Какие свойства алюминия позволяют использовать его в самолетостроении
Помимо мощных двигателей, самолету нужен планер из прочного и легкого материала, как алюминий. Несмотря на высокую конкуренцию, этот металл никому не уступает свой статус «крылатого», и остается основным и самым надежным конструкционным материалом в авиационной технике. Сегодня потребление алюминия в мировой авиакосмической промышленности превышает 550 000 тонн. И эти показатели будут улучшаться за счет роста производства различных аэрокосмических технологий. К 2025 году потребление алюминиевых полуфабрикатов достигнет 400 000 тонн или около 650 000 тонн в первичном сегменте. В современных самолетах практически нет элементов или систем, в которых не используются различные алюминиевые сплавы. Например, топливные баки, колеса самолета, гидравлические и масляные трубопроводы, топливная система, бортовая кабельная сеть, системы терморегулирования, сиденья самолета, различные элементы интерьера и многое другое. Силовой набор планера и крыла состоит из алюминиевого каркаса, стрингеров, нервюр и лонжеронов, покрытия, различных элементов обшивки и конечно же заклепок, которых в самолете несколько сотен тысяч штук. Именно алюминиевые конструкции несут на себе все нагрузки и служат защитой пассажиров от внешней среды во время полетов. Почему алюминий? Крупнейшие мировые производители самолетов предпочитают алюминий за его уникальные свойства. Он в 3 раза легче стали и намного дешевле титана. Скорость механической обработки алюминиевых сплавов гораздо выше, чем у стальных аналогов (в 4-6 раз), а листовые материалы из алюминиевых сплавов на порядок дешевле углекомпозитов. При введении в алюминий около 4% меди и 1,5% магния вместе с термообработкой позволяет повысить прочность чистого алюминия в 10 раз. Кроме того, изделия из алюминия легко перерабатываются и подвергаются глубокой переработке. Новые конкурентоспособные алюминиевые решения повышают рентабельность полетов, экономическую эффективность. «Сегодня гражданская авиация, которая потребляет большую часть алюминия, является коммерческим продуктом, и самолет, как и автомобиль, имеет свои расходы на техническое обслуживание, удельный расход топлива и другие потребительские качества. Самолеты малой и средней дальности с алюминиевыми характеристиками конкурентоспособны и быстро окупаются», -отметил Дмитрий Рябов, научный директор ИЛМиТ. Алюминий против композитов и титана Основными конкурентами алюминия в авиационной промышленности являются полимерные композиционные материалы, сделавшие рывок вперед в прочности и надежности. Но алюминий дешевле авиационных композитов, его ремонтопригодность значительно выше, а его поведение известно конструкторам и технологам. «В будущем алюминий сохранит свои позиции в авиации. Да, сейчас появляются самолеты с композитным крылом или фюзеляжем, но даже в таких решениях есть алюминиевые конструкции. Для массового использования композитов необходимо решить ряд важных задач, начиная от формирования окончательных подходов к проектированию и заканчивая вопросами повышения молниестойкости, поэтому на самолетах с алюминиевыми деталями мы будем летать еще долго», — пояснил Дмитрий Рябов. Что касается титана, то его сравнение с алюминием некорректно. «Титан весит на две трети больше алюминия. Титан — переходный металл, характеризующийся высокой прочностью и высокой температурой плавления. И это намного дороже», — сообщил эксперт Алюминиевой Ассоциации, Святослав Пантелеев. База для планера Основные системы сплавов для аэрокосмических материалов были определены давно и могут быть разделены на две группы: • дюрали — сплавы на основе системы Al-CuMg • высокопрочные сплавы на основе системы Al-Zn-Mg-Cu Первая группа способна сопротивляться разрушению в условиях знакопеременных нагрузок с нанесенным концентратором. Высокопрочные сплавы из второй группы обладают значительной прочностью (может превышать 600 МПа) и высокой вязкостью разрушения. В совокупности эти материалы составляют основу планера самолета и состоят внешние и внутренние детали фюзеляжа и крыла. Обе группы сплавов используются в самолетах на протяжении десятилетий. С развитием алюминиевой металлургии их состав