Развитие авиационной металлургии в России

Введение.

К алюминиевым сплавам пониженной плотности относятся алюминий-литиевые сплавы.

Алюминий-литиевые сплавы являются новым классом широко известных алюминиевых систем и характеризуются прекрасным сочетанием механических свойств: малой плотностью, повышенным модулем упругости и достаточно высокой прочностью. Это позволяет создавать аэрокосмическую технику с меньшей массой, что даёт возможность экономии горючего, увеличения грузоподъемности и улучшения других характеристик летательных аппаратов.

   Алюминиевые сплавы, легированные  литием, относятся к стареющим  системам и отличаются сложностью фазовых и структурных превращений в процессе их термообработки. Эти изменения оказывают сильное влияние на характеристики трещиностойкости, вязкости разрушения, коррозионной стойкости и сопротивления циклическим нагрузкам. Поэтому их понимание представляет большое научное и практическое значение.

 

   Основные свойства сплавов Al-Li.

Увеличение содержания лития уменьшает  плотность алюминия. Добавки лития  в пределах твердого раствора приводят к непрерывному увеличению удельного  сопротивления. Модуль упругости алюминия возрастает с увеличением содержания лития. При максимальной растворимости лития в твердом растворе модуль упругости составляет 8000кг/мм². Увеличение содержания лития приводит к повышению прочностных характеристик алюминия. При содержании лития до 2% прочность сплавов возрастает без снижения пластичности, при дальнейшем увеличении содержания лития пластичность резко снижается. Литий при концентрациях до 0,8% сообщает алюминиевым сплавам повышенную стойкость к коррозии, более высокую, чем у чистого алюминия.

 

   Общая характеристика промышленных алюминий-литиевых сплавов.

   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.

   К настоящему времени  создан целый класс сплавов пониженной плотности различного назначения:

• сплавы для изготовления сварных конструкций;
• высокопрочные сплавы для замены сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu типа В95;
• сплавы с высокой трещиностойкостью для замены сплавов типа Д16 системы Al-Cu-Mg;
• жаропрочные сплавы.

 

   На базе системы Al-Mg-Li разработан оригинальный сплав 1420. Он самый легкий (плотность 2,47г/см3), коррозионностойкий, свариваемый, имеет сравнительно высокую (по сравнению с предыдущими сплавами) 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%. Предназначен для использования в конструкции самолетов (сварные герметичные отсеки, окантовки иллюминаторов, компоненты кабины); корпусах ракет; в наземном транспорте (штампованные колеса). Применение сплава обеспечивает для изделий авиакосмической техники снижение массы клепаной конструкции до 12 %, сварной - до 24 %. Эффективно использование сплава 1420 для изготовления штамповок вместо сплава АК6 в связи с пониженной на 10% плотностью, повышенными характеристиками усталости и коррозионной стойкости, модулем упругости.

 Применен 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 изделиях Су-27 (до 800 деталей); Ту-204; Ми-26Т.

   С целью повышения прочностных  свойств, особенно предела текучести,  предложены модификации сплава 1420 (1421 и 1423), которые дополнительно легированы скандием и различаются лишь содержанием магния.

1424-ТГ1/ТГ2 -  среднепрочный коррозионностойкий свариваемый сплав пониженной плотности, с высокими модулем упругости (d=2,54 г/см³, Е=80 ГПа, σв>430-460 МПа, σ0,2>290-350 МПа)  и характеристиками вязкости разрушения, трещиностойкости и термической стабильности при длительных солнечных нагревах. Освоено производство листов, прессованных профилей, в том числе с закалкой на желобе пресса (ТГ2), разработаны технологии сварки (σв.св=0,8σв) и изготовления деталей сложной конфигурации в режиме сверхпластичности. Рекомендуется для клепаных и сварных конструкций авиакосмической техники (обшивка и внутренний набор фюзеляжа, сварные элементы конструкций), обеспечивает снижение массы на 10-20%.

