научный журнал «Актуальные исследования» #16 (95), май '22

Современные магниевые и титановые сплавы, применяемые в авиастроении

В статье рассматриваются основные виды магниевых и титановых сплавов, используемые в аэрокосмическом комплексе. Анализируются их технические свойства, химический состав, конкретная область применения.

Аннотация статьи
применение
деформируемые магниевые сплавы
литейные магниевые сплавы
деформируемые титановые сплавы
литейные титановые сплавы
Ключевые слова

Основной конструкционный материал, используемый в аэрокосмическом комплексе – алюминий и его сплавы. Весьма успешно и длительно в авиации применяются такие алюминиевые сплавы как Д16, АК6, АМГ6, АЛ9, В95 и др. В настоящее время в научных лабораториях России постоянно проводится работа по созданию новых алюминиевых сплавов. Анализ современных деформируемых и литейных алюминиевых сплавов, рекомендованных ВИАМом для применения в конструкциях современных самолетов отечественного производства приводится в нашей работе [1].

Значительные успехи в последнее время, как отмечают авторы [2] достигнуты в направлениях улучшения свойств и других типов авиационных конструкционных материалов, а именно магниевых и титановых сплавов.

Деформируемые магниевые сплавы

Названные сплавы делятся на 3 основные группы. Кратко рассмотрим представителей каждой из них.

Сплавы средней прочности. Наиболее популярные сплавы данной группы – МА20 и МА20СП. Отличительная особенность указанных сплавов – повышенная пластичность и технологичность. Наряду с этим, сплавы хорошо свариваются аргонодуговой электрической сваркой и контактной электросваркой, не склонны к коррозионному растрескиванию, обладают удовлетворительной коррозионной стойкостью. Сплав МА20СП служит для получения деталей сложной конфигурации методом сверхпластичной деформации, к которым можно отнести детали приборных панелей, декоративные детали, спинки и подлокотники пассажирских кресел (рис.1).

Рис. 1. Спинки и подлокотники пассажирских кресел, изготовленные из сплава МА20СП

Высокопрочные сплавы - МА14, МА15, МА22. Сплав МА14 предназначен для изготовления деталей, длительно эксплуатирующихся при температуре до 125°С. Необходимо отметить, что сплав нашел широкое применение в конструкциях не только гражданских, но и военных самолетов, таких как Су-27, Су-30, МиГ-29 и др. Указанный сплав служит для изготовления различных деталей систем управления (качалки, кронштейны, рычаги и пр.), а также и деталей внутреннего набора из плит, профилей, штамповок и т.д.

Отличительная особенность сплава МА15 состоит в том, что все полуфабрикаты из него получают методом штамповки.

Детали, изготавливаемые из сплава МА22 могут длительно (до 100 часов) эксплуатироваться уже при температуре до 200°С.

Сплавы пониженной плотности. Типовые представители МА18, МА21. Известно, что плотность обычных магниевых сплавов составляет 1780-1820 кг/м3. Для снижения плотности эти сплавы наряду с другими легированными элементами содержат литий в количестве до 10,5 % (по массе), при этом плотность сплавов указанной группы понижается и составляет 1500–1600 кг/м3.

Сплав МА18 отличается высокой пластичностью как при комнатной, так и при криогенной температурах, повышенным модулем упругости и высокой удельной жесткостью. Из сплава изготавливают все виды полуфабрикатов, свариваемых аргонодуговой электрической сваркой. Для указанного сплава характерна удовлетворительная коррозионная стойкость.

Сплав МА21 предназначен для изготовления деталей, работающих в диапазоне температур ±60°С, когда требуется высокая жесткость и повышенная прочность при сжатии.

Литейные магниевые сплавы

Литейные магниевые сплавы используются для отливки различных изделий благодаря их жидкотекучести и повышенной пластичности. Их приготавливают в различных видах плавильных печей. Для предотвращения горения при плавке используются специальные флюсы и присадки. Отливки получаются путем литья в песчаные, гипсовые и оболочковые формы Указанные сплавы также подразделяются на 3 основные группы.

