Какой металл используется в самолетостроении

Обновлено: 05.07.2024

В предыдущей статье речь шла о применении меди и медных сплавов в наземном транспорте (автомобилях). В этой разберемся, как обстоят дела с применением в воздушном транспорте.

В аэрокосмической промышленности привыкли действовать дальновидно и предусмотрительно. Разработка новых материалов и техник позволяет отнести авиастроение к тем областям промышленности, где краткосрочные затраты могут обеспечить значительную экономию на протяжении всего срока службы продукта. Здесь использование медных бериллиевых сплавов рассматривается для определения того, какие их свойства позволяют им быть такими выгодными и как эти свойства могут быть использованы в долгосрочной перспективе экономии.
Больше, чем в любой другой крупной промышленности, в авиастроении относительно небольшие изменения в дизайне могут иметь огромное экономическое влияние на продукт в течение срока его службы. Разумеется, первоначальная стоимость самолета значительна, но в то же время есть большие шансы, чтобы внедренная оптимизация позволит окупить затраты на производство сторицей. Ярким примером этого, конечно же, являются самолеты EADS Airbus A380 или Boeing 787.

Рис.1 Airbus A380

Рис.2 Boeing 787

Бериллиевая медь является идеальным материалом для изготовления этих поверхностей износа по ряду причин. Прежде всего, бериллиевые медные сплавы, такие как C17200 и C82500, обладают более высокой прочностью, твердостью, износостойкостью и несущей способностью, чем любой другой медный сплав. Эти сплавы образуют тонкую, стойкую окись на их поверхности, которая действует как самовосстанавливающаяся смазка. Втулки, которые испытывают повторяющийся контакт с поверхностью на поверхности, требуют использования материалов, которые не изнашиваются, чтобы поддерживать гладкую поверхность. Отличные неустойчивые характеристики бериллиевых медных сплавов умело выполняют это требование. Кроме того, бериллиевые медные сплавы обладают отличными тепловыми свойствами, с низкими коэффициентами теплового расширения и отличной термической стабильностью. Это важнейшие свойства материалов, используемых в аэрокосмических применениях, которые могут подвергаться воздействию экстремальных температур.
Было продемонстрировано, что сплавы из бериллиевых медных сплавов могут использоваться не только для износостойкости. Их отличная твердость и прочность означают, что они также в высшей степени способны выполнять конструктивные роли в планете. Иногда просто невозможно ввести специальную износостойкую поверхность, в этих случаях сплавы из бериллиевой меди с их превосходными износостойкими свойствами могут быть просто использованы вместо стали или других материалов.
Дополнительным преимуществом сплавов меди из бериллия, повышающим их привлекательность в некоторых применениях, является отличная текучесть расплавленного материала. Особенно хорошо проявляется текучесть сплавов с более высоким содержанием бериллия, таких как C82800. Эта текучесть делает их идеальными для сложных отливок. Конструкции, такие как корпуса трубок Пито, включают в себя очень тонкие литые конструкции и могут быть отлиты только в том случае, если материал расплава обладает отличной текучестью. По этой причине корпуса трубок Пито для высокоскоростных самолетов обычно изготавливаются из этих бериллиевых медных сплавов (C82500 или C82800). Другим примером такого типа применений, который в настоящее время видит широкое внедрение бериллиевых медных сплавов, являются впускные направляющие лопасти вертолетных турбин, что в очередной раз требует сочетания хорошей удельной прочности, термической стабильности и отличной текучести, которую обеспечивают только бериллиевые медные сплавы.