   Высокопрочные сплавы 1450 и 1451 системы Al-Cu-Li характеризуются высокой прочностью не только при комнатной, но и при повышенных температурах, а также обладают хорошей коррозионной стойкостью. При замене сплава В95 сплавами 1450 и 1451 (последний предназначен главным образом для изготовления листов) масса конструкции может снизиться на 8-10% при повышении жесткости до 10%. Высокой жаропрочностью при температурах до 2250С обладает сплав ВАД23, дополнительно содержащий марганец и кадмий.

   Для замены сплавов типа  Д16 на базе системы Al-Mg-Li-Cu разработаны сплавы 1430 и 1440 с более низкой (на ~ 8%) плотностью, повышенным (на 10%) модулем упругости и достаточно высокой трещиностойкостью. Сплав 1430 отличается от сплава 1440 повышенной (в 1,5-2 раза) пластичностью и несколько уступает ему по характеристикам малоцикловой усталости.

1441-Т1 - высокотехнологичный среднепрочный высокомодульный сплав

(σв≥410 МПа, Е=80 ГПа, d=2,6 г/см3, СРТУ(dl/dN)=1,4 мм/кцикл при ∆К=31 МПа√м,  f=5 Гц), позволяет получать плакированные и неплакированные листы толщиной до 0,3 мм методом холодной рулонной прокатки. Показано, что СРТУ в листах сплава 1441Т1 в коррозионной среде (3,5 %-ный раствор NaCl) при низких частотах нагружения (f=0,01Гц) сохраняет низкие значения, сопоставимые с СРТУ листов сплава Д16чТ.

 Освоено промышленное  производство  листов с различной регламентированной плакировкой, прессованных профилей и плит. Рекомендуется для силовых элементов планера (обшивок фюзеляжа, стрингерного набора), работающих во всеклиматических условиях до температуры 130°С.

 Обшивочные листы сплава 1441 успешно и длительно применяются  в гидросамолетах Бе-103 и Бе-200 ОАО «ТАНТК им. Г.М. Бериева». 

В-1461-T1 - высокопрочный коррозионностойкий свариваемый сплав пониженной плотности, с повышенным модулем упругости  (d=2,63 г/см3, Е=79,5 ГПа, σв>540-560 МПа, σ0,2>490-510 МПа), обладает высокими характеристиками. Освоено производство листов, плит и прессованных полуфабрикатов. Рекомендуется для клепаных и сварных конструкций авиакосмической техники (обшивка и силовой набор планера, элементы конструкций), обеспечивает снижение массы на 8-15% и работоспособность в широком интервале температур - от криогенных до повышенных (=270 МПа, =250 МПа).

В-1469-Т1 - высокопрочный коррозионностойкий свариваемый сплав пониженной плотности (d = 2,67 г/см3, Е = 78-80 ГПа, σв ≥ 580-600 МПа, σ0,2 ≥ 540-560 МПа,  δ ≥ 8 %, σкр = 400 МПа, σвсв/σв > 0,6). Технологичен при литье и обработке давлением, что позволяет получать из него все виды полуфабрикатов, в том числе листы холодной рулонной прокаткой, сваривается всеми видами сварки.

Освоено промышленное производство листов толщиной 1,2-6,0 мм и прессованных профилей. Рекомендуется для элементов, работающих на сжатие длительно во всеклиматических условиях до температур 150 °С (верхние поверхности крыла, лонжероны, балки, стрингеры). Эффективное использование в авиационной и ракетно-космической технике обеспечивает снижение массы деталей и узлов на 10 % в клёпаной и на 20 % в сварной конструкции. 

   Интенсивные работы по  созданию алюминий-литиевых сплавов велись также в США, Великобритании и Франции. В середине 80-х годов появились сплавы 2090 системы Al-Cu-Li, 2091 системы Al-Cu-Li-Mg, 8090 и 8091 системы Al-Li-Cu-Mg  и публикация состава сплава Navalite системы Al-Mg-Li-Cu.

   Сплавы 2090 (аналог отечественного сплава 1450) и 8091 предложены для замены высокопрочных сплавов типа 7075 (отечественные сплавы типа В95), по сравнению с которыми они имеют пониженную на 8-10% плотность и повышенный модуль упругости.