был оптимизирован, материалы стали чище по содержанию железа и кремния — основных примесей. Также были разработаны специальные режимы термомеханической обработки, демонстрирующие их наилучшие рабочие характеристики. Есть материалы «попроще» — магналия (сплавы Al-Mg) и авиали (сплавы Al-Mg-Si). Однако их использование ограничивается неответственными деталями и элементами интерьера. Как это сделано Технологии обработки алюминия для производства компонентов самолетов включают литье, штамповку, механическую обработку, сварку, пайку, волочение и резку. В основном самолет изготавливается из листов, которые используются для покрытия плит и прессованных профилей для силовой передачи и различных вафельных панелей, а также для поковок и штамповки. Конечно, есть специфика. К примеру, к листам обшивки предъявляются особые требования по чистоте отделки и качеству проката: чем меньше дефектов поверхности, тем лучше аэродинамика самолета. Существуют отдельные отраслевые стандарты и спецификации для авиационной продукции. В некоторых полуфабрикатах необходимо определять вязкость разрушения, характеристики удельной электропроводности и даже размер зерна. Все это для обеспечения бесперебойной работы самолета. Металлопродукция с 3D-печатью уже успешно применяется в двигателестроении. Это открывает путь к использованию алюминиевых печатных деталей в воздушных судах. Аддитивные технологии позволяют использовать необычные алюминиевые материалы, которые невозможно получить с помощью традиционных технологий обработки. «Институт легких материалов и технологий создал целую линейку порошков, которые после печати демонстрируют впечатляющие прочностные характеристики, которые ранее были недоступны при печати стандартным сплавом, таким как AlSi10Mg. Это не только высокая прочность, но и повышенные рабочие температуры. Печать в сочетании с новыми материалами и специальными конструкторскими технологиями для 3D-принтеров сделает конструкцию воздушного судна еще более совершенной », — говорит Дмитрий Рябов. Помимо традиционных сплавов, ИЛМиТ также разработал легированные скандием материалы для 3D-печати, которые после печати и отжига демонстрируют прочность на уровне высокопрочных аналогов, что до сих пор недостижимо для литейных сплавов. Создание и внедрение новых материалов расширит использование алюминия в авиационной промышленности. Исследователи и разработчики совершают новые открытия в сплавах, технологиях деформации и термообработки. Здесь стоит упомянуть алюминий-литиевые сплавы. Хотя положительное влияние лития на алюминий было обнаружено давно, новые составы материалов регистрируются и сегодня. Такие материалы обладают высокой прочностью, которая не уступает лучшим высокопрочным сплавам Al-Zn-Mg-Cu, но при этом имеют пониженную (на 5-10%) плотность и повышенный модуль упругости, что сказывается на жесткости конструкции. Если все листы в облицовке заменить листами из алюминий-литиевых сплавов одинаковой толщины, вес обшивки снизится на 7%. Главным недостатком таких конструкций является цена, но алюминий-литиевые сплавы все же используются в современных самолетах. Также весьма перспективны скандийсодержащие сплавы системы Al-Mg-Sc. Они не могут иметь прочностных свойств на уровне алюминий-литиевых сплавов, но по прочности сравнимы с дюралями. Они не требуют упрочняющей термической обработки и чрезвычайно устойчивы к коррозии. Но самое главное — они сварные, что дает возможность отказаться от клепаных конструкций в пользу сварных. Опыт производителей самолетов Airbus показал, что использование этих материалов в сочетании с лазерной сваркой позволяет снизить вес обшивочных панелей на 15% без потери производительности и эксплуатационных характеристик. Были разработаны сплавы с пониженным содержанием скандия, что обеспечивает полуфабрикатам конкурентоспособную цену. Скандий в алюминии не будет эксклюзивной добавкой в будущем и сможет конкурировать с другими материалами. Подводя итог, можно сказать, что у алюминия есть большой исследовательский потенциал, чтобы не только гордо носить титул «крылатый» металл, но и продолжать служить людям искусственными крыльями, чтобы они могли оказаться на другом континенте за считанные часы.