Рис.3 Детали шасси самолета выполняют из медно-бериллиевых сплавов

Другая область аэрокосмического дизайна, в которой бериллиевые медные сплавы оказались полезными, - это измерительные приборы. Конструкции самолетов оптимизированы для аэродинамики, чтобы минимизировать затраты на топливо. Это означает, что части самолета могут столкнуться с серьезными ограничениями на упаковку. Клещи приборостроения являются одним из таких критически важных для космоса приложений, поэтому для минимизации объемов требуется очень высокая прочность, как правило, это исключает возможность использования алюминиевых сплавов и оставляет возможности только из высокопрочных сталей, титановых сплавов и бериллиевых медных сплавов. Остальные стальные сплавы, в свою очередь, должны быть устранены из-за их железной природы, которая вызывает магнитные помехи в чувствительных инструментах, таких как гироскопы. Наконец, титановые сплавы являются дорогостоящими, с которыми трудно работать и у которых не самые лучшие литейные качества. С другой стороны, сплавы из бериллиевых медных сплавов, с которыми намного легче работать, обладающими отличной обрабатываемостью и свариваемостью, а также отличными литейными качествами, что делает их оптимальным выбором для этих типов применений.
Аэрокосмическая промышленность является одной из тех, которая стремится к максимальной эффективности. Границы небольшие, и небольшие различия в дизайне деталей могут привести к значительной экономии в течение всего срока эксплуатации. Первоначальные дополнительные затраты на производство, такие как добавление изношенных поверхностей или замена более дорогих материалов с улучшенными свойствами, могут привести к реальной и значительной стоимости за ASM-сокращения, которые быстро складываются в течение срока службы самолета. Аналогичным образом, для удовлетворения жестких требований к поверхности, требуемых экономичными аэродинамическими конструкциями, высокая прочность при низких объемах имеет решающее значение в некоторых применениях. Бериллиевые медные сплавы продемонстрировали свою способность удовлетворять этим требованиям.

Современные алюминиевые сплавы, применяемые в аэрокосмическом комплексе

В статье рассматриваются основные виды современных алюминиевых сплавов, используемых в авиастроении. Производится анализ их технических свойств и химического состава.

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]:

Удельной прочности (отношению предела прочности материала к его плотности).
Усталостной прочности, или выносливости (способности материала сопротивляться разрушению под действием многократно повторяющейся переменной нагрузки).
Технологичности (обрабатываемости материалов высокопроизводительными процессами).
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.

Современные магниевые и титановые сплавы, применяемые в авиастроении

В статье рассматриваются основные виды магниевых и титановых сплавов, используемые в аэрокосмическом комплексе. Анализируются их технические свойства, химический состав, конкретная область применения.

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

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.

Какой металл используется в самолетостроении

Металлы на службе самого быстрого вида транспорта.

В предыдущих статьях шла речь об эффективности и выгоде от использования алюминия в производстве транспорта, в том числе и авиационного.
А что же другие металлы?

Магний. Он нашел свое место в производстве современного самолета. Колеса и вилки шасси, передние кромки крыльев, детали сидений, корпусы приборов, различные рычаги и кожухи, двери кабин и фонари – и это далеко не весь перечень применения сплавов магния. В наши дни активно стали использовать магний для изготовки литых крыльев, литых створок люков шасси, которые легче по весу примерно на 25 % и дешевле сборных конструкций из деформируемых сплавов. Например, планер одного из американских истребителей был почти полностью изготовлен из сплавов на основе магния.

Данные литейные магниевые сплавы с редкоземельными присадками практически беспористы, и потому детали, выполненные из этих сплавов, мало подвержены растрескиванию.

Несмотря на то, что упругость магниевых сплавов меньше, чем упругость алюминиевых и железных сплавов, из-за малой плотности этот металл позволяет получать более жесткие и в то же время достаточно легкие конструкции.

В вертолетостроении магний используют для производства двигателей, в некоторых моделях доля магниевых деталей составляет по массе 23 %.

В ракетостроении наиболее популярны в применении сплавы с торием и цирконием. Они заслужили такую популярность благодаря повышенной прочности и жаропрочности. Присадка циркония позволяет улучшить пластичные свойства. В некоторых моделях такие сплавы составляли 25 % по массе.

Внедряют и специальные сплавы с цирконием, которые обладают важной способностью – гасить вибрации снарядов,

Если речь заходит о кратковременно работающих конструкциях, то и здесь при производстве вспоминают про магний, поскольку он благодаря своей высокой теплоемкости способен поглотить много тепла и не успеет перегреться за кратковременный полет.

Ракета “Фолкон” класса “воздух - воздух” на 90% состоит из магниевых сплавов (корпус и многие другие детали). Помимо обшивки корпуса без них не обходятся туннельные обтекатели, корпусы систем наведения, корпусы насосов, топливные и кислородные баки, баллоны пневмосистем, опорные узлы, стабилизаторы и др.

В спутникостроении изданных сплавов выполняют корпус спутника. Корпус изготовляется из двух сферических оболочек, отштампованных из листов сплава толщиной 0,76 мм, и вся эта конструкция подпирается изнутри каркасом из магниевых труб.

Из-за того, что магний заметно возгоняется в высоком вакууме при низкой температуре, корпус покрывается сложным покрытием, одним из предназначений которого является понижение испарения металла.

