Какое свойство алюминия используют в самолетостроении
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
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
Данная тема для статьи была взята на рассмотрение, поскольку Самара один из городов, в котором развито авиастроение. В городе выпускают самолеты ТУ-154, аэродромное оборудование, авиационные детали. Авиакор – авиационный завод, основной продукцией которого являются пассажирские самолеты (ТУ-154М и АН-140-100). Основные его потребители – это гражданская и военная авиация. Так же данное предприятие производит обслуживание и капитальный ремонт самолетов.
ДЕФОРМИРУЕМЫЕ АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ
Алюминиевые сплавы – это сплавы, в состав которых входит алюминий и легирующие добавки, такие как цинк, медь, марганец, литий. В следствии чего появляется возможность подвергать такие сплавы упрочняющей термической обработке. Для производства сплавов используется алюминий, выпускаемый в виде чушек. Такие сплавы образуют твердые растворы, эвтектики. Их подвергают закалке, старению и отжигу. При закалке Tнагрева = 485…525°С. после охлаждения деталь подвергают старению при Т = 150…200°С на протяжении 10…24 часов. Благодаря таким тепловым обработкам увеличивается твердость и прочность обрабатываемых сплавов.
Деформируемые сплавы – металлические сплавы для изготовления изделий, которые подвергают пластической деформации в горячем и холодном состоянии.
Высокопрочные сплавы
Алюминий В95пч – высокопрочный термоупрочняемый сплав алюминия с цинком, магнием и медью (табл. 1). Это самый прочный из наиболее известных сплавов алюминия. Сплав обладает высокой твёрдостью и прочностью (σв = 500–560 МПа; σ0,2 = 430–480 МПа; δ = 7–8 % [1]) в виду образования твёрдых кристаллических образований в нём. Широко применяемый высокопрочный сплав в виде катаных и прессованных длинномерных (до 30 м) полуфабрикатов для верхних обшивок крыла (плиты, листы), стрингеров, балок, стоек (профили, трубы) и других элементов фюзеляжа и крыла (рис. 1) современных самолетов (Ту-204, Бе-200, Ил-96, SSI-100).
Зарубежные металлургические компании выпускают следующие материалы – аналоги В95пч:
- США – AA7075;
- Германия – 3.4365;
- Япония – 7075;
- Европейский Союз – ENAW-AlZn5.5MgCu.
Таблица 1
Химический состав в % материала В95пч ГОСТ 4784 – 97
Fe | Si | Mn | Ni | Cr | Ti | Al | Cu | Mg | Zn | Примесей |
0.05 – 0.25 | до 0.1 | 0.2 – 0.6 | до 0.1 | 0.1 – 0.25 | до 0.05 | 87.45 – 91.45 | 1.4 – 2 | 1.8-2.8 | 5-6.5 | 0.1 |
Рис. 1. Крыло Ил-96
1965 – 1 (В96Ц3) – особо прочный (σв = 615–645MПа; σ0,2 = 595–620 МПа; δ = 7÷8 % [1]) сплав алюминия и легирующих элементов. Рекомендуется для применения в сжатых зонах конструкций планера самолетов: для верхних обшивок крыла, стоек и других элементов. Поставляется промышленностью в виде длинномерных катаных плит или листов, прессованных полуфабрикатов: профилей, панелей, полос.
Таблица 2
Химический состав в % материала 1965 – 1 (В96Ц3)
Fe | Si | Mn | Zr | Cr | Ti | Al | Cu | Mg | Zn |
0.2 и меньше | 0.1 и меньше | 0.05 и меньше | 0.1 – 0.2 | 1.4 – 2 | 0.05 и меньше | 84.4 – 87.4 | 1.4 – 2 | 1.7-2.3 | 7.6-8.6 |
ЛИТЕЙНЫЕ МАГНИЕВЫЕ СПЛАВЫ
Магниевые сплавы применяются в промышленности намного чаще, чем чистый магний. Данный метал обладает высокой химической активностью. В качестве основных элементов магниевых сплавов, которые повышают механические характеристики, применяют алюминий, цинк и марганец. Литейные магниевые сплавы используются для отливки различных изделий благодаря их жидкотекучести и повышенной пластичности [2]. Их приготавливают в различных видах плавильных печей. Для предотвращения горения при плавке или литьё используются специальные флюсы и присадки. Отливки получаются путем литья в песчаные, гипсовые и оболочковые формы.
Коррозионностойкие сплавы
Основная структура данных сплавов – твердый раствор хрома, молибдена, меди и других легирующих элементов в никелевой основе (содержание Ni не менее 50%). Никель коррозионностоек во многих агрессивных средах, характеризуется высокими механическими свойствами и технологичностью.
ВМЛ18-Т4
Сплав ВМЛ18 обработанный по режиму Т4 системы Mg–Al–Zn обладает повышенными пределами прочности (σв = 245–250 МПа; σ0,2 = 100–110 МПа; δ = 5–8 % [1]).
Предназначен для работы во всех климатических условиях. Рекомендуется для изготовления деталей внутреннего набора планера самолетов и вертолетов, приборных рам, деталей кабин пилотов, систем управления (рис. 2), трансмиссий взамен сплава МЛ5п.ч. Сплав выплавляется по специальной технологии, разработанной в ВИАМ. Он превосходит по коррозионной стойкости и чистоте все существующие магниевые сплавы.
Рис. 2. Корпус редуктора вертолета из сплава ВМЛ18
Жаропрочные сплавы
Металлические материалы, обладающие высоким сопротивлением пластической деформации и разрушению при действии высоких температур и окислительных сред [2].
МЛ9-Т6
Сплав (σв = 230 МПа; σ0,2 = 120 МПа; δ = 4 % [1]), предназначенный для изготовления деталей самолетов, вертолетов, двигателей, приборов, маслоагрегатов, редукторов и других агрегатов, работающих при повышенной температуре (до 300°С). Способ литья – кокиль (разборная форма для литья). Характерны хорошие литейные свойства, которые позволяют изготавливать сложные крупногабаритные отливки.
ТИТАН И ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ
Конструкционные сплавы
Сплавы, из которых изготавливают детали, механизмы и конструкции в разных отраслях промышленности.
ВТ20
Сплав (σв = 932 МПа; σ0,2 = 834 Мпа [1]) (табл. 3) отличается высокой жаропрочностью. Он хорошо сваривается, прочность сварного соединения равна прочности основного металла. Сплав предназначен для изготовления изделий, работающих длительное время при температурах до 500 °С. В конструкции планера самолета Су-35 (рис. 3) из этого сплава изготовлено значительное количество деталей и сварных узлов фюзеляжа, крыла и киля. Для изготовления деталей и узлов используют полуфабрикаты в виде плит, штамповок, профилей, прутков и листов [1].
Таблица 3
Химический состав в % материала ВТ-20
Fe | C | Si | Mo | V | N | Ti | Al | Zr | O |
до 0.25 | до 0.1 | до 0.15 | 0.5 – 2 | 0.8 – 2.5 | до 0.05 | 85.15 – 91.4 | 5.5 – 7 | 1.5-2.5 | до 0.15 |
Рис. 3. Самолет СУ-35
Таким образом мы рассмотрели металлы и их сплавы, применяемые в авиастроении.
Источник