Видео дня. Заплевавших Вечный огонь азербайджанцев заставили извиниться
Источник
Развитие авиационной техники, ее эксплуатация, обслуживание и ремонт, связанные с применением новых и весьма разнообразных материалов, изделий, рабочих жидкостей, сжиженных газов и других веществ. Современная реактивная техника характеризуется большими скоростями, большими расстояниями полетов, работает в условиях высокого давления, высоких и низких температур, глубокого вакуума и т.д. Требует создания новых металлических сплавов, в том числе и жаропрочных, что имеют высокие физико-механические свойства и в полной мере соответствуют современным условиям эксплуатации.
При выборе металлов для авиастроения необходимо учитывать все требования к их механическим, физическим и химическим свойствам. Например, крыло самолета должно быть легким и прочным, валы и подшипники не должны изнашиваться, лопатки турбин – не деформироваться и не окисляться под действием центробежных сил. Многие металлы и сплавов, которые широко используются в авиации, а не выдерживают глубокого вакуума и уже при обычных температурах они или сублимируют, или начинают «терять» свои собственные атомы и изменять физико-механические свойства [1]. Кроме того стенки космического аппарата бомбардируются космическими частицами, летящими с большой скоростью и подвергаются космической радиации.
Выбор металла для изготовления авиационной техники зависит от условия работы, поэтому требования к таким материалам зависят от характера нагрузок, температуры, условий их работы, рабочей среды и т.д.
Важной характеристикой металла при его применении в самолетостроении является его плотность, которая служит для оценки пригодности материала для полета. Чем меньше плотность материалов, применяемых в конструкции самолета, тем больше пассажиров и груза можно перевезти на нем, не увеличивая использование топлива.
Основным направлением в создании авиационных материалов является получение композиций, способных надежно работать в условиях высоких температур (1200-1800°С). Вследствие этого, критерием оценки и выбора металлов часто служит изменение удельной прочности при повышении температуры.
Важное значение при выборе материала имеют прочностные характеристики – предел прочности, предел текучести, предел усталости, модуль нормальной упругости. Поэтому при изготовлении деталей предпочтение отдается материалам, имеющим большую прочность.
Материалы, которые используются в авиации должны иметь высокие показатели жаропрочности.
Так, например, при 500-600єС прочность углеродистой стали снижается в два раза, а при 1000єС – примерно в 10 раз по сравнению со значениями при комнатной температуре. Поэтому нужно выбирать материалы, в которых мало снижение показателей прочности при повышенных температурах.
В настоящее время для изготовления космической техники используют металлы, металлические сплавы, неметаллические и композиционные материалы.
Наиболее широкое применение в этой области получили такие металлы как титан, бериллий, алюминий, магний, рений, тантал и ниобий, а также различные металлические сплавы на их основе.
Алюминий является одним из важнейших авиационных металлов, поскольку алюминиевые сплавы определяются удачным сочетанием свойств: небольшой плотностью (2500-2900 кг / м3), высокой прочностью (до 500-600 МПа), коррозионной стойкостью, технологичностью при литье, обработке давлением, сварке и обработке резанием. Благодаря высокой ударной прочности, начиная с 20-х годов, алюминиевые сплавы являются важнейшим конструкционным материалом в самолетостроении. Так, например, из сплава АЛ4 выливают крупные детали, которые выдерживают высокие нагрузки: корпуса компрессоров, картеры и блоки цилиндров двигателей внутреннего сгорания. Из сплава АЛ9, который имеет лучшие литейные свойства, изготавливают сложные детали средней нагрузки. Сплав АЛ19 имеет высокие механические свойства, как при низких температурах, так и при нагреве до 300°С, а одним из самых прочных и пластичных сплавов является алюминиево-магниевый сплав АЛ8, который называется альтмаг или магналия.