Высокопрочные сплавы. Типичные представители – сплавы ВМЛ20-Т6ВМЛ24-Т6.

Так, сплав ВМ20-Т6 отличается повышенной коррозионной стойкостью, активно вытесняет традиционные литейные магниевые сплавы МЛ5, МЛ8, МЛ12, используемые для изготовления деталей узлов агрегатов самолетов и двигателей (корпуса насосов, картеры, редукторы, вентиляторы).

Сплав ВМЛ24-Т6 рекомендуется для изготовления литых нагруженных деталей самолетов, вертолетов, двигателей (например, авиационных колес (рис.2), кронштейнов, ферм, рам и др.).

Рис. 2 Авиационные колеса из магниевого сплава

Коррозионностойкие сплавы. Сплавы этой группы предназначены для эксплуатации изделий в условиях нагрева: длительный режим – до 150°С, кратковременный режим – до 175°С. Типичные представители сплав МЛ5п.ч. и сплав, выплавляемый по специальной технологии, разработанной в ВИАМе – ВМЛ 18-Т4, который превосходит по коррозионной стойкости и чистоте все существующие магниевые сплавы и предназначен для работы во всех климатических условиях. Сплав системы Mg–Al–Zn ВМЛ 18, обработанный по режиму Т4 рекомендуется для изготовления деталей внутреннего набора планера самолетов и вертолетов, приборных рам, деталей кабин пилотов, систем управления, трансмиссий.

Жаропрочные сплавы. Эту группу представляют МЛ9-Т6, МЛ10-Т6 и МЛ19-Т6. Указанные сплавы предназначены для изготовления деталей самолетов, вертолетов, двигателей, приборов, маслоагрегатов, редукторов и других агрегатов, работающих при повышенной температуре (до 300°С). Для всех сплавов характерны хорошие литейные свойства, которые позволяют изготавливать из них сложные крупногабаритные отливки, мало склонные к образованию микрорыхлот, имеющие повышенную герметичность, устойчивое постоянство размеров выплавляемых деталей. Жаропрочный сплав МЛ10, отличающийся повышенным уровнем механических свойств, находит наиболее широкое применение.

Титановые сплавы

Титановые сплавы обладают уникальными свойствами -высокой прочностью, хорошей пластичностью, небольшой плотностью, высокой удельной прочностью как при температуре 20–25°С, так и при криогенных температурах, хорошей коррозионной стойкостью, жаропрочностью- за счет чего они занимают оно из лидирующих позиций в авиастроении. Основное достоинство титановых сплавов по сравнению с алюминиевыми и магниевыми сплавами- более высокая прочность и жаропрочность при достаточно хорошей пластичности и более высокая коррозионная стойкость.

Деформируемые титановые сплавы

Названные сплавы делятся на 2 основные группы.

Конструкционные сплавы нормальной прочности. Представители - сплавы ВТ20, ВТ23, ВТ18ч, ВТ38, ВТ43.

Наиболее широко применяемый титановый сплав как в конструкции планера самолетов, так и для изготовления деталей газотурбинных двигателей – ВТ20. Например, в конструкции планера самолета Су-35 из этого сплава изготовлено значительное количество деталей и сварных узлов фюзеляжа, крыла и киля.

Сплав ВТ23 – сплав широкого применения, за счет хороших характеристик свариваемости используется в монолитных, сварных и паяных конструкциях самолетов, ракет и космических летательных аппаратов. Сплав ВТ23 используется в конструкциях самолетов Ан-158, Су-29, Су-31М.

Сплав ВТ18ч – листовой конструкционный сплав высокотемпературного применения. Предназначен для изготовления обшивок самолетов, ракет и в конструкциях двигателей, т.е. деталей, эксплуатирующихся при температуре до 600°С.

Сплав ВТ38 – новый жаропрочный, жаростойкий пониженной окисляемости. Применяется для изготовления обшивок самолетов, ракет и в конструкциях двигателей с рабочей температурой до 650°С.

Сплав ВТ43 – свариваемый сплав широкого применения. Используется в монолитных, сварных и паяных конструкциях самолетов и ракет.

Высокопрочные конструкционные сплавы. Типичные представители - титановые сплавы ВТ22, ВТ22М, ВТ22И применяются для изготовления деталей и узлов ответственного назначения: сварные конструкции, турбины, штампованные узлы, высоконагруженные детали и конструкции. Указанные сплавы длительно работают при температуре до 400°С и кратковременно до 750°С.

Сплав ВТ22 – свариваемый титановый сплав, для которого характерна высокая прокаливаемость. Указанный сплав широко применяется в отечественных самолетах Ил-76, Ил- 86, Ил- 96, Ан-72, Ан-124, Ан-224, Ан-148, Як-42, Бе-200, Ту-204, МиГ-29, Т-50 для изготовления крупногабаритных деталей внутреннего силового набора ( например, балок, лонжеронов, шпангоутов, нервюр, рельсов закрылков и предкрылков), а также для изготовления крупногабаритных силовых деталей и узлов шасси, в том числе сварных (траверс, балок основных шасси, тормозных рычагов).

ВТ22М наиболее усовершенствованный свариваемый сплав, перспективен для изготовления не только крупногабаритных деталей внутреннего силового набора, но и крупногабаритных силовых деталей и узлов шасси.

Сплав ВТ22И – высокотехнологичный сплав служит для получения точных штамповок методом изотермического деформирования в условиях сверхпластичности, обеспечивающей изготовление термостойких деталей сложной конфигурации (панелей, крышек люков, кронштейнов и др.). При этом сохраняется однородная мелкозернистая структура и высокий уровень механических свойств.

Литейные титановые сплавы. Представители этой группы – сплавы ВТ1Л, ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ20Л, ВТ40 отличаются малой склонностью к образованию горячих трещин, линейной усадкой – 1 %, объемной усадкой – 3 %. Литейные сплавы обладают более низкими механическими свойствами, чем соответствующие деформируемые. Следует отметить, что как отмечают авторы [2] упрочняемая термообработка не применяется, так как резко снижает пластичность сплавов.

Сплавы ВТ1Л, ВТ5Л достаточно широко используются для изготовления высоконагруженных деталей ответственного назначения (литых корпусов, турбин, крыльчаток и т.д.).

Термоупрочняемый сплав ВТ6Л за счет закалки и последующего старения имеет высокие механические характеристики и рекомендуется для изготовления деталей, работающих до температуры 400°С.

Сплав ВТ20Л находит применение при производстве турбин, литых корпусов.

Сплав ВТ40Л отличается повышенной прочностью, а также высоким пределом выносливости. Используется в агрегатах планера самолетов и в двигателях для изготовления различных высокоресурных деталей и успешно вытесняет серийные сплавы более старого поколения ВТ6Л и ВТ20Л.

Таким образом, в работе дана краткая характеристика современных магниевых и титановых сплавов, наиболее широко применяемых в авиационной промышленности.

Работа выполняется в рамках биржевого проекта «Разработка технологии лазерной обработки для получения изделий с высокими механическими свойствами», реализуемого на базе кафедры «Металловедения, порошковой металлургии, наноматериалов» Самарского государственного технического университета.

Текст статьи
  1. Современные алюминиевые сплавы, применяемые в аэрокосмическом комплексе АПНИ, Сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции г.Белгород, 29 ноября 2019 г., С. 138-142.
  2. Современные авиационные конструкционные сплавы: учеб. пособие / В.Н. Климов, Д.М. Козлов. – Самара: Изд-во Самарского университета, 2017. – 40 с.
Список литературы