Применение алюминиевых сплавов для постройки самолётов
Алюминий в самолётостроении
История мировой авиации тесно связана с алюминием и историей создания алюминиевых сплавов, и чем прочнее и надежнее становился алюминий, тем выше, дальше и безопаснее летали самолеты. Но прежде чем стать незаменимым и главным материалом авиаконструкторов, алюминий прошел долгий путь от чистого металла до высокопрочных сплавов.
Первым, кто сумел понять потенциал алюминия в аэрокосмической промышленности, был писатель Жюль Верн, который в 1865 году в своем фантастическом романе «Путешествие на луну» подробно описал ракету из алюминия. В 1903 году братья Райт подняли в воздух первый самолет, части двигателя которого были изготовлены из алюминия.
Впервые «авиационный» алюминий появился в Германии в начале ХХ века. В то время он только начинал «входить в моду» — технология его промышленного производства уже была отработана, но объемы выплавки были пока небольшими. Многие ученые задались тогда целью решить задачу упрочнения алюминия. В их числе был Альфред Вильм, немецкий ученый-физик. Во время своих опытов по подбору компонентов для укрепления алюминия он, неожиданно для себя и всего научного сообщества, открыл «эффект старения» алюминиевого сплава, который заключается в существенном увеличении прочности металла после закалки его в течение долгого времени. Открытие Альфреда Вильма было запатентовано и внедрено в производство на заводе Duerener Metallwerke AG. В 1909 году предприятие официально представило свою продукцию — сверхпрочный сплав дуралюминий (алюминий, медь (1,3%), магний 2,8% и марганец (1%)). Этот металл фактически стал базовым для развития самолетных сплавов.
Достоинства дюренерского «алюминия» оценил профессор термодинамики, авиаконструктор Ахенского университета Хуго Юнкерс. Он неоднократно пытался собрать цельнометаллический самолет — 15 декабря 1915 года на военном аэродроме города Деберица прошли испытания планера J1, сделанного из листового железа. Но представители военного ведомства самолет «забраковали», назвав его «жестяным ослом»: слишком тяжелый, с низкой скороподъемностью и маневренностью, J1 не соответствовал требованиям военной авиации. Юнкерс понимал, что главный «виновник» провала — металл. Нужна была альтернатива толстым (до 1 мм) железным листам. И такая альтернатива нашлась!
Дюралюминий отвечал всем требованиям Хуго Юнкерса — высокая прочность, ковкость и необыкновенная для металла легкость пришлись очень кстати. Уже в 1917 году на аэродроме Адлершоф поднялся в воздух истребитель J.7, полностью построенный из «легкого» металла.
В том же году начался серийный выпуск военных самолетов Junk J.1, заказанных оборонным ведомством Германии для участия в кампаниях Первой мировой войны. Во время боевых действий дюралюминий полностью оправдал расчеты Юнкерса — металл надежно защищал пилота от пуль и снарядов. Самолеты Junk J.1 были названы летающими танками: известен случай, когда дюралюминий выдержал 480 пулевых прострелов крыльев и фюзеляжа; при этом самолет не просто выполнил боевое задание, но и благополучно приземлился на базу.
Успех первых J.7 и Junk J.1 предопределил рывок в развитии немецкой военной авиации — дюралюминий стал фаворитом конструкторского бюро Юнкерса. Германия выиграла битву за небо, однако ее соперники сдаваться не собирались — в СССР и США полным ходом шли разработки сверхпрочных алюминиевых сплавов.
В 1918 году по настоянию конструктора А. Н. Туполева и профессора Московского государственного университета Н. Е. Жуковского был создан Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ), в котором начались разработки новых моделей самолетов и исследования металлических сплавов. ЦАГИ работал совместно с некоторыми металлолитейными заводами, что позволяло оперативно получать и тестировать новые варианты металла. Однако целых четыре года старания исследователей были безрезультатны — созданные сплавы не проходили проверку на прочность.
В то время в Советской России велись разработки деревянных самолетов, многие из которых были весьма успешными. К идее запустить в небо металл правительство страны отнеслось без энтузиазма: алюминий в стране был импортным, да и тайну дюралюминия немецкие конструкторы свято оберегали.
Весной 1922 года в ЦАГИ произошло знаменательное событие: в институт был доставлен фюзеляж сбитого истребителя Junkers D.I — бесценный с точки зрения отечественной авиации трофей. Для изучения состава металлического покрытия самолета была организована отдельная группа «Секция испытания материалов». Исследователи не просто определили формулу дюралюминия, но и смогли разработать более прочный вариант сплава, способный конкурировать с иностранными разработками. Результаты их работы были направлены на Латунный и меднопрокатный завод товарищества Кольчугина и на ленинградский завод «Красный Выборжец».