Магний химически очень активный металл. С магниевыми сплавов уже изготавливают многие детали современных самолетов, в том числе и детали двигателей [2]. Интерес к магнию вполне понятен: магний в 1,5 раза легче алюминия в 2,5 раза за титан, в 4,5 стали. Удельная прочность магниевых сплавов выше, чем алюминиевых сплавов и сталей. Из таких сплавов можно отливать детали, они почти не потребует последующей механической обработки. Эти детали поэтому и дешевле, чем из алюминия, хотя сам магний дороже.
Характерной особенностью магния является малая плотность (1,74 г / см3). Температура плавления – 650 ° С. Теплопроводность магния значительно меньше по сравнению с алюминием, а коэффициент линейного расширение почти одинаков. Но одним из существенных недостатков магния является его низкая коррозионная устойчивость на воздухе (особенно влажном), а также в воде. Если оценить все металлы с точки зрения коррозионной стойкости, то рения по праву должно быть предоставлено одно из самых почетных мест. Жаропрочные сплавы – одно из важнейших направлений использования рения. Сплавы рения с другими тугоплавкими металлами (вольфрамом, молибденом, танталом), жаропрочные и тугоплавкие, отличаются пластичностью. Их используют в авиа и космической технике (детали термоионных двигателей, части ракет, лопатки газовых двигателей) [2]. Конечно рений встречается в сплавах в качестве примеси. Производство жаропрочных сплавов является одной очень важной областью применение тантала и ниобия, которые входят в состав различных жаропрочных сплавов для газовых турбин реактивных двигателей. Так, детали из ниобия и сплавов на его основе можно использовать при рабочих температурах 1000… 1200єС при условии защиты от окисления покрытиями, а также при работе в вакууме или инертных газах. Отличительной жаропрочностью, теплопроводностью, большой теплоемкостью характеризуется бериллий. Этот один из самых легких металлов плавится при более высокой температуре, чем магний и алюминий. Поэтому такое удачное сочетание свойств делает бериллий одним из основных космических материалов [3]. Ведь из всех металлов бериллий имеет теплоемкость, которая раза больше, чем у стали и в восемь раз чем у титана. Применение бериллия в ракетных двигателях позволило увеличить мощность примерно вдвое и значительно снизить вес двигателя. И серьезным недостатком бериллия является его высокая стоимость, токсичность, низкая пластичность и технологичность. Одним из наиболее устойчивых в космическом вакууме является титан и его сплавы.
Итак, на примере рассмотренных металлов, можно сказать, что металлы для самолетостроения должны:
* иметь высокую прочность, высокую удельную прочность и достаточную пластичность;
* иметь высокую химическую стойкость в атмосферных условиях;
* изготавливаться в виде листового материала;
* обеспечивать простоту и дешевизну сбора элементов каркасной группы и при необходимости ремонт.
Таким образом, правильное применение материала способствуют повышению уровня технической эксплуатации и увеличению времени работы и надежности авиационной техники.
Источник
Благодаря легкости, пластичности и стойкости к коррозии алюминий стал незаменимым материалом во многих производствах. Авиационный алюминий – группа сплавов, отличающихся повышенной прочностью с включением магния, кремния, меди и марганца. Дополнительную прочность сплаву придают при помощи т. н. «эффекта старения» – особого метода закалки под воздействием в течение длительного времени агрессивной атмосферной среды. Сплав был изобретен в начале 20 века, получив название дюралюминий, сейчас известен также под названием «авиаль».