Титан. Это не только легкий и тугоплавкий метал, но и довольно-таки прочный и пластичный. Вес титана на две трети больше алюминия, прочность больше в 6 раз, а тугоплавкость титана больше чем у алюминия в два с лишним раза.

Он отличается хорошими показателями стойкости. Во влажном воздухе, в морской воде его коррозионная стойкость не хуже нержавеющей стали, а в соляной кислоте во много раз превосходит её. Он, как и нержавеющая сталь, поддается обработке резанием и давлением, а также свариванию и изготовке из него литых деталей.

Основные достоинства титана и его сплавов, такие как комбинация высокой удельной прочности и химической стойкости при нормальных и повышенных температурах (около 300-500º С) делают их незаменимыми в современном самолетостроении и производстве космических кораблей.

В 1956 г. английский летчик Петер Твисс на сверхзвуковом самолете из алюминиевых сплавов “Фейри Дельта-2” установил новый мировой рекорд по скорости полета, достигши на дистанции 15,5 км скорости 1822 км/ч.

Объем мощности двигателя самолета позволял ему развить ещё большую скорость, но пилот на это пойти не мог, так как при превышении рекордной скорости обшивка самолета из дуралюмина нагрелась бы больше чем до 100º С, и это негативно бы сказалось на прочности обшивки самолета. Поэтому, чтобы достигать таких огромных скоростей, обычную дуралюминовую обшивку меняют на титановую, так как использовать более тяжелую сталь при таких скоростях и нагревах не выгодно.

При замене алюминиевых сплавов или стали на титан в пассажирских самолетах, экономия массы деталей составляет примерно 15-40 %. Несмотря на более дорогую стоимость титана, по сравнению с вышеназванными металлами, все дополнительные затраты окупаются.

Пример пассажирских самолетов “Дуглас” показывает, что поначалу из титана изготовляли только некоторые элементы, такие как мотогондолы и противопожарные перегородки. В противопожарных перегородках использование титана эффективно, потому что электропроводность и теплопроводность этого металла в 5 раз меньше чем у стали, и в 15 раз меньше, чем у алюминия. А вот в новых моделях самолетов уже было более 1000 различных деталей из титана и его сплавов.

Использование титановых сплавов в производстве двигателей реактивных самолетов позволяет уменьшить массу на 100-150 кг. Планер тоже становится легче (на 300 и более кг).

В двигателях титан применяют для изготовления деталей воздухосборника, корпуса, лопаток и дисков компрессора, и т.д. Особенно выгодным стало применение титана в новых турбовентиляционных двигателях. В гражданской модели самолета детали из титана составляют 1/7 общей массы турбовентиляционного двигателя, в военной – 1/5 общей массы.

В ракетах из титановых сплавов изготавливают корпусы двигателей второй и третей ступеней, баллоны и шаробаллоны для сжатых и сжиженных газов, сопла и др. У космических капсул “Меркурий” и “Джемини” каркас, наружная и внутренняя обшивки сделаны из титановых сплавов.
Титан в виде литых деталей также активно применяется, так как позволяет сократить объем трудовой обработки резанием и уменьшает отходы дорогого металла.

Что же касается применения титана в авиационной электронике, то тут этот металл очень полезен благодаря своим газопоглощающим способностям. Он поглощает газы, оставшиеся после откачки прибора или попавшие в прибор во время эксплуатации. Титан, нанесенный на поверхность прибора, исполняет роль встроенного насоса, способного работать в течение всей жизни прибора. 500мг титана хватает, что поглощать большие объемы воздуха.

Бериллий. Для тонких профилей, где титан не подходит из-за маленькой удельной жесткости, а сплавы из стали и никеля очень тяжелы, промышленники обращаются к такому металлу, как бериллий.

Его хрупкость, токсичность металлической пыли и пыли из окислов, редкость и дороговизна – препятствия, которые откладывали применение бериллия в самолетостроении и ракетостроении.

Но после многочисленных исследований, открывших возможности улучшения необходимых свойств этого металла, бериллий все-таки взяли на вооружение производители. Сейчас из него изготовляют стержни, трубы и листы для ракетного, авиационного и атомного производства.

Корпуса жидкостнореактивных двигателей из бериллия не только в два раза легче, но и служат в 10 раз дольше ввиду высокой теплопроводности этого материала. Бериллий стал находкой для изготовителей колесных тормозов из-за своей легкости и высокой теплопроводности. Тормоза из бериллия дают экономию массы больше 30%, масса самолета снизилась более чем на 600 кг.

