Лазерная обработка титановых сплавов для увеличения прочности клеевого соединения с углепластиком

Полный текст

Введение

Титановые сплавы широко используют в качестве элементов крепления, шарниров, силовых элементов в космическом аппарате (КА). В частности, титановые сплавы используются для создания неразъёмных клеевых соединений углепластиковых конструкций. Поскольку традиционные методы соединения (сварка, пайка), применяемые для металлических деталей, не могут быть использованы для деталей из композиционных материалов (КМ) или усложняют конструкцию (резьбовые, клепанные соединения и др.) [1-3], КМ приклеивают к металлическим элементам, через которые обеспечивается соединение. На рис. 1 представлен фитинг замка за-чековки КА, который представляет собой клеевую пару «титан - углепластик».

Несмотря на видимые преимущества клеевого соединения, прочность таких узлов довольно низкая. Это связано с тем, что титановые сплавы относятся к трудносклеиваемым материалам, так как на поверхности сплава всегда находится тонкая оксидная пленка, которая препятствует образованию межатомных и межмолекулярных связей между клеем и подложкой. Увеличить адгезионную прочность титановых сплавов можно с помощью предварительной обработки перед склеиванием. Методы обработки титана для увеличения адгезионной прочности при склеиванье рассмотрены в работах [4; 5]. Лазерная обработка является перспективным методом увеличения адгезионной прочности титанового сплава [6]. Данный метод обладает высокой производительностью и стабильностью свойств обработанной поверхности, а также, в отличие от химических методов обработки поверхности, экологической чистотой процесса. В работах [7-11] рассмотрены механизмы лазерной обработки на металлах (Al, Ti) лазерами различных типов.

 

Рис. 1. Механическое устройство батареи солнечной: 1 - силовой трубчатый элемент (углепластик); 2 - фитинг (титановый сплав)

Fig. 1. Mechanical device of solar battery: 1 - power tubular element (carbon fiber); 2 - fitting (titanium alloy)

 

Ранее были проведены исследования [12; 13], где определялось влияние метода обработки поверхности титанового сплава на прочность клеевого соединения пары «титан - титан». Было выявлено, что лазерная абляция поверхности положительно влияет на адгезионную прочность поверхности титанового сплава.

Эксперимент

В данном исследовании использовались образцы титанового сплава ОТ-4 размерами 70×20×2 мм и образцы двунаправленного углепластика КМУ-4 размерами 70×20×2 мм. Образцы склеивались трехкомпонентным клеем ВК-9 (ОСТ 1-90281-86) внахлёст. Склеиванье проводилось согласно ОСТ 92-0949-74. Площадь клеевого соединения S = 300 мм². Для обеспечения статистической надежности испытывалась партия из 5 образцов. Геометрические размеры образца для испытаний представлены на рис. 2.

 

Рис. 2. Геометрические размеры образца клеевого соединения титана с углепластиком

Fig. 2. Geometrical dimensions of the sample of adhesive joint of titanium with carbon fiber

 

Для определения прочности клеевого соединения пары «титан - углепластик» проводились испытания на сдвиг (англ. Single-Lap Shear Test). Механическое испытание проводилось через 24 ч после склеивания на универсальной разрывной машине (Eurotest Т-50, S.A.E.IBERTEST, Испания) со скоростью 5 мм/мин.

Лазерная обработка поверхности проводилась на иттербиевом импульсном волоконном лазере (IPG. YLPM-1 - 4x200-20-20). В предыдущем исследование [13] выявлены характерные текстуры поверхности, которые были взяты за основу в этой работе. Режимы лазерной обработки представлены в табл. 1. Длина волны лазера 1,064 мкм, частота следования импульсов 40 кГц. энергия в импульсе 0,5 мДж. Схема перемещения лазерного луча является двунаправленной штриховкой по одной оси. Микроструктура поверхности титанового сплава в зависимости от режима обработки представлена на рис. 3.

 

Рис. 3. Микроструктура поверхности титана при лазерной обработке: a - режим № 1; b - режим № 3: c  - режим № 12; d - режим № 13

Fig. 3. The micro structure of the titanium surface during laser processing: a - mode № 1; b - mode № 3; c - mode № 12; d- mode № 13

 

Таблица 1. Параметры лазерной обработки поверхности титанового сплава

№ режима	1	3	12	13
Мощность лазера, Вт	10	20	20	10
Скорость обработки, мм/с	200	200	200	400
Количества полос на 1 мм	15	15	25	25

 

Для сравнения, были изготовлены и испытаны на сдвиг образцы с механическими методами обработки поверхности титанового сплава: ручное шлифование поверхности в двух направлениях и с пескоструйной обработкой. Шероховатость обработанной поверхности измеряли профилометром (TR110, TIME Group Inc., Китай). Результаты шероховатости поверхности представлены в табл. 2. Среднее значение шероховатости углепластика составляет 0,85 мкм.

