Сообщение алюминий в самолетостроении
Обновлено: 05.07.2024
Листовой алюминий остается основным материалом в современном самолетостроении. Обычно листы из алюминиевых сплавов применяются для изготовления фюзеляжа самолета, причем как для внутреннего каркаса, так и для внешней оболочки. Отдельные детали соединяются друг с другом заклепками и другими типами крепежа.
Листовой алюминий широко применяется во многих типах самолетов – от авиалайнеров до одномоторных аэропланов. Листовой алюминий получают путем раскатывания металла в плоские листы различной толщины от тонкого листа до толстого листа (плит). В самолетах применяют листовой алюминий толщиной от 3,3 до 0,25 мм (от 8 до 30 gauges, как говорят американцы).
Ниже представлены выдержки из американского руководства для гражданских техников по ремонту самолетов, где наряду с другими материалами, основное место занимают алюминиевые сплавы.
Алюминий и алюминиевые сплавы
Листы из различных алюминиевых сплавов – это то, с чем чаще всего сталкиваются при ремонте самолетов. Известно, что алюминий в чистом виде – это легкий, блестящий, коррозионностойкий, пластичный. Однако уровень прочности чистого алюминия довольно низкий.
Если алюминий получает небольшие добавки (доли и единицы процента) таких элементов, как медь, марганец и магний, то получаются алюминиевые сплавы, которые применяются в самолетостроении.
Алюминиевые сплавы такие же легкие, как и чистый алюминий, но значительно прочнее его. Они не обладают такой коррозионной стойкостью как у чистого алюминия и обычно требуют дополнительно коррозионной защиты. Одним из способов коррозионной защиты алюминиевых сплавов является плакирование их поверхности тонким слоем алюминия. Этот слой получают при совместной прокатке алюминия и алюминиевого сплава. Он защищает основной алюминиевый сплав от коррозии.
При строительстве и ремонте самолетов применяют следующие основные марки алюминия и алюминиевые сплавы.
Алюминий 1100
Листы из алюминия марки 1100 применяют в тех случаях, когда главным фактором является не прочность, а экономия веса и высокая стойкость коррозии. Листы из этой марки алюминия применяются для изготовления и ремонта топливных баков, обтекателей и масляных баков. Алюминий 1100 также применяется для ремонта законцовок крыльев. Очень хорошо поддается сварке.
Алюминиевый сплав 3003
Этот сплав аналогичен по применению алюминию 1100. Он содержит от 1,0 до 1,5 % марганца и поэтому прочнее и тверже, чем алюминий 1100.
Алюминиевый сплав 2014
Поковки, листы и профили из сплава 2014 применяют для изготовления деталей, которые подвергаются высоким нагрузкам, таким как колеса и основные несущие конструкции. Этот сплав часто применяют там, где требуется высокая прочность и твердость, а также для работы при повышенных температурах.
Алюминиевый сплав 2017
Этот сплав применяется для изготовления заклепок. В настоящее время имеет ограниченное применение.
Алюминиевый сплав 2024
Листы из сплава 2024 – с плакировкой из чистого алюминия или без нее – применяют для изготовления элементов каркаса самолета, заклепок, крепежных изделий и многих других деталей. Кроме того, этот сплав применяют для термически упрочненных деталей, оболочки фюзеляжа и прессованных профилей.
Алюминиевый сплав 2025
Этот сплав применяют для изготовления лопастей пропеллеров.
Алюминиевый сплав 2219
Алюминиевый лист из сплава 2219 применяют для изготовления и ремонта топливных баков, оболочки фюзеляжа и несущих элементов конструкции самолета. Этот сплав имеет высокую вязкость разрушения и хорошо сваривается. Сплав 2219 обладает также высокой стойкостью к коррозии под напряжением.
Алюминиевый сплав 5052
Сплав 5052 применяют там, где требуется хорошая пластичность металла, высокая коррозионная стойкость, высокая усталостная прочность, хорошая свариваемость и средняя статическая прочность. Этот сплав используют для изготовления топливных, гидравлических и масляных трубопроводов.
Алюминиевый сплав 5056
Сплав 5056 применяют для изготовления заклепок и оболочек кабелей, а также в тех случаях, когда алюминий входит в контакт с магниевыми сплавами. Сплав 5056 обычно является стойким к большинству видов коррозии.