То же самое и с крепежными деталями, меньший вес которых не мешает им переносить нагрузки такие же, как у крепежных деталей из стали. Меньшие центробежные напряжения дисков компрессоров по сравнению с дисками из других металлов – ещё одна заслуга бериллия. Тратится меньше энергии без изменения скорости вращения.

Для защиты сплавов из бериллия от коррозии внедряют методы анодирования. Это позволяет заметно повысить стойкость против окисления при повышенных температурах (жаростойкость).

Также нельзя не отметить, что бериллий благодаря своим свойствам хорошо поглощает тепло, и является гиперпроводником, хорошо проводя электрический ток при низких температурных условиях.

Александр Рыбаков
Источники использованные при написании статьи:

Какие преимущества дает производителю использование алюминиевых сплавов?

Легкие сплавы являются главными конструкционными материалами для изделий авиационно-космической техники и транспортного машиностроения. Разработка новых облегченных конструкций производится благодаря развитию и усовершенствованию этих сплавов. С начала 20 века за счет развития металлургии алюминиевых, титановых и магниевых сплавов, наука и техника смогли достичь прорыва и обеспечить появление высокоэффективных изделий авиационной техники.
Алюминиевые сплавы остаются главным материалом в конструкции авиакосмической техники. Объем их применения составляет примерно 70% от общего количества конструкционных материалов в планере самолетов.
Разработаны значительно улучшенные алюминиевые сплавы и композиционные материалы на основе алюминия, и в новых поколениях авиационной техники и ракет будут использоваться усовершенствованные варианты сплавов и материалов.
Для получения хорошей весовой эффективности, длительного ресурса работы и надежности в эксплуатации, сплавы, использующиеся в производстве данной техники, должны отвечать таким требованиям: высокая прочность, хорошая коррозионная стойкость, высокое сопротивление повторным нагрузкам и малая скорость развития трещины усталости. Усовершенствованные варианты сплавов и материалов разрабатываются для удовлетворения требований к конструкции летательных аппаратов:

Минимальный вес конструкции, который обеспечивается оптимальными конструктивно-технологическими решениями, точным расчетом действующих напряжений и рациональным выбором сплава с наибольшей возможной удельной прочностью.
Большой срок эксплуатации пассажирских и транспортных самолетов (25-50 тыс. полетов, 45-100 тыс. летных часов, 20-30 лет эксплуатации), который позволяет достигать высокая усталостная прочность и коррозионная стойкость конструкции и сплавов.
Высокий уровень безопасности, обеспечиваемый большой остаточной прочностью конструкции при ее частичном повреждении и малой интенсивностью распространения трещин.
Относительно невысокая стоимость, доступность и легкость производства сплавов и полуфабрикатов на их основе.
Высокая технологичность сплавов, которая дает возможность получать рациональные заготовки и элементы конструкции, позволяющие организовать серийное производство в сжатие сроки с высокой экономической эффективностью.
Высокие эксплуатационные свойства конструкции и сплавов, дающие возможность снижать расходы на ремонт и эксплуатацию.

В отечественном и зарубежном самолетостроении для изготовления подобных конструкций используют алюминиевые сплавы, обладающие примерно одинаковым составом и свойствами. Для крыла применяются листы, катаные плиты, прессованные панели и профили, для фюзеляжа – листы, катанные и прессованные профили и плиты, штамповки.
Большое значение имеет выбор оптимального варианта конструктивно-технологического решения и марки алюминиевых сплавов.
Сборно-монолитная конструкция с широким использованием прессованных панелей, катаных плит, прессованных лонжеронов и профилей разъема крыла, крупногабаритных штамповок крыла, фюзеляжа и шасси с применением высокопрочных сплавов обеспечивает создание эффективной конструкции. Их применение позволяет снизить вес самолета, объем и вес герметиков, повысить надежность и долговечность самолета, рационально распределить материал по объему конструкции, оптимизировать конструкцию самолета.
При освоении новых заготовок, сплавов и модификаций существующих сплавов разрабатывались и осваивались новые технологические процессы, режимы термической обработки и методы поверхностного упрочнения, которые значительно подняли эффективность применения новых сплавов и заготовок.
Самолет Ан-22 (рис.1) является примером самолета, спроектированного с применением сборно-монолитных (интегрированных) конструкций. Здесь впервые широко применялись сборные конструкции из крупногабаритных штамповок и прессованных профилей из сплава В93Т1.