Определение. Исторический экскурс
Началом истории авиационных алюминиевых сплавов считается 1909 год. Немецкий инженер-металлург Альфред Вильм опытным путем установил, если сплав алюминия с незначительным добавлением меди, марганца и магния после закалки при температуре 500 °C и резкого охлаждения выдержать при температуре 20-25 градусов в течение 4-5 суток, он поэтапно становится тверже и прочнее, не теряя при этом пластичности. Процедура получила название «старение» или «возмужание». В процессе такой закалки атомы меди заполняют множество мельчайших зон на границах зерен. Диаметр атома меди меньше, чем у алюминия, потому появляется напряжение сжатия, вследствие чего повышается прочность материала.
Впервые сплав был освоен на немецких заводах Dürener Metallwerken и получил торговую марку Dural, откуда и произошло название «дуралюмин». Впоследствии, американские металловеды Р. Арчер и В. Джафрис усовершенствовали состав, изменив процентное соотношение, в основном магния. Новый сплав получил название 2024, который в различных модификациях широко применяется и сейчас, а все семейство сплавов – «Авиаль». Название «авиационный алюминий» этот сплав получил практически сразу после открытия, поскольку полностью заменил дерево и метал в конструкциях летательных аппаратов.
Основные виды и характеристики
Выделяют три основных группы:
- Семейства алюминий-марганец (Al-Mn) и алюминий-магний (Al-Mg). Основная характеристика – высокая, едва уступающая чистому алюминию коррозийная стойкость. Такие сплавы хорошо поддаются пайке и сварке, но плохо режутся. Не упрочняются термической обработкой.
- Коррозионно-стойкие сплавы системы алюминий-магний-кремний (Al-Mg-Si). Упрочняются термической обработкой, а именно закалкой при температуре 520 °C с последующим резким охлаждением воде и естественным старением около 10 суток. Отличительная характеристика материалов этой группы – высокая коррозионная стойкость при эксплуатации в обычных условиях и под напряжением.
- Конструкционные сплавы алюминий-медь-магний (Al-Cu-Mg). Их основа – легированный медью, марганцем и магнием алюминий. Изменяя пропорции легирующих элементов, получают авиационный алюминий, характеристики которого могут отличаться.
Материалы последней группы обладают хорошими механическими свойствами, но при этом весьма подвержены коррозии, чем первое и второе семейство сплавов. Степень подверженности коррозии зависит от вида обработки поверхности, которую все равно необходимо защищать лакокрасочным покрытием или анодированием. Коррозионная стойкость частично увеличивается введением в состав сплава марганца.
Помимо трех основных видов сплавов различают также ковочные сплавы, жаропрочные, высокопрочные конструкционные и др. обладающие необходимыми для конкретной сферы применения свойствами.
Маркировка авиационных сплавов
В международных стандартах первая цифра маркировки авиационного алюминия обозначает основные легирующие элементы сплава:
- 1000 – чистый алюминий.
- 2000 – дюралюмины, сплавы легированные медью. В определенный период – самый распространенный аэрокосмический сплав. В связи с высокой чувствительностью к коррозийному растрескиванию все чаще заменяются сплавами серии 7000.
- 3000 – легирующий элемент – марганец.
- 4000 – легирующий элемент – кремний. Сплавы известны также как силумины.
- 5000 – легирующий элемент – магний.
- 6000 – самые пластичные сплавы. Легирующие элементы – магний и кремний. Могут подвергаться термозакалке для повышения прочности, но по этому параметру уступают сериям 2000 и 7000.
- 7000 – термически закаленные сплавы, самый прочный авиационный алюминий. Основные легирующие элементы – цинк и магний.
Вторая цифра маркировки – порядковый номер модификации алюминиевого сплава после исходного – цифра «0». Две заключительные цифры – номер самого сплава, информация о его чистоте по примесям. В случае если сплав опытный, к маркировке добавляется пятый знак «Х».