Литейные алюминиевые сплавы
Литейные алюминиевые сплавы используют для изготовления блоков цилиндров, картеров, топливных насосов и колес шасси.
Упрочнение алюминиевых сплавов
Различные алюминиевые сплавы, включая 3003, 5052 и 1100, упрочняются только в результате холодной пластической деформации, а не термической обработки.
Другие сплавы, такие как 2017 и 2024, упрочняются в результате термической обработки, холодной деформации или комбинации их обеих. Большинство литейных сплавов также упрочняются термической обработкой.
Алюминиевый сплав 6061
Сплав 6061 обычно хорошо сваривается всеми промышленными способами и методами сварки. Он также обладает достаточно высокой вязкостью при криогенных температурах. Сплав 6061 довольно хорошо прессуется и обычно применяется для изготовления гидравлических и пневматических трубопроводов.
Алюминиевый сплав 7075
Этот сплав имеет более высокую прочность, чем сплав 2024, но более низкую вязкость разрушения. Обычно он применяется, когда требуется высокая прочность на растяжение, а усталостная прочность не является критической. В состоянии Т6 сплав 7075 не применяют в условиях с высоким коррозионным воздействием. Однако в состоянии Т7351 (вариант перестаренного состояния) сплав 7075 обладает более высокой стойкостью к коррозии под напряжением и вязкостью разрушения, чем в состоянии Т6. Состояние Т76 (вариант перестаренного состояния) часто применяют для повышения стойкости сплава 7075 к подповерхностной коррозии.
Первым делом – самолеты
Сегодня потребление алюминия в мировом авиапроме составляет свыше 550 тысяч тонн. И эти показатели будут увеличиваться за счет роста производства различной авиационной и космической техники. К 2025 году потребление алюминиевых полуфабрикатов достигнет 400 тыс. тонн или около 650 тыс. тонн в первичном сегменте.
В современных воздушных суднах практически нет элементов или систем, где бы не применялись различные алюминиевые сплавы: топливные баки, авиационные колеса, гидравлические и масляные трубопроводы, топливная система, бортовая кабельная сеть, системы терморегулирования, авиационные кресла, элементы интерьера и многое другое.
Из алюминия изготавливается силовой набор планера и крыла – шпангоуты, стрингеры, нервюры и лонжероны, обшивка, различные элементы отделки и, конечно, заклепки, которых в самолете не одна сотня тысяч штук. Именно алюминиевые конструкции несут на себе все нагрузки и защищают пассажиров от внешней среды во время полета.
Легкий выбор
Почему именно алюминий? Крупнейшие мировые авиастроители выбирают алюминий за его уникальные свойства. Он в 3 раза легче стали и гораздо дешевле, чем титан. Скорость механической обработки алюминиевых сплавов в 4-6 раз выше стальных аналогов, а листовые материалы из алюминиевых сплавов на порядок дешевле, чем из углекомпозитов. Введение в алюминий около 4% меди и 1,5% магния в сочетании с термической обработкой позволяет повысить прочность чистого алюминия в 10 раз. Кроме того, алюминиевая продукция легко подвергается утилизации и глубокой переработке.
Алюминий vs композиты и титан
Основные конкуренты алюминия в авиапроме – полимерные композиционные материалы, которые сделали рывок вперед по прочности и надежности. Но алюминий дешевле, чем авиационные композиты, его ремонтопригодность существенно выше, а поведение известно конструкторам и технологам.
Основа для планера
Главные системы легирования авиационных материалов определились давно и их можно разделить на две группы: дюрали – сплавы на основе системы Al-CuMg и высокопрочные сплавы на основе системы Al-Zn-Mg-Cu. Первые способны сопротивляться разрушению в условиях знакопеременных нагрузок с нанесенным концентратором. Вторые обладают значительной прочностью (может превышать 600 МПа) и высокими показателями вязкости разрушения. В совокупности данные материалы являются основной для планера самолета, из них состоят внешние и внутренние элементы фюзеляжа и крыла.
Обе группы сплавов используются в самолетах уже десятки лет. С развитием металловедения алюминия их составы оптимизировали, материалы стали чище по железу и кремнию – основным примесям. Создавались и специальные режимы термомеханической обработки, чтобы они демонстрировали свои лучшие служебные характеристики.