   Сплавы 8090 (аналог отечественного сплава 1440), 2091 и Navalite (аналог сплава 1430) рекомендованы для замены сплавов средней прочности с повышенной трещиностойкостью типа 2024 и 2014 (типа Д16 и АК8), по сравнению с которыми они имеют пониженную (на ~ 8%) плотность и повышенный (на ~ 10%) модуль упругости.

 

   Химический состав (основных  легирующих и примесных элементов) алюминий-литиевых сплавов приведен в таблице 1.

 

 

 

 

 

ТАБЛИЦА 1. Химический состав, плотность 

Марка сплава	Массовое содержание элементов, %							ρ,   г/см3	Е,   ГПа
	i	Mg	Cu	Zr	Sc	Fe	Si(не более)
1420	1,8-2,3	4,5-6,0	-	0,08-0,15	-	0,2	0,15	2,47	76
1423	1,8-2,2	3,2-4,2	-	0,06-0,10	0,10-0,20	0,15	0,10	2,50	77
1430	1,5-1,9	2,3-3,0	1,4-1,8	0,08-0,14	-	0,15	0,10	2,57	79
1440	2,1-2,6	0,6-1,1	1,2-1,9	0,10-0,20	-	0,15	0,10	2,56	80
1450	1,8-2,3	≤0,2	2,7-3,2	0,08-0,16	-	0,15	0,10	2,6	79,5
1451	1,5-1,8	≤0,2	2,7-3,2	0,08-0,16	-	0,15	0,10	2,63	78,5
ВАД23	0,9-1,4	-	4,8-5,8	0,4-0,8 Mn	0,1-0,25 Cd	0,3	0,2	2,72	76
8090	2,2-2,7	0,6-1,3	1,0-1,6	0,04-0,16	-	0,30	0,2	2,54	79,5
8091	2,4-2,8	0,5-1,2	1,6-2,2	0,08-0,16	-	0,50	0,3	2,56	80
2090	1,9-2,6	0,25	2,4-3,0	0,08-0,15	-	0,12	0,1	2,59	80
2091	1,7-2,3	1,1-1,9	1,8-2,5	0,04-0,16	-	0,30	0,2	2,57	78
Navalite	1,6-2,8	1,7-3,9	0,9-1,4	0,14	-	-	-	-	-

Отечественные сплавы несколько отличаются от соответствующих зарубежных аналогов по содержанию основных легирующих элементов и дополнительным комплексным микролегированием. Кстати, за рубежом нет аналога отечественному сплаву 1420. Это объясняется значительными трудностями при плавке и литье сплавов системы Al-Mg-Li. Поэтому зарубежные фирмы сосредоточили свои усилия на разработке и освоении более технологичных, но менее плотных, чем 1420, сплавов систем Al-Cu-Li и Al-Cu-Li-Mg.

   В процессе освоения промышленного  производства полуфабрикатов из  сплава 1420 у нас 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.

 

   Большое внимание было  уделено таким вопросам:

• уменьшение газосодержания в сплаве;
• повышение чистоты по таким примесям, как Na, K, Fe, Si;
• отработка технологии получения полуфабрикатов с регламентированной микроструктурой, включая листы с ультрамелкозернистой структурой для сверхпластичной формовки;
• отработка технологии сварки плавлением, обеспечивающей высокие ресурсные характеристики.

 

   Свойства промышленных полуфабрикатов из сплавов Al-Li.

 

Из промышленных алюмимний-литиевых сплавов изготавливают практически все виды полуфабрикатов– листы, плиты, штамповки и разнообразной формы прессованные изделия, которые могут применяться в зависимости от требуемого комплекса и уровня свойств в нескольких состояниях.

   В системе обозначений  состояний термически упрочняемых  сплавов, принятой за рубежом, указываются различные виды термической обработки и используемые сочетания и последовательности холодной деформации и старения.  Некоторые из них приведены ниже (буква Т обозначает термическую обработку для получения стабильных состояний):