3343

3. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ

3.1. Сверхпрочные и высокопрочные сплавы системы

Al–Zn–Mg–Cu

В Российской Федерации для производства авиационной техники нашли широкое применение высокопрочные алюминиевые сплавы Al-Zn-Mg-Cu и сплавы средней и повышенной прочности Al-Mg-Cu, упрочняемые термической обработкой (ТО). Данные сплавы применяются в качестве конструкционных материалов для производства обшивки и внутреннего сплавного набора элементов планера самолета.

Для реализации возрастающих требований к ресурсу, надежности и весовой эффективности конструкций необходимо осуществлять постоянное совершенствование композиций алюминиевых сплавов по легирующим элементам и примесям, технологическим процессам и параметрам производства.

Особопрочный современный сплав В96ц-3пч на основе системы Al-Zn-Mg-Cu-Zr (1965-1), разработанный в ВИАМ для длинномерных авиационных катаных и прессованных полуфабрикатов, предназначен для замены высокопрочного сплава В95 оч/пч, превосходя последний на 20% по пределу прочности, на 40% по пределу текучести, существенно по удельным характеристикам прочности, что позволяет повысить весовую эффективность конструк-

ции на 10–20% [10].

Zn, Mg и Cu образуют с Al и между собой твердые растворы и различные металлические соединения – MgZn2, S(Al2CuMg), T (Mg4Zn3Al3), оказывающие значительное влияние в упрочнении сплава при его ТО. В сплавах данной системы особенно важной является Т–фаза, находящаяся в равновесии с α-твердым раствором (рис. 15). Марганец и хром усиливают результат старения и повышают коррозионную стойкость сплавов данного типа. Кроме того, марганец, способствует получению мелкозернистой структуры, затрудняет выделение интерметаллических фаз по границам зерен α-твердого раствора, незначительно повышает прочность сплава.

21

Сплав В96ц-3пч является высоколегированным сплавом (сумма главных компонентов Zn, Mg, Cu может достигнуть 12,5 % по массе), он не прост при освоении полуфабрикатов в металлургическом производстве, начиная от отливки и гомогенизации крупногабаритных плоских слитков и заканчивая новыми многоступенчатыми режимами искусственного старения полуфабрика-

тов [11].

Рис. 15. Изотермический разрез (при 25 °C) диаграммы состояния Al-Mg-Zn [11]

Сплав В96Ц3 (1965-1) – алюминиевый деформируемый сплав. Возможные обозначения в литературе: В96Ц3; В96Ц3; В96Ц3пч; сплав 1965-1; 1965-1; Т12/Т22. Широко используется в современных летательных аппаратах (Ту-204, Бе-200, Ил-96, SSI100) [7].

22

В96Ц3п.ч.-Т12 (1965-1) относится к сверхпрочным сплавам с пределом прочности равным 600–645 Мпа. Широко используется для производства прессованных и катаных полуфабрикатов идущих на создание балок, верхних обшивок крыла, стоек и других элементов летательных аппаратов. Для данного сплава был разработан трехступенчатый режим старения (Т12), позволяющий получать высокий уровень прочности (Т1) и коррозионной стойкости, близкой к стойкости в состоянии Т2 [10].

Механические свойства сплавов данной системы представлены в табл. 2.

Таблица 2 Механические свойства сплавов данной системы Al-Mg-Zn

Сплав 1933 является современным ковочным сплавом, обладающим пределом прочности не менее σв>500/440 МПа и трещиностойкостью более34 МПа√м после ТО (режимы Т2 и Т3). По значениям вязкости разрушения сплав на 20-30% превосходит многие высокопрочные сплавы, включая зарубежные.

Для сплава 1933 были определены режимы малодеформационной закалки и трехступенчатого старения (Т123, Т122), позволяющие повысить ресурсные и прочностные характеристики, одновременно снижая до трех раз закалочные напряжения, что в свою очередь приводит к уменьшению коробления и поводки сложных деталей при механической обработке.

23

Сплав 1933 используется для изготовления деталей силового набора планера, таких как балок, шпангоутов, лонжеронов, фитингов.

Сплав 1933 (после ТО Т2, Т3) применяется для конструкций самолетов Ан-148, Ту-204, Т-50, SSI-100).

Сплав В-1963 считается перспективным высокопрочным ковочным сплавом с высокими показателями вязкости разрушения, превышающим значения 34МПа√м. Сплав используется для производства сильно нагруженных массивных деталей внутреннего силового набора. Механические свойства некоторых ковочных и базовых высокопрочных сплавов приведены в табл. 3.

Таблица 3 Механические свойства высокопрочных сплавов

Сплавы В95п.ч., В95о.ч., 1973 относятся к высокопрочным со значением предела прочности 500–540 МПа. Сплавы используются после различных видов ТО (Т1, Т2, Т3) как материалы стрингеров, обшивок крыла, и других элементов планера самолетов.

3.2. Высокоресурсные сплавы

Одним из основных конструкционных металлических материалов в авиастроении считается сплавов 1163. В отличии от других сплавов системы Al – Cu – Mg сплав 1163 обладает более высокой вязкостью разрушения и повышенной выносливостью, что способствует его широкому применению в производстве элемен-

24

тов конструкций самолетов, работающих в режимах критических усталостных нагрузок.

Механические свойства сплава 1163 РДТВ (ГОСТ 21631-76, ТУ 1-801-84-83) представлены в табл. 4.

Таблица 4 Механические характеристики сплава 1163 РДТВ

Возможные обозначения в литературе: сплав 1163-Т; 1163-

Т1; 1163-Т7.

Сплав марки 1163 – современный среднепрочный высокоресурсный сплав серии дуралюмин, является базовым материалом для зон, критических по усталости в условиях растягивающих нагрузок. Плиты из сплава марки 1163 в закаленном и естественно состаренном состоянии (Т) имеют повышенные характеристики трещиностойкости и усталостной долговечности по сравнению с аналогичными полуфабрикатами из сплава Д16чТ. Плиты из сплава марки 1163 в закаленном и искусственно состаренном состоянии (Т1) имеют повышенные прочностные характеристики и менее склонны к коррозионному растрескиванию (КР) по сравнению с аналогичными полуфабрикатами из сплава 1163Т. Плиты из сплава марки 1163 в закаленном и естественно состаренном после нагартовки состоянии (Т7) имеют повышенные характеристики прочности по сравнению с аналогичными полуфабрикатами из сплава 1163Т и повышенное значение относительного удлинения по сравнению с аналогичными полуфабрикатами из сплава 1163 в состоя-

25

ниях Т и Т1 . Состояние Т7 обеспечивается специальным режимом горячей деформации, закалкой, правкой растяжением в свежезакаленном состоянии и последующим естественным старением. Силовые детали планера самолета, работающие при температурах до 80 °C в закаленном и естественно состаренном состоянии и до 175 °C в закаленном и искусственно состаренном состоянии.

В настоящее время основным материалом, применяемым для обшивки фюзеляжа отечественных самолетов, являются листы из сплава 1163АТВ.

Однако для обеспечения ресурса планера перспективных самолетов гражданского назначения (более 60 тысяч летных часов и более 40 лет календарного срока службы) необходимы листы с улучшенными, по сравнению с серийно выпускаемыми листами, служебными характеристиками, в том числе показателем вязкости разрушения (КСU).

Для оптимального раскроя обшивок и уменьшения стыков по окружности фюзеляжа требуются также листы больших габаритов (шириной 2200 и длиной 9500 мм), чем серийно выпускаемые (шириной не более 2000 мм и длиной не более 7200 мм).

Сплав 1163АТ не уступает по своим характеристикам сплаву

2524 (США).

3.3. Сверхлегкие сплавы системы алюминий-литий

Диаграмма состояния сплавов системы Al–Li представлена на рис. 16.

Для сплавов системы Al–Li характерны высокие показатели удельного модуля упругости и удельной прочности. К легирующим элементам сплавов данной системы относятся бериллий, обладающий высокой токсичностью и литий, способствующий снижению плотности сплава (до 2540-2560 кг/м3) и повышению модуля упругости [12].

Сплавы Al–Li жестче и легче на 10% по сравнению с алюминиевыми сплавами. При этом стоимость сплавов системы Al–Li в 2,5 раза выше стоимости традиционных алюминиевых сплавов.

26

Предполагается, что Al–Li сплавы со временем имеют перспективы заменить многие композиционные материалы, используемые в производстве самолетов.

Рис. 16. Диаграмма состояния системы Al–Li [5]

Первым сплавом системы Al-Cu-Li произведенным в нашей стране является сплав ВАД23, а за рубежом сплав 2020 с содержанием Li 1,1%. Эти сплавы имели либо низкие показатели прочностных характеристик, либо низкую пластичность и вязкость разрушения.

На сегодняшний день сплавы системы Al–Li получают методом литья с растворением легирующих элементов в расплаве Al, при этом концентрация Li не превышает 3%.

27

Увеличить концентрацию Li (до 5%), а следовательно понизить плотность спала (на 14%) возможно использую методы порошковой металлургией. При подобных сочетаниях коррозионной стойкости и прочности рабочая температура сплава возрастает до

250°C.

Всоответствии с диаграммой состояния системы Al–Li растворимость Li в твердом состоянии в Al при температуре 600 °C составляет 6%, при комнатной температуре 1% [12].

Введение такого легирующего элемента в сплавы системы Al-Li как Zr способствует измельчению зерна, увеличению коррозионной стойкости. Подобное воздействие, но в меньшей степени на сплав оказывает введение Mn. Введение Si повышает предел текучести, понижая склонность к охрупчиванию.

Сплав 1420 (концентрация Li 0,1 – 2%) обладает модулем уп-

ругости 76000 МПа, является самый легкий из всех Al сплавов ( ρ=2500 кг/м3), имеет удовлетворительную коррозионную стойкость и сваривается всеми видами сварки. Для данного сплава проводят ТО заключающуюся в закалке с 450 °C с охлаждением в воде (возможно на воздухе) с последующим искусственным старением в течение 12 часов при температуре 120 °C. Закалка с охлаждением на воздухе обеспечивает повышенную коррозионную стойкость, а в воде – высокую пластичность. Сплав 1420 применят вместо Д16, достигая снижения массы конструкций с 13% до 20% [12].

Наиболее перспективными алюминиевыми сплавами для повышения весовой эффективности изделий авиационной техники являются разработанные в ВИАМе алюминий-литиевые сплавы с повышенной удельной прочностью (марки 1441, В-1461, В-1469 и др.), а также слоистые алюмостеклопластики на их основе. За рубежом аналоги указанных материалов широко применяются в гра-

жданских самолетах компаний Airbus, Boeing, Bombardier [13].

Сплавы 1424 и В-1461 относится к сплавам системы Al–Li третьего поколения, и являются улучшенными модификациями сплавов 1420 и 1460 (сплавов второго поколения). Сплавы 1424 и В-1461 легированы Zn, обладают пониженной плотностью, высокой удельной прочностью, коррозионной стойкостью, повышенными характеристиками малоцикловой усталости и вязкости раз-

28

рушения, высокой технологичностью. А так же выступаю в качестве альтернативы сплавам 1163-Т и В95о.ч.-Т2 [14].

Алюминий-литиевые сплавы достаточно технологичны при литье и последующей деформации. Производство катаных (в т. ч. тонкие листы толщиной до 0,3 мм методом холодной рулонной прокатки, массивные плиты до 80 мм) полуфабрикатов освоено на ОАО «Каменск-Уральский металлургический завод», являющемся единственным производителем Al–Li сплавов в России.

3.4. Жаропрочные, коррозионностойкие и криогенные сплавы

Жаропрочные алюминиевые сплавы АК4, АК4–1 имеют высокую ковкость, жаропрочность и пластичность, хорошо деформируются в горячем состоянии. Благодаря перечисленным свойствам эти сплавы широко используются в изготовлении поковок и штамповок, работающих при повышенных температурах. Подобные детали нашли широкое применение в авиастроении, так как способны функционировать в течение 40000 часов при высоких нагрузках, обладают малой скоростью распространения трещин.

Сплав АК4–1 (σв = 420 МПа; σ0,2 = 270 МПа) применяют в качестве конструкционного материала в машиностроении и самолетостроении. Используется в виде плит, штамповок, листов в конструкциях планера современных самолетов. Например, из АК4–1 изготавливались монолитные фрезерные панели крыла сверхзвукового пассажирского самолета Ту–144. Для уменьшения коробления и поводок закалку деталей сложной конфигурации можно производить в кипящей воде. Микроструктура сплава АК4–1 (штамповка) в закаленном и искусственно состаренном состоянии показана на рис. 17.

Жаропрочные алюминиевые сплавы АК2, АК4 и АК4–1 по химическому и фазовому составам близки к сплавам типа дуралюмин. Как и дюралюмины, сплавы АК2, АК4 и АК4 – основаны на системе легирования Al–Cu–Mg, основными упрочняющими фазами при термической обработке служат фазы S-Al2CuMg и CuAl2.

Cплавы марок АК2, АК4 и АК4–1 отличаются от дюралюминов тем, что в качестве легирующих элементов в значительных количествах содержат железо, никель и кремний.

29