Как это сделано
Технологии обработки алюминия для производства авиационных компонентов включают в себя литье, штамповку, механическую обработку, сварку, пайку, волочение и резанье. В основном самолет изготавливают с применением листов, которые используются в обшивке плит и прессованных профилей для силового набора и различных вафельных панелей, а также поковок и штамповок.
Безусловно, есть специфика. Например, к обшивочным листам предъявляются особые требования по чистоте отделки и качеству проката: чем меньше на поверхности дефектов, тем лучше аэродинамика самолета. Для авиационной продукции есть отдельные отраслевые стандарты и технические условия. Так, в отношении некоторых полуфабрикатов обязательно определение вязкости разрушения, характеристик удельной электропроводности и даже размера зерна. Все это чтобы обеспечить безаварийную эксплуатацию воздушных судов.
В двигателестроении уже успешно применяются напечатанные на 3D-принтере металлические изделия. Это открывает дорогу использованию в самолетах алюминиевых напечатанных деталей. Аддитивные технологии дают возможность применять необычные алюминиевые материалы, которые невозможно получить традиционными технологиями обработки.
Помимо традиционных сплавов в ИЛМиТ также разработаны легированные скандием материалы для 3D-печати, которые после печати и отжига демонстрируют прочность на уровне высокопрочных аналогов, что пока недостижимо для литейных сплавов.
Рейс на завтра
Создание и внедрение новых материалов позволит расширить использование алюминия в авиапроме. Исследователи и разработчики делают новые открытия в области сплавов, технологий деформации и термической обработки.
Здесь стоит упомянуть алюминий-литиевые сплавы. Хотя положительное влияние лития на алюминий было открыто давно, по сей день регистрируются новые составы материалов. Такие материалы обладают высокой прочностью, не уступающей лучшим высокопрочным сплавам Al-Zn-Mg-Cu, но при этом имеют пониженную (на 5-10%) плотность и повышенный модуль упругости, который влияет на жесткость конструкций.
Если заменить все листы в обшивке лайнера на листы из алюминий-литиевых сплавов той же толщины, вес обшивки снизится на 7%. Главный недостаток подобных конструкций – цена, но алюминий-литиевые сплавы все же нашли применение в современных авиалайнерах.
Перспективны и скандийсодержащие сплавы системы Al-Mg-Sc. Они не могут похвастаться характеристиками прочности на уровне алюминий-литиевых сплавов, но по прочности сопоставимы с дюралями. Им не нужна упрочняющая термическая обработка, и они обладают высочайшей коррозионной стойкостью. Но самое главное – они свариваемые, что позволяет отказаться от клепаных конструкций в пользу сварных.
Как показал опыт авиастроителей из Airbus, использование данных материалов вместе с лазерной сваркой дает возможность снизить вес обшивочных панелей на 15% без потери эксплуатационных характеристик.
Разработаны сплавы с пониженным содержанием скандия – это обеспечит полуфабрикатам конкурентную цену. В будущем скандий в алюминии перестанет быть эксклюзивной добавкой и составит конкуренцию другим материалам.
Дополнительная информация
- Авторы: М.Ю.Середкина, А.В.Бармин
- Учебное заведение: УрФУ, Екатеринбург
На своем третьем планере они совершили более тысячи успешных полетов. Райты, прежде чем приступить к строительству самолета с двигателем, стали, наверное, самыми искусными и опытными в мире пилотами-планеристами. От этого оставался буквально шаг до полета свободного. Конструкторы поняли, что не так важно будет оторвать конструкцию от земли, как обеспечить управление самолетом в воздухе. Поэтому они потратили большую часть своего времени и усилий на то, чтобы изобрести методы управления и стабилизации полета, открыть способы изменения направления вектора подъемной силы.
Аэродинамики как науки в то время еще не существовало. Масса разрозненных сведений (при этом большая часть на уровне догадок) была ненадежной опорой, практически использоваться ею не представлялось возможным. В связи с этим Райты были вынуждены построить собственную аэродинамическую трубу и в ней испытать более двухсот профилей крыла. Результаты экспериментов сводились в таблицу, описывающую изменение параметров воздушного потока в зависимости от формы крыла. На основе этих данных впоследствии была выбрана профилировка и форма крыльев самолета. И все же эти исследования не привели бы к желаемому результату, не появись в то время достаточно мощный бензиновый двигатель. Чуть более ранние попытки построить летательный аппарат с громоздкими и малоэффективными паровыми двигателями были заведомо обречены на неудачу. Так, в 1881 г. русский исследователь и конструктор-изобретатель А.Ф.Можайский, а в 1892 г. британский изобретатель и оружейник американского происхождения Хайрем Стивенс Максим (автор знаменитого пулемета) были вынуждены применить именно такую силовую установку, что вполне закономерно привело их в тупик: удельная мощность оказалась недостаточной для осуществления полета. В отличие от великих предшественников братья Райт занялись созданием самолета, когда двигатели внутреннего сгорания были уже изобретены. Может быть, потому-то они этим и занялись, что имели внутреннее ощущение разрешимости проблемы мотора; ведь интуиция – это неосознанный опыт.