Первыми отечественное ноу-хау освоили металлурги Кольчугинского завода: в конце 1922 года завод начал производство «кольчугалюминия» — первого советского высокопрочного сплава. А уже в следующем году конструкторскому бюро Туполева был предоставлен полный «самолетный» комплект — листовой, гофрированный и профилированный кольчугалюминий. Началась работа по созданию конкурента Юнкерсу — советского самолета АНТ-2, который был представлен 28 мая 1924 года.
Алюминий играл важную роль во время Второй мировой войны. Неоценимый вклад в создание оборонной мощи Советской Армии внес Уральский алюминиевый завод (УАЗ). Первая очередь УАЗа была пущена в сентябре 1939 года. Накануне войны здесь выпускалось 36% алюминия, производившегося в стране. Высокопрочные дюралюминиевые листы и плиты служили основным материалом для обшивки самолетов. Из них получали заготовки сложной формы для деталей авиадвигателей, винтов, шасси, силового набора в фюзеляже самолета. Из пластичного малолегированного дюралюминия и алюминиево-магниевых сплавов прокатывали проволоку для заклепок, соединительные элементы обшивки, из листов сплава алюминия с марганцем сваривали емкости для горючего. Без магниевых и алюминиевых порошков нельзя было выпускать бомбы, снаряды, осветительные ракеты.
Сегодня алюминий используется в авиационной промышленности повсеместно. От 2/3 до 3/4 сухого веса пассажирского самолета и от 1/20 до 1/2 сухого веса ракеты- вот доля алюминия в летающих конструкциях. Из алюминиевых сплавов была изготовлена оболочка первого советского искусственного спутника Земли. Оболочка корпусов американских ракет «Авангард» и «Титан», применявшихся для запуска на орбиту первых американских спутников, а позднее и космических кораблей, также была выполнена из сплавов алюминия. Из них делают различные детали космической аппаратуры — кронштейны, крепления, шасси, футляры и корпуса для многих инструментов и приборов.
В авиации широко применяются сплавы серии 2ххх, Зххх, 5ххх, 6ххх и 7ххх. Серия 2ххх рекомендована для работы при высоких рабочих температурах и с повышенными значениями коэффициента вязкости разрушения. Сплавы серии 7ххх — для работы при более низких температурах значительно нагруженных деталей и для деталей с высокой сопротивляемостью к коррозии под напряжением. Для малонагруженных узлов применяются сплавы серии Зххх, 5ххх и 6xxx. Они же используются в гидро-, масло- и топливных системах.
Бесспорное преимущество имеется у алюминиевых сплавов при создании объектов космической техники. Высокие значения удельной прочности, удельной жесткости материала позволили обеспечить изготовление баков, межбаковых и носовых частей ракеты с высокой продольной устойчивостью. К достоинствам алюминиевых сплавов (2219 и др.) следует отнести их работоспособность при криогенных температурах в контакте с жидким кислородом, водородом и гелием. У этих сплавов происходит так называемое криогенное упрочнение, т.е. прочность и пластичность параллельно растут с понижением температуры.
Инженеры и конструкторы не перестают изучать свойства алюминия, разрабатывая все новые сплавы для строительства воздушных и космических судов. Кто знает, возможно, совсем скоро то, о чем пишут нынешние фантасты, будет воплощено в жизнь.
Высокопрочные Al сплавы
Высокопрочные Al сплавы на базе системы Al-Zn-Mg-Cu (Zr) обладают наивысшей удельной прочностью при большом диапазоне прочностных характеристик (σв=500-700 МПа) и универсальной номенклатурой полуфабрикатов (катаных, прессованных, кованых). Широкое назначение - авиакосмическая и ракетная техника, наземный транспорт.
Преимущества: - повышенная весовая эффективность 15-25%; - длительный ресурс. В96Ц3п.ч. (1965-1) Т12/Т22 - особопрочный (σв≥615-645 МПа; σ0,2≥595-620 МПа; δ>7-8%) сплав, рекомендуется вместо сплавов типа В95о.ч.-Т2 в основном в виде длинномерных катаных (плиты, листы) и прессованных (профили, панели, полосы) полуфабрикатов для верхних обшивок крыла, стоек, балок и других элементов в преимущественно сжатых зонах планера перспективных самолетных конструкций. Из сплава освоено литье крупногабаритных круглых и плоских слитков; сплав обладает хорошей технологической пластичностью при изготовлении полуфабрикатов в металлургическом производстве. В95о.ч., В95п.ч., (σв≥500-560 МПа) - (σв≥500-540 МПа; σ0,2≥430-480 МПа; δ>7-8%) - наиболее широко применяемые высокопрочные сплавы преимущественно в виде катаных и прессованных длинномерных (до 30 м) полуфабрикатов для обшивок верха крыла (плит, листов), стрингеров (гнутых листовых и прессованных), балок, стоек и других элементов фюзеляжа и крыла современных самолетов (Ту-204, Ил-96, Бе-200). Широкофюзеляжный пассажирский самолет Ил-96. Верх крыла изготовлен из сплава В95п.ч.-Т2, низ крыла и обшивка фюзеляжа - из сплава 1163-Т.
