательных напряжений.
               Сотовые заполнители обеспечивают необходимую жесткость металлических панелей при изгибающих нагрузках и устойчивость при сжатии. Применение сот дает экономию в весе, которая в некоторых деталях достигает 15-20%. Срок службы этих конструкций при усталостных нагрузках значительно больше, чем у обычных конструкций. Сотовые конструкции, благодаря отсутствию шпангоутов и нервюр, проще и экономичнее при массовом производстве.
               Общая устойчивость сотовых конструкций во много раз превышает устойчивость входящих в них листов. Повышенная устойчивость сотовых конструкций при сжатии и сдвиге позволяет конструировать их без подкрепляющего продольного набора стрингеров даже при увеличенном расстоянии между нервюрами или шпангоутами, а слоистые агрегаты типа рулей, закрылков и элеронов вообще не нуждаются в промежуточных нервюрах. Панели с сотовым заполнителем, обладая высокой устойчивостью, позволяют применять несущие обшивки малой толщины (0,3—0,6 мм), что очень важно для снижения массы конструкции.
               Использование сотовых конструкций при изготовлении лопастей несущего винта вертолетов наряду с усовершенствованием конструкций позволило продлить срок их службы с 200 до 2000 ч, увеличить надежность и аэродинамические характеристики при одновременном снижении трудоемкости изготовления в 1,5 - 2 раза.
               Несмотря на целый ряд положительных свойств, фенольно-каучуковые клеи имеют и недостатки, к которым относятся высокие температуры отверждения (150 - 200°С) и давление при склеивании (до 1 МПа). Это препятствует их применению для склеивания естественно состаренных алюминиевых сплавов, имеющих существенное преимущество перед искусственно состаренными сплавами в части усталостной прочности и коррозионной стойкости. Эти клеи также не могут быть использованы при изготовлении конструкций из полимерных композиционных материалов, так как имеет место коробление таких конструкций и разрушение склеиваемых материалов.
               Фенольно-формальдегидные клеи выделяют при отверждении летучие продукты, и для их удаления из конструкции делают перфорацию - мелкие отверстия, которые снижают прочность сотового заполнителя. Кроме того, при эксплуатации таких конструкций в них попадает влага, которая может привести к коррозии сотового заполнителя. В некоторых случаях влаги скапливается столько, что она может нарушить нормальную эксплуатацию сотового агрегата.

Пленочные клеи на основе модифицированных эпоксидных олигомеров
               С целью исключения недостатков фенольно-каучуковых клеев и повышения прочности клеевых соединений были разработаны пленочные клеи на основе модифицированных эпоксидных олигомеров. Это высокопрочные клеи с улучшенными технологическими свойствами. Клеи не требуют жидкого подслоя или подогрева при прикатывании пленки к субстратам, при их отверждении выделяется не более 2 % летучих соединений. В результате этого трудоемкость технологического процесса склеивания снижается по сравнению с фенольно-каучуковыми клеями ~ на 40%, повышается культура производства, уменьшаются пожароопасность и загрязнение окружающей среды за счет исключения выделения паров растворителей, значительно улучшаются условия труда. Высокопрочные пленочные клеи применяют в наиболее нагруженных и ответственных агрегатах планера для склеивания сотовых и слоистых конструкций из металлов и полимерных композиционных материалов.
 

Вспенивающиеся клеи
               Использование высокопрочных пленочных клеев для склеивания сотовых конструкций потребовало также создания вспенивающихся клеев, которые используют при изготовлении сотовых конструкций в сочетании с высокопрочными пленочными клеями. Они предназначены для соединения блоков сотового заполнителя между собой и с элементами каркаса: при отверждении их толщина увеличивается в 1,5-3 раза, за счет чего они заполняют неровности между соединяемыми элементами. Прочность клеевых соединений сотовой конструкции, выполненных вспенивающимися клеями, составляет ~ 5 МПа, что во многих случаях превышает прочность сотового заполнителя. Режимы отверждения вспенивающихся клеев аналогичны режимам отверждения высокопрочных пленочных клеев, что позволяет изготавливать агрегаты с применением как основного высокопрочного, так и вспенивающегося клея за одну технологическую операцию.