Оригинальный двигатель с водяным охлаждением, выполненный из сплава алюминия и меди, был рядным, четырехцилиндровым, с диаметром цилиндров 101,6 мм и таким же ходом поршня, а шатуны были трубчатыми. Одна из интересных особенностей – использование стальных гильз, ввинченных в алюминиевый блок цилиндров. Стенки гильз обрабатывались на токарном станке, но не полировались. Братья Райт рассчитывали, что поверхности отполируют сами поршни, по мере износа приработав поверхности.
Сегодня алюминий по выплавке уверенно удерживает среди металлов второе место вслед за железом. Ни у кого нет сомнений в важности и нужности этого легкого материала. Но долгое время отношение к нему было весьма сдержанным. Что можно ожидать от металла, который разрушается слабыми щелочами и кислотами, в то время как едва ли существует жидкость, не содержащая несколько кислоты или щелочи и поэтому легко разрушающая прекрасную наружность алюминия или уничтожающая всю его массу. Чай, вино, пиво, кофе и все плодовые соки уничтожают алюминий, и даже пот снимает с него палитру, обращая часть металла в обыкновенный глинозем…
В начале XX в. немецкий химик Альфред Вильм возглавил сектор металлургии в исследовательском институте, расположенном в пригородах Берлина. Он экспериментировал, пытаясь найти высокопрочный сплав алюминия, и в сентябре 1906 г. испытывал очередной сплав, в который, помимо алюминия, входило 4% меди и по 0,5% марганца и магния. Никаких особенных оснований рассчитывать на успех не было. Прочность сплавов оценивали по измерениям твердости. В час дня в субботу твердость была измерена и составила 70 (условных единиц). После этого все сотрудники отправились проводить выходной в Берлин. Немцы – люди аккуратные, и, поскольку в предвкушении отдыха измерения могли быть проведены недостаточно тщательно, в понедельник Вильм распорядился их повторить. Ко всеобщему удивлению, твердость составляла уже 100. В последующие дни твердость продолжала возрастать.
Эффект самопроизвольного упрочнения сплавов назвали старением. Ни сам Вильм, ни другие специалисты не знали, чем он вызван. Но среди алюминиевых сплавов стареющие выделялись по прочности, и это Вильм быстро использовал: рецепт сплава был запатентован. А в 1911 г. немецкие промышленники уже выпустили первую партию сплава Вильма, который нарекли дюралюминием или дуралюмином по названию города Дюрена, где развернулось его производство. Во время первой мировой войны сплав уже активно использовался – из него изготовляли детали немецких цеппелинов. Так дуралюмин предвосхитил судьбу своих более поздних собратьев – других алюминиевых сплавов. Сочетание прочности и легкости сделало их ведущим материалом самолетостроения.
В том же году начался серийный выпуск военных самолетов Junk J.1, заказанных оборонным ведомством Германии для участия в кампаниях Первой мировой войны. Во время боевых действий дюралюминий полностью оправдал расчеты Юнкерса – металл надежно защищал пилота от пуль и снарядов. Самолеты Junk J.1 были названы летающими танками: известен случай, когда дюралюминий выдержал 480 пулевых прострелов крыльев и фюзеляжа; при этом самолет не просто выполнил боевое задание, но и благополучно приземлился на базу.
Успех первых J.7 и Junk J.1 предопределил рывок в развитии немецкой военной авиации – дюралюминий стал фаворитом конструкторского бюро Юнкерса. Германия выиграла битву за небо, однако ее соперники сдаваться не собирались – в СССР и США полным ходом шли разработки сверхпрочных алюминиевых сплавов.