Рис.1. Самолет Ан-22

Сборно-монолитные конструкции были реализованы в следующих крупных блоках.
Первый блок охватывает агрегаты фюзеляжа и шасси, в которых заготовки из сплава В93Т1производили, применяя метод свободной ковки (на первые опытные машины) и горячей штамповки на гидравлических прессах на серийные машины.
Масса данный конструкций, изготовленных из штамповок сплава В93Т1, равна 15 т на самолет, что дало возможность уменьшить вес самолета Ан-22 на 3 т.
Второй блок охватывает агрегаты крыла и центроплана, в которых заготовками являются монолитные прессованные панели, лонжероны, профили разъема.
Центроплан и крыло самолета Ан-22, где размещено около 100 т. топлива, полностью выполнены из монолитных прессованных панелей, цельно-прессованных полулонжеронов и профилей разъема.
Применение данных конструкций дало возможность снизить вес крыла и центроплана более чем на 2 т., повысить жесткость и выносливость конструкций за счет сокращения количества мест соединений и концентраторов напряжений, повысить герметичность топливных кессонов за счет сокращения количества продольных швов. Также это позволило уменьшить количество деталей на 550 штук и количество крепежных деталей, в том числе классных болтов, а также снизить трудоемкость изготовления и цикл сборки в несколько раз.
Этот подход к применению сборно-монолитных конструкций получил свое дальнейшее развитие в конструкциях других самолетов, таких как Ан-124, Ан-225 “Мрия”, Ан-70.
Европейские производители в конструкциях аэробусов используют высокопрочные алюминиевые сплавы системы Al-Zn-Mg-Cu. Опыт применения этих сплавов с максимальной прочностью (режим старения Е1) не всегда является эффективным с точки зрения надежности и долговечности. Поэтому были разработаны и нашли широкое применение в авиастроении смягчающие режимы старения T2 и Т3 этих сплавов, что позволило вытеснить классический ковочный сплав АК6 из конструкции самолетов и обеспечило высокие характеристики вязкости разрушения, превосходящие зарубежные аналоги.
Дальнейшее совершенствование данных высокопрочных сплавов дало возможность использовать для конструкции самолетов высокопрочные сплавы, которые ранее не использовались из-за низких характеристик вязкости разрушения, коррозионной стойкости и пластичности. Сплав рекомендуется применять для изготовления верха крыла пассажирских и транспортных самолетов, а также верха и низа крыла боевых самолетов.
Для конструкций, работающих при повышенных температурах, предназначены жаропрочные алюминиевые сплавы. Наряду с широко известным сплавом АК4-1, который применялся при производстве сверхзвукового французского самолета “Конкорд” и отечественного Ту-144, перспективным является его модификация АК4-2. Этот сплав имеет меньшую плотность и улучшенные свойства по вязкости разрушения.
Перспективными для авиастроения могут быть композиционные материалы на алюминиевой основе, армированные волокнами бора, угля, SiC и др.
Такой композиционный материал, как алюминиевые сплавы + SiC предусматривает изготовление порошковых заготовок с последующей их деформацией для получения различного рода полуфабрикатов и деталей изделий аэрокосмической, радиоэлектронной и автомобильной техники.
Для изготовления сварных корпусов ракет основным сплавом является неупрочняемый алюминиевый сплав АМг6 (5056 – сплав США), который по своим прочностным характеристикам ниже несвариваемых сплавов.
Повышение прочностных характеристик сплавов, применяемых в производстве ракет, имеет три направления: нагартовка полуфабрикатов, разработка и использование свариваемых термоупрочняемых сплавов и комбинация термообработки и нагартовки. Нагартовка увеличивает предел прочности до 400-500 МПа, предел текучести до значения более 290 МПа, относительное удлинение более чем на 6%.Сварные нагартованные конструкции должны иметь большую плавность форм, радиусов переходов и не иметь острых надрезов и резких переходов сечений.
Для работы при криогенных и повышенных условиях применяют сплавы, которые не склонны к замедленному разрушению и имеют высокую пластичность основного металла при температуре жидкого гелия и водорода. Что касается сварных баков, то тут производители получили возможность уменьшить вес баков на 30-40% за счет перехода на алюминиево-литиевые сплавы типа 1460. Данные сплавы отличаются пониженной плотностью по сравнению с традиционными алюминиевыми сплавами, но при этом обладают более высокой жесткостью и прочностью.

Читайте также: