Современные алюминиевые сплавы, применяемые в аэрокосмическом комплексе

Конкурентоспособность в отечественной авиационной технике во многом определяется качеством применяемых материалов.

Рассмотрим основные этапы развития металлов и сплавов, применяемых в авиационной промышленности.

Хромансиль. Во время Великой Отечественной войны Всероссийский Институт Авиационных Материалов (ВИАМ) создает уникальную по тем временам высококачественную среднелегированную конструкционную сталь 30ХГСА. Сталь, называют «хромансиль» – сокращенное название от легирующих элементов хрома, марганца (Man) и кремния (Sil). Своим появлением сталь 30ХГСА внесла весомую долю в победу над германской авиацией благодаря своим уникальным техническим характеристикам, которые в разы превзошли применяемую до этого хромомолибденовую сталь. Рождение хромансили позволило советским ученым на долгие годы заставить конкурирующие государства бороться только за второе место в области создания авиационных материалов. Указанная сталь превосходила обычные стали в разы по прочности, ударной вязкости и свариваемости. Удачно были подобраны уникальные легирующие элементы, отличающиеся дешевизной: хром повышает твердость, прокаливаемость, устойчивость к коррозии; марганец обогащает сталь устойчивостью к ударным нагрузкам, износостойкости; кремний повышает ударную вязкость и температурный запас вязкости. Таким образом, созданная относительно недорогая сталь, но с уникальными физическими свойствами надолго заняла лидирующее положение в авиационной промышленности. Однако, дефекты, характерные для стали хромансиль (обезуглероживание, строчечная или полосчатая структура и микротрещины) приводят к поиску новых материалов, наиболее востребованных в авиационной промышленности.

Поэтапно создаются и внедряются в отечественное авиастроение конструкционные алюминиевые сплавы, причем упор делается на улучшение следующих их важнейших свойств [1]:

1. Удельной прочности (отношению предела прочности материала к его плотности).
2. Усталостной прочности, или выносливости (способности материала сопротивляться разрушению под действием многократно повторяющейся переменной нагрузки).
3. Технологичности (обрабатываемости материалов высокопроизводительными процессами).
4. Ремонтопригодности (возможности быстро восстанавливать поврежденные части конструкции.

Основным конструкционным материалом для планеров самолетов остаются алюминиевые сплавы.

Рассмотрим новые деформируемые и литейные алюминиевые сплавы, рекомендуемые ВИАМом для применения в конструкциях современных самолетов отечественного производства.

Деформируемые алюминиевые сплавы

Высокопрочные сплавы. В95 -наиболее широко применяемый высокопрочный сплав, который используется в виде катаных и прессованных длинномерных полуфабрикатов для верхних обшивок крыла (плиты, листы), стрингеров, балок, стоек (профили, трубы) и других элементов фюзеляжа и крыла современных самолетов Ту-204, Бе-200, Ил-96, SSI-100 (рис.).

Рис. Обшивка крыла самолета Ту-204

1965-1 – особо прочный сплав. Рекомендуется для применения в сжатых зонах конструкций планера самолетов: для верхних обшивок крыла, стоек и других элементов.

1933 с улучшенными видами термообработки – 1933-Т2/Т3 – основной высокопрочный ковочный сплав, применяемый для внутреннего силового набора (фитингов, шпангоутов, кронштейнов и др.). Сплав 1933 в состояниях Т2 и Т3 по прочностным характеристикам, по вязкости разрушения и по малоцикловой усталости превосходит по превосходит сплавы США (7175 и 7050). Сплав 1933 в состояниях Т2 и Т3 широко применяется в современных самолетах Ан-148, Ту-204, SSI-100, Т-50.

В-1963 – новый ковочный высокопрочный сплав благодаря дополнительному легированию серебром и скандием обладает высокими прочностными характеристиками, вязкостью разрушения и сопротивлением усталости и предназначен для изготовления сильно нагруженных деталей внутреннего набора агрегатов планера самолета (шпангоутов, фитингов, кронштейнов, балок и др.).

Сплавы пониженной плотности, содержащие алюминий и литий. Одна из важнейших задач современного авиастроения – разработка и внедрение сверхлегких высокопрочных сплавов. Речь идет об алюминий-литиевых сплавах, которые в совокупности с внедрением перспективных технологий соединения, включая сварку в твердой фазе, позволят существенно снизить массу конструкций, а, следовательно, и расход топлива. К алюминий-литиевым сплавам второго поколения, разработанным ВИАМом в конце ХХ века, относятся 1420, 1424, 1441, которые широко применяются в самолетах Бе-103, Бе-200, Ту-204, а также в конструкциях некоторых других изделий по настоящее время.

1420 – среднепрочный, устойчивый к коррозии, с высоким модулем упругости, свариваемый сплав пониженной плотности (ρ = 2470 кг/м3) предназначен для использования в конструкции самолетов (сварные герметичные отсеки, окантовки иллюминаторов, компоненты кабины). В силу ряда достоинств сплав широко применялся в клепаных фюзеляжах палубных штурмовиков вертикального взлета ЯК-36 и ЯК-38; в виде штамповок в пассажирском самолете ЯК-42; в сварных топливных баках и сварной кабине пилота истребителя МиГ-29М; в конструкциях самолетов Су-27 и Ту-204, вертолета Ми-26Т [1].