В 1918 г. по настоянию советского авиаконструктора А.Н.Туполева и профессора Московского государственного университета Н.Е.Жуковского был создан Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ), в котором начались разработки новых моделей самолетов и исследования металлических сплавов. ЦАГИ работал совместно с некоторыми металлолитейными заводами, что позволяло оперативно получать и тестировать новые варианты металла. Однако целых четыре года старания исследователей были безрезультатны – созданные сплавы не проходили проверку на прочность.
А для строительства самолетов из металла не было ровным счетом ничего. Не было заводов, производящих металл, технологии его применения и людей, умеющих с ним обращаться. Несмотря на печальную действительность, А.Н.Туполев в конце 1922 – начале 1923 гг. возглавил научно-техническую интеллигенцию, считавшую, что будущее авиации (особенно тяжелой) – в цельнометаллическом самолетостроении. Обосновывая недостатки деревянных конструкций, они указывали на отсутствие единых методов механических и физических испытаний древесины, удовлетворяющих требованиям авиационной техники; отсутствие методов исследования заготавливаемых модельных кряжей, большую подверженность атмосферным влияниям.
Они обращали внимание на достоинства строительства самолетов из металла: металл с его практической однородностью (в чем его отличие от древесины) позволит точно производить расчеты; при серийном (массовом) производстве положительно скажется технологичность металла; по мере совершенствования металлургии сплавов и накопления опыта по их применению в конструкции, ее относительная масса будет падать и станет меньше, чем у аналогичной конструкции из дерева.
Комиссии предстояло изучить возможность применения кольчугалюминия в качестве материала для самолетостроения, выработать сортамент полуфабрикатов и приступить к созданию отечественных цельнометаллических самолетов.
Постройка самолета началась в апреле 1922 г. Она была в самом разгаре, когда приступила к работе комиссия по металлическому самолетостроению, т.е. начало действовать КБ А.Н.Туполева. К этому времени уже были получены первые полуфабрикаты – листы и гнутые профили из кольчугалюминия. Испытания образцов показали, что сплав можно рекомендовать в качестве материала для цельнометаллических самолетов. Вполне естественно, что энтузиасты решили ввести кольчугалюминий в конструкцию строящегося самолета.
Кольчугалюминий отличается от немецкого дюралюминия присутствием никеля и несколько иным соотношением меди и марганца (медь – 4,5%, марганец – 0,7%, никель – 0,3%, магний – 0,5%, алюминий – 94%). Различались три вида кольчугалюминия: мягкий – отожжённый при температуре 400° C, закалённый – при температуре 500° C, и нагартованный.
Пришлось провести дополнительные расчеты, новые статические испытания отдельных узлов. Конечно, такое решение задержало постройку, но зато АНТ-1 стал первым отечественным монопланом со свободнонесущим крылом и рядом деталей из кольчугалюминия. Первым отечественным монопланом со свободнонесущим крылом, но деревянной, а не смешанной конструкции, был одноместный истребитель ИЛ-400. Самолет, построенный советским авиаконструктором, главой ОКБ-51 Н.Н.Поликарповым в содружестве с выдающимся инженером И.М.Косткиным, совершил первый полет в мае 1923 г. Самолет АНТ-1 – это первая русская конструкция, в которой был применен кольчугалюминий. Назначение – спортивная одноместная авиетка.
Алюминий играл важную роль во время Второй мировой войны. Неоценимый вклад в создание оборонной мощи Советской Армии внес Уральский алюминиевый завод (УАЗ). Первая очередь УАЗа была пущена в сентябре 1939 г. Накануне войны здесь выпускалось 36% алюминия, производившегося в стране. Высокопрочные дюралюминиевые листы и плиты служили основным материалом для обшивки самолетов. Из них получали заготовки сложной формы для деталей авиадвигателей, винтов, шасси, силового набора в фюзеляже самолета. Из пластичного малолегированного дюралюминия и алюминиево-магниевых сплавов прокатывали проволоку для заклепок, соединительные элементы обшивки, из листов сплава алюминия с марганцем сваривали емкости для горючего. Без магниевых и алюминиевых порошков нельзя было выпускать бомбы, снаряды, осветительные ракеты.
Обширные исследования сплавов системы Al - Zn - Mg - Cu с добавками марганца и хрома были проведены под руководством советских ученых Б.Е.Воловика, С.М.Воронова и И.Н.Фридляндера. В 40-х гг. XX в. в ВИАМе под руководством И.Н.Фридляндера разработан новый высокопрочный сплав, превосходящий по прочности дуралюмины, – В95 (марка отражает основных разработчиков сплава: В – ВИАМ, 95 – завод 95, на котором в то время работал С.М.Воронов). Примерно в то же время аналогичный сплав (7075) был получен в США.
