Какое свойство алюминия используют 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. Пэрис Хилтон впервые станет матерью с помощью ЭКО
Источник
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.
Легкий, прочный и гибкий, авиационный алюминий стал идеальным материалом для выпуска самолетов, иногда его называют «крылатый металлом».Al-alloy составляют 75-81% современного самолета. Он был фактически впервые использован в авиации до изобретения самолета. Граф Фердинанд Цеппелин изготавливал рамы для дирижаблей из алюминия.
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.
Самолеты собирались из Al листов, которые соединялись заклепками. Количество их в большом самолете достигает миллионов штук. Некоторые модели используют прессованные панели вместо листов, например, крыло крупнейшего в мире грузового самолета Ан-124-100 «Руслан», способного перевозить до 120 тонн груза, состоит из восьми прессованных алюминиевых панелей шириной 9 метров каждая. Крыло спроектировано таким образом, что оно будет продолжать выполнять свои функции, даже если панели повреждены.
Корабль “Восток-1”
Авиационный сплав используются в корпусе космических кораблей. В 1957 в Советском Союзе был запущен первый спутник из алюминиевого сплава. В 1961 год запущена капсула «Восток-1» в виде сферы из алюминиевого сплава, в которой советский космонавт Юрий Гагарин перемещался по орбите Земли. Сегодня сплав используется водородных ракетных баках, в наконечниках ракет. Детали ракет-носителей и орбитальных станций, а также узлы крепления солнечных батарей — все эти элементы изготовлены из Al-alloy. Даже твердотопливные ракетные ускорители сделаны из алюминия. Они используются на первой стадии космического полета и состоят из Al-alloy порошка, окислителя, такого как перхлорат аммония, и связующего вещества.
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
В алюминиевых сплавах кремния образуют двоичную эвтектику на 11,7% кремнии с температурой плавления 577 С. Там нет интерметаллических соединений. Железо, даже в небольших количествах, может серьезно ухудшить ударную вязкость, поэтому для уменьшения этого эффекта добавляют марганец. В этом случае «крылатый металл» обладает очень высокой текучестью и широко используется для литья, часто, будучи легированной магнием, чтобы обеспечить некоторую степень отверждения при осадке, и, улучшить свойства при высоких температурах.
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.
Источник