Сплавы и композиты, отличающиеся прочностью, легкостью и жаростойкостью. Разработка новых материалов, страница 2

В области заатмосферных полетов предполагается создать аэрокосмические аппараты, способные взлетать и садиться на обычных взлетных полосах, и летать не только в плотной, но и в разреженной атмосфере, легко маневрируя в той и в другой среде. Поскольку такого корабля пока не сушествует, решение задач придется начать с исследований. В своем послании о состоянии государственных дел в 1986 г. президент Рейган особо выделил задачу создания заатмосферной авиации, предложив назвать будущий аппарат «Восточный экспресс» («0rient Express»), так как он даст возможность перевозить пассажиров с западного побережья США в страны Азии менее чем за два часа.

За последние несколько лет было положено хорошее начало в получении материалов, удовлетворяющих требованиям Н ТУ. Достигнут прогресс в двух областях: создании новых материалов и применении новых композиционных материалов в аэрокосмических конструкциях.

Одним из важнейших достижений стало получение абсолютно новых сплавов при помощи техники быстрого отверждения. Ключевым моментом здесь является чрезвычайно быстрое охлаждение материала, наХОДЯЩеГОСЯ вначале в жидкой фазе, до твердого порошкообразного состояния (с последующим прессованием.

Перев Скорость охлаждения может превышать миллион градусов в секун-

28

УЧЕБНО-ТРЕНИРОВОЧНЫЙ САМОЛЕТ (1930-Е ГОДЫ)

ИСТРЕБИТЕЛЬ (П МИРОВАЯ ВОЙНА)

ПЕРЕХВАТЧИК

(1980-Е ГОДЫ)

ШАТТЛ

«ВОСТОЧНЫЙ ЭКСПРЕСС»

с водяным ОХЛАЖДЕНИЕМ

(1 МИРОВАЯ ВОЙНА)

С ВОЗДУШНЫМ

ОХЛАЖДЕНИЕМ

(1930-Е ГОДЫ)

ТУРБОВЕНТИЛЯТОРНЫЙ

ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ

СО СВЕРХЗВУКОВЫМ

ГОРЕНИЕМ

РАЗВИТИЕ САМОЛЕТОСТРОЕНИЯ требовало непрерывного улучшения материалов, поскольку рост скоростей вел к повышению температуры обшивки, создаваемой в результате трения о воздух, а увеличение мощности двигателя было связано с ужесточением температурного режима. Материалы для обшивки изменились от дерева и ткани до современных сплавов алюминия, никеля и титана, а также

ТЕМПЕРАТУРА, ^о с

ТЕМПЕРАТУРА, ^ос композиционных материалов, состоящих из углеродного волокна и полимерной матрицы. В узлах двигателей подобные же материалы заменили традиционные сталь и алюминий. «Восточный экспресс» — это летательный аппарат, который должен стартовать с обычной взлетной полосы, проходить сквозь плотные слои атмосферы и лететь с большой скоростью за пределами атмосферы.

ДУ. Этот процесс придает алюминиевым сплавам ббльшую удельную прочность и твердость, а сплавам, основанным на алюминии или никеле, повышенную жаростойкость. Последующая механическая обработка не влияет на свойства материалов, поэтому они могут применяться для изготовления деталей обычными методами. Лучшему применению материалов способствует также ряд других новых или только появляющихся методов обработки и сборки. Среди них сверхпластическая деформация, диф- фузионное соединение и изготовление по «точной форме». При сверхпластической деформации существенные изменения формы материала происходят под воздействием высоких температур и низкого давления. При диффузионном соединении детали соединяются при высоких температурах и давлении. Связывание происходит вследствие диффузии атомов через соединяемые твердые поверхности: плавления, как при сварке, не происходит. При изготовлении «по точной форме» порошкообразный материал принимает окончательную форму нужной детали, которая не требует дальнейшей механической обработки. Технология состоит в сжатии порошка в стеклянном, керамическом или стальном контейнере, имеющем форму детали.

Новые композиционные материалы состоят из матрицы, которая может представлять собой либо органическую смолу, либо металл, и из высокопрочных волокон, вделанных в матрицу. Самым обычным является углеродное волокно; существуют также стекловолокно, борволокно, волокно из карбида кремния, органическое волокно (kevlar fiber) и армированные волокном металлы. Матрица удерживает композит и позволяет придавать материалу нужную форму. Благодаря матрице можно также получать материал с требуемыми характеристиками, такими как прочность и твердость. Композиционные материалы прочнее стали, тверже титана и легче алюминия. Кроме того, они обладают уникальными механическими свойствами, например устойчивостью к коррозии и высоким температурам. По этим причинам такие материалы особенно пригодны для новых авиационно-космических конструкций, которые должны быть одновременно и прочными, и легкими.