В последующие годы для удовлетворения конкретных запросов советской промышленности под руководством советского металловеда, создателя сплавов, академика И.Н.Фридляндера был разработан сплав В95пч.
В сплавах А1- Zn - Mg -С u добавки переходных металлов, особенно хрома, эффективно повышают стойкость сплавов против коррозии под напряжением. Все сплавы системы А1- Zn - Mg -С u подвергают закалке и искусственному старению. Закалку проводят с температуры 460. 470° С в холодной или подогретой (до 80. 100° С) воде.
Из всех рассмотренных сплавов В95 – наиболее универсальный конструкционный материал, из него изготавливают все виды деформированных полуфабрикатов: листы, плиты, профили, трубы, поковки, штамповки.
Сплавы системы А1— Zn — Mg —Си (в основном В95 и В93) нашли широкое применение в авиационной промышленности, но все же они не вытеснили ранее внедренные, хотя и менее прочные сплавы систем Al - Cu - Mg (Д16) и Al - Cu - Mg - Si (АК6, АК8). Это объясняется рядом недостатков сплавов системы А1- Zn - Mg -Си. Например, по сравнению с дуралюмином Д16 они более чувствительны к концентраторам напряжений, имеют меньшую вязкость разрушения, склонны к коррозии под напряжением и характеризуются низкой жаропрочностью. Так, сплав В95 при температурах выше 125° С уступает по прочности сплаву Д16, хотя при 20° С он значительно прочнее дуралюмина. Поэтому сплавы системы А1- Zn - Mg -Си мало перспективны для скоростных сверхзвуковых самолетов, обшивка которых испытывает аэродинамический нагрев (до 125. 150° С).
В авиации широко применяются сплавы серии 2ххх, Зххх, 5ххх, 6ххх и 7ххх. Серия 2ххх рекомендована для работы при высоких рабочих температурах и с повышенными значениями коэффициента вязкости разрушения. Сплавы серии 7ххх – для работы при более низких температурах значительно нагруженных деталей и для деталей с высокой сопротивляемостью к коррозии под напряжением. Для малонагруженных узлов применяются сплавы серии Зххх, 5ххх и 6xxx. Они же используются в гидро-, масло- и топливных системах.
Бесспорное преимущество имеется у алюминиевых сплавов при создании объектов космической техники. Высокие значения удельной прочности, удельной жесткости материала позволили обеспечить изготовление баков, межбаковых и носовых частей ракеты с высокой продольной устойчивостью. К достоинствам алюминиевых сплавов (2219 и др.) следует отнести их работоспособность при криогенных температурах в контакте с жидким кислородом, водородом и гелием. У этих сплавов происходит так называемое криогенное упрочнение, т.е. прочность и пластичность параллельно растут с понижением температуры.
Алюминиевые сплавы являются широко распространенными в промышленности и строительстве конструкционных материалов: полуфабрикаты – листы, фасонные профили, прутки и трубы. Технология изготовления полуфабрикатов из алюминиевых сплавов отличается своей сравнительной простотой, они обладают хорошим внешним видом и безукоризненной поверхностью. Инженеры и конструкторы не перестают изучать свойства алюминия, разрабатывая все новые сплавы для строительства воздушных и космических судов.
Авиационный алюминий — это сверхпрочный деформационный алюминиевый сплав (Al-alloy), который широко используется в аэрокосмической промышленности. По сравнению с обычными Al-alloy к ним предъявляют более высокие требования к прочности, твердости, ударной вязкости, усталостному сопротивлению и пластичности. Они обладают хорошими механическими и технологическими свойствами, а также высокой прочностью и высокой ударной вязкостью при 150 C или выше.
Прокат авиационного алюминия
Общие сведения и область применения авиационного алюминия
Наиболее замечательной характеристикой авиационного Al-alloy является то, что его прочность может быть улучшена деформационной термической обработкой. Это комплексный процесс, который сочетает усиление пластической деформации с усилением фазового перехода во время термообработки. В процессе пластической деформации аэроалюминиевого сплава происходят изменения кристаллической структуры, такие как динамическое восстановление, рекристаллизация, суб-динамическая рекристаллизация, статическая рекристаллизация и статическое восстановление.