На рис. 4 представлены результаты средних значений прочности на сдвиг клеевых соединений.

 

Рис. 4. Результаты испытаний прочности образцов на сдвиг

Fig. 4. Results of testing the strength of specimens for shear

 

Таблица 2. Значение шероховатости поверхности титанового сплава с разными методами обработки перед склеиваньем

Метод обработки	Ti без обработки	Ручное шлифование	Пескоструйная обработка	Лазерная обработка, режим № 1	Лазерная обработка, режим № 3	Лазерная обработка, режим № 12	Лазерная обработка, режим № 13
Ra, мкм	0,78	1,23	1,15	6,5	9,65	5,37	1,76

 

Результаты и обсуждения

По рис. 2 видно, что лазерная обработка поверхности титанового сплава благоприятно влияет на прочность клеевого соединения пары «титан - углепластик». Если сравнивать результаты, то лазерная обработка увеличила прочность более чем на 160 % по сравнению с необработанной поверхностью. Так как на производстве перед склеиваньем металла и композиционного материала металл механически обрабатывается для увеличения площади сцепления, будет правильней сравнивать прочность образцов с лазерной обработкой со значением образцов с ручным шлифованием. Следовательно, прочность образцов с лазерной обработкой увеличилась более чем на 80 % относительно среднего значения механического шлифования.

Наибольшее значение прочности на сдвиг показали образцы с лазерной обработкой № 1 и 3. Это связано с наибольшим увеличением площади склеивания поверхности, а также механического запирания клея в микрорельефе структуры. Режим № 13, имея незначительное увеличение площади поверхности, что видно из шероховатости поверхности, показал значительный прирост прочности клеевого соединения. Это значит, что улучшение прочности на сдвиг, вызванное лазерной обработкой поверхности, представляет собой смешанный эффект увеличения площади поверхности, механического запирания клея и изменения химического состава поверхности. Химический состав структуры поверхности под воздействием лазерного сканирования постепенно трансформируется из Ti и Ti₂O₃ в кристаллический TiO₂. Лазерная обработка способствует превращению металлических элементов и оксидов с низкой валентностью в оксид с высокой валентностью [14; 15], что способствует связи клея и поверхности.

Характер разрушения клеевого соединения у образцов с лазерной обработкой преимущественно когезионный, но также наблюдались образцы с разрушением материала углепластика, т. е. сдвиговые напряжения в композиционном материале превосходили адгезионную прочность. Характер разрушения у образцов без обработки, с ручной шлифовкой и пескоструйной обработкой показал адгезионное и смешанное разрушение. Стоит отметить, что испытания образцов с ручной шлифовкой показали сильный разброс значений, что указывает на малую надежность данного метода склеивания.

Если сравнивать результаты предыдущего исследования [5] с представленными, то можно наблюдать уменьшение прочности клеевого соединения у одинаковых режимов лазерной обработки на 25 %, что связано с влиянием подготовки углепластика перед склеиванием.

Заключение

Исследование показало, что лазерная обработка поверхности титанового сплава перед склеиванием с углепластиком увеличивает клеевую прочность более чем на 80 %, по сравнению с современной технологией склеивания (механическая обработка). Наибольший показатель прочности показали образцы с режимами обработки, которые обеспечивают наибольшую площадь склеивания (режим № 1 и 3).

Об авторах

Михаил Сергеевич Руденко

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Автор, ответственный за переписку.
Email: rudenko_ms@sibsau.ru

старший преподаватель кафедры летательных аппаратов

Россия, 660037, Красноярск, проспект им. газеты «Красноярский рабочий», 31

Алексей Васильевич Гирн

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Email: gim007@gmail.com

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры летательных аппаратов

Россия, 660037, Красноярск, проспект им. Газеты «Красноярский рабочий», 31

Анатолии Егорович Михеев

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Email: michla@mail.ru

доктор технических паук, профессор, заведующий кафедрой летательных аппаратов

Россия, 660037, Красноярск, проспект им. Газеты «Красноярский рабочий», 31

Виталий Борисович Тайгин

Акционерное общество «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева»

Email: taygin@iss-reshetnev.ru

начальник сектора отдела разработки антенных систем и сборки полезных нагрузок космических аппаратов

Россия, 662972, Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52

Список литературы

Дополнительные файлы