На сегодняшний день, самые распространенные марки авиационного алюминия: 1100, 2014, 2017, 3003, 2024, 2219, 2025, 5052, 5056. Отличительными особенностями этих сплавов являются: легкость, пластичность, хорошая прочность, стойкость к трению, коррозии и высоким нагрузкам. В авиастроении наиболее широко используемые сплавы – авиационный алюминий 6061 и 7075.
Состав
Основными легирующими элементами авиационного алюминия являются: медь, магний, кремний, марганец, цинк. Процентное содержание этих элементов по массе в сплаве определяют такие характеристики, как прочность, гибкость, стойкость к механическим воздействиям и др. Основа сплава – алюминий, основные легирующие элементы: медь (2,2-5,2% массы), магний (0,2-2,7%) и марганец (0,2-1%).
Семейство авиационных сплавов алюминия с кремнием (4-13% массы) с незначительным содержанием других легирующих элементов – медь, марганец, магний, цинк, титан, бериллий. Используется для изготовления сложных деталей, известный также как силумин или литейный алюминиевый сплав. Семейство сплавов алюминий-магний (1-13% массы) с другими элементами обладают высокой пластичностью и коррозионной стойкостью.
Роль меди в составе авиационного алюминия
Присутствие меди в составе авиационного сплава способствует его упрочнению, но в то же время плохо влияет на его коррозионную стойкость. Выпадая по границам зерен, в процессе закалки, медь делает сплав подверженным точечной коррозии, коррозии под напряжением и межзеренной коррозии. Зоны богатые медью более гальванически катодные, чем алюминиевая матрица вокруг, а потому более уязвимы для коррозии, происходящей по гальваническому механизму. Увеличение содержания меди в массе сплава до 12% повышает прочностные свойства за счет дисперсного упрочнения в процессе старения. При содержании меди в составе свыше 12% сплав делается хрупким.
Сферы применения
Алюминиевые сплавы являются наиболее востребованным металлом по продаже. Легкий вес авиационного алюминия, прочность делают этот сплав хорошим выбором для многих производств от самолетов до предметов быта (мобильные телефоны, наушники, фонарики). Алюминиевые сплавы применяются в судостроении, автомобилестроении, строительстве, производстве ж/д транспорта, в атомной промышленности.
Широко востребованы сплавы с умеренным содержанием меди (2014, 2024 др.). Профили из этих сплавов имеют высокую коррозийную стойкость, хорошую обрабатываемость, точечную свариваемость. Из них изготавливают ответственные конструкции самолетов, большегрузных автомобилей, военной техники.
Особенности соединения авиационного алюминия
Сварка авиационных сплавов осуществляется исключительно в защитной среде инертных газов. Преимущественными газами являются: гелий, аргон или их смесь. Более высокой теплопроводностью обладает гелий. Это определяет более благоприятные температурные показатели сварочной среды, что позволяет достаточно комфортно соединять толстостенные элементы конструкций. Использование смеси защитных газов способствует более полному газоотводу. При этом вероятность образования пор в сварном шве значительно уменьшается.
Применение в авиастроении
Авиационные алюминиевые сплавы изначально специально создавались для строительства авиационной техники. Из них изготавливают корпуса летательных аппаратов, детали двигателей, шасси, топливные баки, крепежные устройства и др. Детали из авиационного алюминия используются в интерьере салона.
Алюминиевые сплавы серии 2ххх используют для производства деталей, подвергающихся воздействию высоких температур. Детали малонагруженных узлов, топливных, гидро- и маслосистем изготавливают из сплавов 3ххх, 5ххх и 6ххх. Наиболее широкое применение в авиастроении получил сплав 7075. Из него изготавливаются элементы для работы при значительной нагрузке, низких температурах с высокой стойкостью к коррозии. Основой сплава является алюминий, а основными легирующими элементами: магний, цинк и медь. Из него изготавливают силовые профили конструкций самолетов, элементы обшивки.
Источник