Клеевые препреги
               Сравнительно новыми технологиями в авиастроении являются техпроцессы по изготовлению агрегатов с использованием клеевых препрегов.
               Клеевые препреги представляют собой полимерные композиционные материалы, в которых тканевый наполнитель (стеклоткань, угольная ткань) пропитан эпоксидным связующим способом безрастворной технологии (пропитка ткани расплавом связующего).
               Тип, толщина наполнителя и количество наносимого связующего в клеевых препрегах могут быть различны. В качестве связующего используют высокопрочные модифицированные эпоксидные клеи типа ВК-51 и ВК-36. Содержание связующего в препреге может регулироваться и составляет 40-50 %.
               Клеевые препреги поставляют потребителю в рулонах с антиадгезионной защитной пленкой, которую удаляют перед применением препрега. Препреги имеют длительный срок хранения.
               Применение клеевых препрегов позволяет изготавливать агрегаты, в том числе сотовой конструкции, сложной конфигурации за одну технологическую операцию, что обеспечивает сокращение технологического цикла производства в 2-3 раза по сравнению с серийной технологией. Кроме того, происходит снижение трудоемкости (в 1,5-3 раза), энергоемкости (на 30-50 %) за счет сокращения числа технологических операций и длительности цикла формования изделий из ПКМ, массы сотовой панели (на 0,4 кг/м2), количества используемой оснастки (в 1,5-2 раза), выбросов вредных веществ в атмосферу (в 10-15 раз) за счет использования безрастворной технологии изготовления клеевых препрегов и изделий из них, повышение герметичности обшивки из клеевых препрегов в 10 раз, что особенно важно для сотовых конструкций.
Применение клеевых препрегов в условиях серийного производства позволяет получить высокую воспроизводимость процессов при минимальном числе контрольных операций.
               Стекло и углепластики на основе клеевых препрегов по сравнению с традиционными аналогичными материалами имеют более высокие трещиностойкость (на 40-50%), прочность при межслойном сдвиге (на 20-35%), усталостную и длительную прочности; сохраняют высокий уровень прочностных характеристик после воздействия различных климатических факторов (воды, влаги, топлива, масел, повышенных температур).

Слоистые алюмополимерные материалы
               Создание высокопрочных пленочных клеев и клеевых препрегов на их основе позволило разработать новый класс уникальных слоистых алюмополимерных материалов - СИАЛы, которые обладают чрезвычайно высоким сопротивлением развитию усталостных трещин и более высокими показателями малоцикловой усталости (МЦУ).
               Работы по созданию СИАЛов явились логическим продолжением работ по созданию технологии получения и применения в авиации слоистых клеевых соединений и конструкций из алюминиевых сплавов, обладающих повышенными надежностью и ресурсом. Количество, толщина, соотношение толщин слоев, строение слоя стеклопластика, состав и состояние поверхности алюминиевых листов зависят от назначения слоистого материала. Наиболее типичная структура - трехслойная (2 алюминиевых листа + 1 слой стеклопластика) и пятислойная (3 алюминиевых листа + 2 слоя стеклопластика). Необходимая степень анизотропии в соответствии с условиями работы конструкции регулируется перекрестным армированием слоев пластика.
               СИАЛы отличаются пониженной плотностью и превосходят по сопротивлению усталости, вязкости разрушения, статическим механическим свойствам, ударостойкости монолитные листы из традиционных алюминиевых сплавов Д16-АТ, 1163-АТ, В95о.ч.-Т2, которые в настоящее время применяются авиации (табл. 1).

Таблица 1. Уровень свойств СИАЛов и основных конструкционных алюминиевых листов.

               Для изготовления СИАЛов используют клеевой препрег КМКС-1.80, представляющий собой клеевую матрицу типа эпоксидного высокопрочного пленочного клея ВК-51 и стеклоткань Т10-80. Толщина препрега - 0,3-0,4 мм, технология формования - 3 ч при 125°С.
               По сравнению с монолитными листами из алюминиевых сплавов одна из последних разработок в этой области - СИАЛ-3-1 имеет повышенную прочность, высокую трещиностойкость, чрезвычайно низкую скорость развития усталостных трещин, повышенную долговечность, а также пониженную плотность. Все эти преимущества определяют надежность и ресурс самолетных конструкций. По сравнению с зарубежным аналогом GLARE-3 алюмопластик СИАЛ-3-1 за счет применения тонких листов (до 0,3 мм) из высокомодульного алюминиево-литиевого сплава 1441 пониженной плотности имеет следующие преимущества: пониженную до 8% плотность, что значительно повышает весовую эффективность; повышенный на 10% модуль упругости, что обеспечивает увеличение жесткости конструкции.
               СИАЛы обладают важными дополнительными преимуществами перед алюминиевыми сплавами. Так, гибридные листы СИАЛа обеспечивают существенно большую пожаростойкость, чем монолитные алюминиевые листы: если листовые алюминиевые обшивки прогорают насквозь через 60-120 с, то стеклянные волокна в слое препрега, имеющие высокую температуру плавления, препятствуют проникновению пламени через листы СИАЛа, вследствие чего температура на стороне, противоположной воздействию пламени, остается относительно низкой.