Прорыв, положивший основу развития авиации, произошел в 1903 году, когда братья Райт первыми облегчили конструкцию Flyer-1, применив Al-alloy. Тогда автомобильные двигатели весили слишком много и не создавали достаточной мощности, чтобы позволить самолету подняться в воздух. Поэтому для Flier-1 был построен специальный двигатель, в котором были установлены детали, такие как блок цилиндров, отлитый из алюминия.
Корабль “Восток-1”
Например, самая мощная в мире ракета-носитель “Сатурн-5”, которая может вывести на орбиту 140 тонн груза сжигает 36 тонн алюминиевого порошка за время, необходимое для достижения орбиты.
Основные виды и свойства алюминиевых сплавов
Существует много видов методов классификации алюминиевого сплава, которые можно разделить на деформацию Al-alloy и литье Al-alloy. Деформация может выдерживать обработку давлением и переработана во множество форм, спецификаций из Al-alloy, который в основном используется для изготовления авиационной техники.
Деформационный состав авиационного алюминия можно разделить на упрочненный без термической обработки Al-alloy и упрочненный при термической обработке Al-alloy. Механические свойства упрочненного без термической обработки не могут быть улучшены путем термообработки, но могут быть усилены деформацией при холодной обработке. В основном он включает в себя алюминий высокой чистоты, промышленный алюминий высокой чистоты и промышленный чистый алюминий. Термообработанный упрочненный Al-alloy может улучшить свои механические свойства путем закалки и старения. Его можно разделить на твердый, кованый, сверхтвердый алюминий и специальный Al-alloy.
Плиты алюминия
Алюминий-марганец и алюминий магний
Магний добавляется в необрабатываемые деформируемые сплавы из-за его эффекта упрочнения твердого раствора. В целом, твердосплавные сплавы более устойчивы к коррозии, чем двухфазные. Магний делает алюминий более анодным, а разбавленные алюминиево-магниевые сплавы обладают высокой устойчивостью к коррозии, особенно в морской воде и щелочных растворах.
Однако, когда магний превышает твердую растворимость в бинарных сплавах, он осаждается на границах зерен в виде Al8Mg5, который является сильно анодным. Коммерческие алюминиево-марганцевые сплавы чаще всего содержат менее 1,25 % марганца. Поскольку железо, присутствующее в большинстве алюминиевых сплавов в качестве примеси, снижает растворимость марганца в алюминии, то увеличивается вероятность образования крупных первичных частиц Al6Mn, которые могут оказывать вредное влияние на пластичность.
Алюминий-магний-кремний
Алюминий-медь-магний
Алюминиево-медные сплавы состоят из твердого раствора меди в алюминии, который дает увеличение прочности. Большая часть увеличения прочности обусловлено образованием осадка меди алюминида Cuál 2. Для того чтобы получить все преимущества этого осадка, он должен присутствовать в виде тонко и равномерно распределенного субмикроскопического осадка в зернах, что достигается обработкой раствором с последующей тщательно контролируемой термообработкой при старении. В отожженном состоянии по границам зерен образуется осадок, а в сверхвысоком состоянии субмикроскопические они становятся крупнее. В обоих случаях прочность сплава меньше, чем в правильно состаренном состоянии.
Ранние алюминиево-медные сплавы содержали около 2–4% меди. Этот состав привел к тому, что Al-alloy были чувствительны к термическому укорачиванию, настолько, что в течение многих лет считались не свариваемыми. Однако увеличение количества меди до 6% и более заметно улучшило свариваемость благодаря большому количеству эвтектики, доступной для заполнения горячих трещин по мере их образования. Предел твердой растворимости меди в алюминии составляет 5,8% при 548 С. В окружающей среде эта медь присутствует в виде насыщенного твердого раствора с частицами алюминида меди упрочняющей фазы CuAl2, внутри зерен в виде мелкого или крупного осадка, или на их границах.
При добавлении магния к алюминиево-медным сплавам повышается прочность после завершения термообработки и закалки. Al-alloy получается с высокой пластичностью, если процесс старения протекает при температуре +18С. При использовании искусственного старения, можно достичь большего роста прочности, в соотношении с пределом текучести, хотя при этом проявляется эффект ее снижения при растяжении.
