XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Введение

Одной из важнейших задач, стоящих сегодня перед авиационной отраслью, является повышение весовой эффективности техники, увеличение ее технических характеристик и ресурсов. Она может быть решена благодаря разработке и внедрению сверхлегких высокопрочных материалов. В первую очередь речь идет об алюминий-литиевых сплавах, которые позволят снизить на 15-20% массу конструкций, и, следовательно, расход топлива

Предполагается применять эти современные материалы для создания силового набора перспективных изделий гражданской авиационной техники. Данные сплавы, наряду с применением других материалов нового поколения, позволят России создать конкурентоспособные авиалайнеры, не уступающие по своим летным характеристикам зарубежным аналогам.

Литий придает уникальные свойства алюминиевым сплавам – повышение прочности и модуля упругости при снижении плотности. Но главное преимущество в том, что многие алюминий-литиевые сплавы можно сваривать, перейдя таким образом от заклепок к сварным соединениям. Кроме того, данные сплавы обладают наилучшим комплексом механических, эксплуатационных и коррозионных характеристик, позволяющих конкурировать с традиционными алюминиевыми сплавами и полимерными композиционными материалами.

Перспективы использования отечественного

алюминия в мировом авиастроении

Алюминий с каждым годом становится все более востребованным в мировой промышленности: об этом свидетельствует стабильное увеличение объема производства металла. Если по данным Международного института алюминия (International Aluminium Institute, IAI) в начале 2007 года в мире было выпущено 6,258 млн. тонн, что на 7,5% больше, чем в 2006 году, то в начале 2008 года только в России производство алюминия выросло на целых 10,8%.

Отчасти такой своеобразный алюминиевый бум связан с не меньшими темпами роста авиапромышленности. Как и в России, так и во всем мире наблюдается тенденция замены устаревших моделей гражданских и военных самолетов более технологичными и функциональными аппаратами с улучшенными характеристиками аэродинамики, легкости, безопасности и, что немаловажно, экономичности, ведь цены на горючее продолжают расти. А это означает, что краеугольным камнем в разработках авиаконструкторов становятся новые алюминиевые сплавы — еще более прочные, еще более легкие, еще более доступные в плане производства и обработки. Не удивительно, что крупнейшие производители самолетов — такие как Airbus и Boeing — постоянно заключают договора о совместных научных разработках с ведущими алюминиевыми заводами. Как правило, это отечественный гигант «Российский алюминий» и известная американская корпорация Alcoa.

Алюминий-литиевые сплавы пониженной плотности

Основные свойства сплавов Al-Li: увеличение содержания лития уменьшает плотность алюминия. Добавки лития в пределах твердого раствора приводят к непрерывному увеличению удельного сопротивления.

Повышенный интерес к легированию алюминиевых сплавов литием, самым легким из металлов с плотностью ~ 0,54 г/см³, обусловлен тем, что каждый процент лития снижает плотность алюминия на 3%, повышает модуль упругости на 6% и обеспечивает в сплавах значительный эффект упрочнения после закалки и искусственного старения.

1420-ТГ1 (ТВ1) – самый легкий (d=2,47 г/см³) коррозионностойкий высокомодульный (Е=78 ГПа) свариваемый сплав на базе системы Al–Mg–Li;

1424-ТГ1 – среднепрочный (σ_в≥430–460 МПа) свариваемый коррозионностойкий сплав (улучшенная модификация сплава 1420) пониженной плотности (d=2,54 г/см²), термически стабильный, с повышенными характеристиками трещино-стойкости (K_с^у =100 МПа при В=400 мм;

В-1461-Т1 – высокопрочный (σ_в≥540–560 МПа) коррозионностойкий свариваемый сплав системы Al–Cu–Li–Mg–Zn пониженной плотности (d=2,63 г/см³) с повышенными характеристиками вязкости разрушения;

Сплав	?в	?0,2	d, г/см3	СРТУ*: dl/dN, мм/кцикл	K1с,  МПа?м	РСК,  балл	КР: ?кр, МПа
	МПа
В-1461-Т1	?540–560	?490–510	2,63	1,67	?46	2–4	350
В-1469-Т1	?580–600	?540–560	2,67	2,5	?30
В95о.ч.-Т2(базовый)	?500–540	?420–460	2,81	3,00	?34	2–4	170

В-1469-Т1 – высокопрочный высокомодульный (σ_в≥580–600 МПа, σ_0,2≥540–560 МПа, δ≥8%, Е=78–80 ГПа) коррозионностойкий (σ_кр=400 МПа) свариваемый (σ_в.св/σ_в>0,7) сплав пониженной плотности (d=2,67 г/см³) системы Al–Cu–Li–Mg с добавками Sc и Ag;

1441-Т1 – среднепрочный высоко-ресурсный алюминий-литиевый сплав системы Al–Li–Mg–Cu (σ_в≥410 МПа, d=2,59 г/см³, СРТУ: dl/dN=1,4 мм/кцикл при ΔK=31 МПа√м).

Сплав	Вид полуфабриката	d, г/см3	Е,ГПа	?0,2, МПа	МЦУ*: Nср, кцикл	СРТУ**: dl/dN, мм/кцикл
1441-Т1	Лист	2,59	79,5	?305	170	1,2–1,4
	Плита			?355	300
1163-Т/Т7 (базовый)	Лист	2,78	72,0	?270	140	1,7–1,8

Алюминий-литиевый сплав 1420

Относится к сплавам группы «алюминий – магний – литий». Впервые этот деформируемый сплав был открыт в 60-х гг. прошлого столетия в ВИАМе под руководством И.Н. Фридляндера.

Сплав имеет следующий номинальный состав:

– магний (Mg) – 5,5 %,

– литий (Li) – 2,1 %,

– цирконий (Zr) – 0,12 %,

– кремний (Si) – 0,083 %,

– остальное – алюминий.

Также в состав сплава входят интерметаллиды. Температура плавления сплава примерно 670 °С.

Большое преимущество сплава 1420 по сравнению с другими алюминиевыми сплавами – малая плотность, она составляет меньше 2,5 г/см3. Также сплав 1420 имеет высокую общую коррозионную стойкость (после закалки на воздухе), сваривается всеми видами сварки. Сочетание высокой прочности с малой плотностью, свойственное сплаву 1420, определяет большой интерес к нему авиационных конструкторов. Применение сплава 1420 в конструкциях вместо сплава Д16 позволяет снизить массу изделия на 10–15 %.

Сплав 1420 имеет плотность на 12% ниже, а модуль упругости на 8% выше, чем основной самолетный сплав Д16. Сплав 1420 хорошо сваривается всеми видами сварки и обладает высокой коррозионной стойкостью. Начиная с 1971 г. из сплава 1420 в клепаном варианте изготавливаются самолеты вертикального взлета, базирующиеся на морских кораблях, и за все годы не было случаев коррозионных поражений.

Физические характеристики сплава 1420

На базе системы Al-Mg-Li разработан оригинальный сплав 1420. Он самый легкий (плотность 2,47г/см3), коррозионностойкий, свариваемый, имеет сравнительно высокую прочность и повышенный модуль упругости (7500 кГ/мм2). Сплав закаливается как при охлаждении в воде, так и на воздухе. Механические свойства сплава в процессе старения при 200С не изменяются, что позволяет легко производить всевозможные технологические операции по деформации в закаленном состоянии. Этот сплав относится к среднепрочным и широко применяется в сварных конструкциях, обеспечивая снижение массы до 20-25% при повышении жесткости до 6%. Также из этого сплава изготовляют плиты, панели, профили, прутки, листы (в состоянии Т1).

В процессе освоения промышленного производства полуфабрикатов из сплава 1420 были решены сложные технологические проблемы, характерные и для других алюминий-литиевых сплавов, обусловленные: присутствием химически активных элементов - лития и магния; высокой степенью легирования, достигающей 14% (атомное содержание); сильной локализацией деформации в полосах скольжения и интенсивным упрочнением с резким уменьшением пластичности при холодной пластической деформации; отсутствием режимов смягчающего отжига, обеспечивающего разупрочнение и повышение пластичности до уровня, необходимого для осуществления значительной холодной деформации; пониженной пластичностью и вязкостью разрушения в высотном направлении массивных полуфабрикатов.

Применение алюминиево-литиевых сплавов на самолетах, разработанных ТАНТК им. Г.М.Бериева.

Самолет-амфибия Бе-200

1420 (листы толщиной 0,8-1,5 мм и профили по каталогу).

Область применения – стенки и стойки шпангоутов лодки и нервюр крыла и оперения; стойки лонжеронов крыла; каркасы и детали оборудования.

1441 (листы толщиной 0,8-1,5 мм).

Область применения – обшивка и элементы каркаса бортового отсека.

Самолет-амфибия Бе-103

1441 (листы 0,5-1,5 мм и профили по каталогу).

Область применения - обшивка, стрингеры, шпангоуты, нервюры, стенки лонжеронов и другие детали крыла, оперения и лодки; каркас и детали оборудования.

Самолет-амфибия А-40

1420 (листы толщиной 0,8-6 мм и профили по каталогу).

Область применения – стенки и стойки шпангоутов; обшивка дверей и люков; полы силовые; створки носового шасси; стенки и зашивка стыка крыла с лодкой; каркас и детали оборудования.

На основании материаловедческой концепции установлено что для сверхзвуковой высокоманевренной авиации целесообразно применять в качестве основного конструкционного материала для особо ответственных агрегатов (сварных боковых отсеков фюзеляжа, панелей, обшивок) Al-Li сплавы сочетающие низкую плотность, высокий модуль упругости, высокую коррозионную стойкость, высокую удельную прочность, и заменять традиционно клепанную конструкцию из широко применяемых в авиации алюминиевых сплавов Д16, АК4-1, титанового сплава ВТ-20 на сварные конструкции из сплава 1420. Это обеспечивает снижение массы конструкции на 20%, причем не только за счёт меньшей плотности сплава, но и вследствие устранения герметиков, нахлёста, болтовых и клепанных соединений.

Заключение

Таким образом, применение сплавов на основе алюминий-литий в значительной степени, позволит повысить прочность и надежность изготавливаемых конструкций, также при существенном снижении массы конструкции существенно улучшит весовую эффективность летательного аппарата.

Смею предполагать, что алюминий-литиевые сплавы, наряду с другими материалами нового поколения, позволят России создать конкурентоспособные авиалайнеры, не уступающие по своим летным характеристикам зарубежным аналогам.

Список используемой литературы.

Мамонов И.М. Влияние термической обработки на внутренние напряжения и работоспособность сварных конструкций из листов алюминиевого сплава 1420: автореф. дис. … канд. техн. наук. – М., 1994 – 22 с.

Способы сварки и их влияние на свойства сварных соединений алюминиевого сплава 1420 / В.И. Лукин, В.М. Лоскутов, Ю.П. Арбузов [и др.] /Автоматическая сварка. – 1993 – № 6 – С. 35–37.

Кабалов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2014. №1 (34). С. 3-33. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33;

Фридляндер И.Н., Сенаторова О.Г. Ткаченко Е.А. Высокопрочные сплавы. Машиностроение: энциклопедия в 40 т. М.: Машиностроение, 2001. Т. II-3: Цветные металлы и сплавы. И.Н. Фридляндер, Е.Н. Каблова, О.Г. Сенаторовой, Р.Е. Шалина. С. 94-128

Код для цитирования: Скопировать