Клеесварные конструкции
               Клеи используют также при изготовлении клеесварных конструкций. Клеесварные конструкции получают при использовании контактной точечной сварки и склеивания. Наибольшее применение находят конструкции из алюминиевых сплавов, которые составляют более 95% общего объема клеесварных конструкций.
               Клеесварные соединения имеют более высокие прочностные характеристики, а в ряде случаев и лучшие антикоррозионные свойства, чем сварные и клеевые. Кроме того, при их производстве не требуется дорогостоящее оборудование для обеспечения давления. Клей в клеесварном соединении воспринимает значительную часть напряжений при нагружении соединения, и, следовательно, разгружает сварные точки. Перераспределение напряжений уменьшает их концентрацию в опасном сечении сварного соединения и повышает прочность комбинированного соединения, особенно при циклических нагрузках. В свою очередь, сварные точки улучшают работу клеевого соединения в условиях неравномерного отрыва, отдирающих и циклических нагрузок, повышая общую работоспособность и долговечность. Долговечность клеесварных соединений примерно в 2 раза превышает долговечность сварных соединений аналогичной конструкции. Применение клеесварных конструкций существенно повышает долговечность в условиях воздействия акустических нагрузок.

Комбинированные клеемеханические соединения
               Клеи используют также для изготовления комбинированных клеемеханических соединений: клеезаклепочных, клеевинтовых и клееболтовых.
               В современном машиностроении, в частности в авиастроении, применяются клепаные соединения. Однако их устойчивость к повторно-статическим нагрузкам недостаточна из-за того, что отверстия под заклепки являются концентраторами напряжений, вызывающих преждевременное возникновение усталостных трещин. Одним из эффективных путей повышения усталостной прочности металлических конструкций является применение клеезаклепочных соединений. Эти соединения характеризуются более высокой (в 1,5-2 раза) прочностью, чем клеевые, большими надежностью и долговечностью. Заклепки в клееклепаном соединении играют положительную роль при длительном воздействии на соединение постоянной и отдирающей нагрузок. Для изготовления клеезаклепочных соединений применяют эластичные клеи, обладающие текучестью и хорошо заполняющие зазоры между соединяемыми поверхностями. Наиболее подходящими являются пастообразные клеи холодного отверждения. Специально для этих целей разработан пастообразный клей ВК-37 на основе модифицированного эпоксидного олигомера.
               Клеи применяют для стопорения и герметизации резьбы любого диаметра. Это простой, надежный и экономичный способ придания устойчивости к действию вибрации, ударных нагрузок, вызывающих самоотвинчивание болтов и гаек. Полностью заполняя пространство между витками резьбы, отвержденная клеевая композиция способствует равномерному распределению нагрузки по всей ее длине, устраняет утечку газа или жидкости.
               Клеевинтовые и клееболтовые соединения могут быть выполнены двумя способами: с постановкой винтов или болтов по отвержденному клеевому соединению и с постановкой винтов или болтов по незатвердевшему клею с последующим отверждением клея в комбинированном соединении.
               Для повышения герметичности рекомендуется под головки заклепок, винтов или болтов дополнительно подкладывать шайбы, высеченные из тонких клеевых пленок (0,05-0,10 мм), или покрывать головки жидким клеем.
               Клеевинтовые соединения имеют лучшие показатели длительной прочности и менее чувствительны к изменениям температуры и климатических условий, чем клеевые соединения на аналогичных клеях.

Ремонтные технологии
               Важнейшим направлением при создании клеевых технологий в последнее время являются ремонтные технологии. Ведущие отечественные и зарубежные авиационные фирмы активно ведут исследования в области создания новых технологических процессов ремонта авиационных конструкций, позволяющих восстанавливать первоначальную прочность конструкции, т.е. отремонтированный участок должен отработать тот же ресурс, что определен для всей конструкции.
               В настоящее время из-за отсутствия специализированного оборудования, позволяющего создать в зоне ремонтируемого участка требуемые температуру и давление, используют, в основном, жидкие и пастообразные клеи холодного отверждения, такие как ВК-9, ВК-27, К-153. В отдельных случаях применяют подслой из эластичного клея ВК-25. Однако ресурс работы участков, отремонтированных таким образом, ограничен. Использование высокопрочных пленочных клеев и клеевых препрегов для ремонта сотовых конструкций позволяет существенно повысить эффективность ремонтных технологий. Клеи холодного отверждения (жидкие и пастообразные) используют для заполнения пустот в агрегатах при небольших механических повреждениях, а также для заполнения небольших объемов в сотовом заполнителе при ремонте отслоений обшивка - соты. Вспенивающиеся клеи эффективно используют для вклеивания вставок сотового заполнителя при ремонте сотовых конструкций. Пленочные клеи рекомендуют для приклеивания компенсирующих заплат к конструкциям из алюминиевых сплавов и композиционных материалов.
               Наиболее перспективными материалами для ремонта клееных агрегатов, в том числе сотовой конструкции, являются клеевые препреги. Отремонтированные с использованием клеевых препрегов конструкции из ПКМ приближаются по свойствам к изделиям в исходном состоянии и имеют высокие надежность и ресурс работы.
               Характерные особенности технологии ремонта с применением клеевых препрегов состоят в следующем:
- преимущественная выкладка композитной заплаты из слоев препрега в специальном коническом углублении, образуемом в обшивке;
- использование для формования заплат исключительно вакуумного давления (вакуумных мешков, выполняемых из специальной пленки и герможгута на поверхности агрегата в ремонтной зоне);
- использование для ремонта в эксплуатирующих организациях пастообразных, пленочных клеев и препрегов, отверждающихся при 20 - 170°С.
               Для проведения ремонта сотовых конструкций приклеиванием (формованием) заплат разработана технология (ТР 1.4.1831-98 «Ремонт сотовых клееных конструкций из алюминиевых сплавов и полимерных композиционных материалов в условиях авиаремонтных предприятий и эксплуатирующих организаций») и комплект оснастки, обеспечивающей избыточное давление до 0,1-0,15 МПа и температуру до 180°С при работе в условиях как производственных помещений авиабаз, так и стоянки, непосредственно на самолете, в том числе при низких температурах окружающей среды. Технология и оснастка могут использоваться при ремонте любых типов самолетов.
               Технология ремонта разработана в расчете на технических работников, не имеющих специальной подготовки, и включает в себя описание большинства ремонтных операций для сотовых клееных конструкций из КМ с использованием материалов, разработанных в ВИАМ.

Способы подготовки поверхностей под склеивание
               Для подготовки поверхности обшивки к приклеиванию заплат с заменой (в случае необходимости) поврежденного сотового заполнителя разработаны способы местной химической обработки различными составами и местного анодного оксидирования в электролите на основе фосфорной кислоты. Использование местной химической обработки позволяет значительно повысить коррозионную стойкость клеевых соединений.
               Способ местного анодного окисления в фосфорной кислоте позволяет получить на поверхности алюминиевых сплавов анодно-оксидное покрытие, обеспечивающее высокую прочность клеевых соединений без погружения в электролит (исходное значение прочности при сдвиге соединения, выполненного на клее ВК-9, составляет при 20°С более 20 МПа).
               По результатам проведенных исследований местное химическое оксидирование с использованием растворов и паст введено в качестве способа подготовки поверхности алюминиевых сплавов в разработанную в ВИАМ технологическую рекомендацию ТР 1683-2000 «Применение клеев и композиционных материалов клеевых для ремонта изделий авиакосмической техники».

Существует и много других технологий в авиастроении, которые немыслимы без применения клеев. Это крепление широкой гаммы неметаллических материалов, которые могут быть использованы в конструкциях только с помощью склеивания. В этом ряду следует упомянуть резины, теплозащитные, теплоизоляционные, декоративно-отделочные материалы, пластмассы и многие другие. Это свидетельствует о перспективности развития работ в данном направлении.

Петрова А. П., Лукина Н. Ф., ФГУП «ВИАМ».
По материалам 2-й международной конференции «Полимерные материалы XXI века», проходившей в рамках 14-й международной выставки «Химия-2007».