Авиационный алюминий: производство и область применения

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.

Авиационный алюминий
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.

Восток-1
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
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
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.

ОСТАВЬТЕ КОММЕНТАРИЙ

Please enter your comment!
Please enter your name here