Современные магниевые и титановые сплавы, применяемые в авиастроении

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-Т6, ВМЛ24-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.