1424 – среднепрочный, устойчивый к коррозии свариваемый сплав пониженной плотности (ρ = 2540 кг/м), с высоким модулем упругости и характеристиками вязкости разрушения. Рекомендуется для сварных и клепаных конструкций самолетов (обшивка и внутренний набор фюзеляжа, сварные элементы конструкций), при этом обеспечивает снижение массы на 10-20% по сравнению с традиционными сплавами 1163, 1933 за счет высокой удельной прочности.

1441 – высокотехнологичный, среднепрочный с высоким модулем упругости сплав пониженной плотности (ρ = 2540 кг/м3) предназначен для получения из него плакированных и не плакированных листов 12 толщиной до 0,3 мм. Рекомендуется для силовых элементов планера (обшивок фюзеляжа, стрингерного набора), работающих в любых климатических условиях (до 130°С). Листы из сплава 1441, как отмечает автор [1] длительно и успешно применяются в конструкциях обшивки гидросамолетов Бе-103 и Бе200 ОАО «ТАНТК им. Г.М. Бериева».

Помимо этого, специалистами института ВИАМ разработаны алюминий-литиевые сплавы третьего поколения В-1461, В-1469, легированные редкоземельными металлами (РЗМ) и обладающие повышенными характеристиками прочности и трещиностойкости при пониженной плотности в сравнении с традиционными алюминиевыми сплавами. Применение новых материалов в совокупности с прогрессивными технологиями сварки позволило не только обеспечить повышенные характеристики устойчивости конструкции, но и значительно снизить ее массу.

В-1461-Т1 – высокопрочный, устойчивый к коррозии, свариваемый сплав пониженной плотности (ρ = 2630 кг/м3) с повышенным модулем упругости рекомендуется для клепанных и сварных конструкций аэрокосмического комплекса (обшивка и силовой набор планера, элементы конструкций). Его применение позволяет обеспечивать снижение массы на 8–15 % и повышать работоспособность конструкций в широком интервале температур.

В-1469-Т1 – высокопрочный, устойчивый к коррозии свариваемый сплав пониженной плотности (ρ = 2670 кг/м3), обладающий технологичностью при литье и обработке давлением. Рекомендуется для элементов, работающих длительно на сжатие в любых климатических условиях (до 150°С) – верхние поверхности крыла, лонжероны, балки, стрингеры. Кроме того, на базе сплава В-1469 реализована концепция гибридной панели крыла с применением слоистых металлополимерных композиционных материалов типа СИАЛ. Испытания показали возможность использования данных конструкций для повышения весовой эффективности при сохранении остальных эксплуатационных характеристик.

Основные марки, технические характеристики высокоресурсных, жаропрочных и криогенных деформируемых алюминиевых сплавов более детально представлены в работах авторов [1, 2].

Литейные алюминиевые сплавы

Алюминиевые сплавы данной группы предназначены для изготовления деталей, обладающих низкой плотностью (ρ = 2500–2600 кг/м3) и высокой удельной прочностью, что позволяет в ряде случаев применять отливки взамен поковок и штамповок. В настоящее время используются алюминиевые сплавы более 15 марок. Среди них наиболее распространенными являются:

ВАЛ12 – высокопрочный сплав системы Al-Zn-Mg-Cu, используется для изготовления деталей с рабочей температурой 250°С (длительно) и 300°С (кратковременно).

ВАЛ14 и ВАЛ18 – жаропрочные сплавы системы Al-Cu-Mn применяется для высоконагруженных деталей, работающих при температурах 300–350°С.

ВАЛ16 – свариваемый, устойчивый к коррозии литейный алюминиевый сплав системы Al-Mg, эксплуатирующийся при температурах от –70°С до +140°С (длительно) и до 150°С (кратковременно).

ВАЛ20 – высокопрочный сплав системы Al-Cu-Mg, предназначенный для отливок сложной конфигурации деталей внутреннего набора (корпуса, качалки, кронштейны), эксплуатирующихся при рабочей температуре +200°С (длительно), +250°С (кратковременно).

Рассмотрим основные способы литья для названных сплавов:

• ВАЛ12- кокиль, жидкая штамповка;
• ВАЛ14, ВАЛ 18, ВАЛ20 -песчаные формы;
• ВАЛ16-кокиль.

В настоящее время одно из лидирующих положений среди литейных алюминиевых сплавов, применяемых в авиационном металловедении, занимает высокопрочный высокотехнологичный сплав системы Al-Si-Cu-Mg – АЛ4МС (медистый силумин со скандием). Сплав применим для отливки деталей любыми способами, в том числе прогрессивным способом литья по газифицируемым и выжигаемым моделям. АЛ4МС практически не склонен к образованию трещин, его рабочая температура 250°С.

Наряду с этим, следует отметить широкое внедрение магниевых, титановых сплавов (как литейных, так и деформируемых) в современное авиационное металловедение.

Таким образом, в работе представлены основные этапы развития металлов и сплавов, применяемых в авиационной промышленности и дан анализ современных алюминиевых сплавов, наиболее широко используемых в авиастроении.

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.