производство алюминия
Нюансы температуры плавления
Переменчивость Т плавление во многом связана с энергией в электронных связях Al-alloy, поскольку в чистом Al она постоянна. Процесс плавки как чистого Al, так и сплавов начинается с передачи металлу тепла из вне или образование его в толще изделия, например, при индукционном методе нагрева.
Т плавления Al:
- Сверхчистого с 99.990 % – 660.30 С.
- 51 % – 657.1 С.
- 01 % – 643.1 С.
У некоторых Al-alloy содержащих кремний и магний Т начала плавления падает до 500.0 С. Вообще, это теоретически понятие имеет значение только при рассмотрении чистых металлов или других кристаллических веществ. У Al-alloy не может быть определенной Т плавления, поскольку сам процесс плавления/затвердевания протекает в интервале Т. Т начала плавления является точкой солидус (твердый), а окончания – точкой ликвидус (жидкий). Для авиационных сплавов точки ликвидус/ солидус равны соответственно 635/477 С.
Маркировка и состав
Существует много марок авиационных сплавов, но в мире пользуются европейской по стандарту ISO. Современные авиационные конструкции с алюминиевым сплавом имеют маркировку для высокопрочных 2 серии (2024, 2017, 2а12) и сверхпрочных 7 серии (7075, 7475, 7050, 7а04), а также частично 5 (5a06, 5052, 5086) и 6 (6061, 6082) серии. Цена 6 серии на российском рынке колеблется 280-300 руб. за килограмм.
Аэрокосмический алюминий в основном используется для обшивки поверхности крыла, длинного прогона плоскости крыла, края крыла на балках, перемычки, стрингера фюзеляжа, направляющих сидений, балки киля, боковой рамы, обшивки фюзеляжа, нижней стенки.
Твердый алюминий с маркировкой 2024, 2А12, 2017А – алюминиево-магниевые медные сплавы широко используются в авиации поскольку имеют хорошую прочность, ударную вязкость, сопротивление усталости, хорошую пластичность и используются для изготовления крышек, проставок и ребер. Его цена за 1 кг на рынках России варьируется от 190-200 руб./кг.
Сверхтвердый алюминий7075, 7A09 – сплав алюминия, цинка, магния и меди, обычно используемый, с высоким пределом прочности и пределом текучести, большой несущей способностью, для изготовления верхней крышки крыла и балки. На бирже в Москве этот алюминий (цена) реализуется по 280 руб./кг.
Нержавеющий алюминиевый сплав 5А02, 5А06 и 5В05, имеет алюминиево-магниевый состав. Он имеет высокую коррозионную стойкость, усталостную прочность, хорошую пластичность и свариваемость. Сплав реализуется по цене 260 руб. за 1 кг
Применение авиационных алюминиевых сплавов в авиастроении
Экспериментальным данные подтвердили, что применение алюминиевых сплавов в конструкции космического корабля, экономит стоимость запуска примерно 20 000 долл. США на каждый 1 кг потери веса. Если вес истребителя уменьшается на 15%, дальность полета может быть увеличена на 20%, а полезная нагрузка на 30%. Поэтому мир придает большое значение исследованиям и разработкам новых легких конструкционных материалов для аэрокосмической промышленности.
Авиационный алюминиевый сплав широко используется в области авиации и авиакосмической отрасли благодаря своим уникальным преимуществам, таким как малая плотность, умеренная прочность, простота обработки и формовки, антикоррозионная стойкость. Достаточные мировые запасы сырья и повышенная способность к переработке еще больше усиливают аргументацию в пользу применения Al-alloy. Обшивка, балки ребра, проставки и шасси могут быть изготовлены из алюминия, а количество используемого алюминия зависит от марки самолета.
Из-за своей низкой цены Al-сплав широко применяется в гражданских самолетах, которые ориентированы на экономические преимущества. Al-сплав, используемый в самолете Boeing 767, составляет около 81% массы тела. Некоторые авиационные алюминиевые сплавы обладают хорошими криогенными свойствами, могут работать в среде с жидким водородом и кислородом, поэтому они являются идеальными материалами для выпуска жидких ракет, например, топливных баков, баков с окислителем, секций между резервуарами и ступенями.
Сегодня основными материалами из алюминиевого сплава, используемыми в гражданской авиации, являются отливки, поковки, экструзивные профили из алюминиевого сплава большого сечения.
Читайте также: