МАКС-2019: ВИАМ создаст новые сплавы для самолёта SSJ-New
28 августа в рамках деловой программы Международного авиационно-космического салона МАКС — 2019...
Алюминий в авиационной промышленности. Алюминий VS композиты и титан
Помимо мощных двигателей, самолету нужен планер из прочного и легкого материала, как алюминий. Несмотря на высокую конкуренцию, этот металл никому не уступает свой статус «крылатого», и остается основным и самым надежным конструкционным материалом в авиационной технике.
В современных самолетах практически нет элементов или систем, в которых не используются различные алюминиевые сплавы. Например, топливные баки, колеса самолета, гидравлические и масляные трубопроводы, топливная система, бортовая кабельная сеть, системы терморегулирования, сиденья самолета, различные элементы интерьера и многое другое.
Силовой набор планера и крыла состоит из алюминиевого каркаса, стрингеров, нервюр и лонжеронов, покрытия, различных элементов обшивки и конечно же заклепок, которых в самолете несколько сотен тысяч штук. Именно алюминиевые конструкции несут на себе все нагрузки и служат защитой пассажиров от внешней среды во время полетов.
Почему алюминий?
Крупнейшие мировые производители самолетов предпочитают алюминий за его уникальные свойства. Он в 3 раза легче стали и намного дешевле титана. Скорость механической обработки алюминиевых сплавов гораздо выше, чем у стальных аналогов (в 4-6 раз), а листовые материалы из алюминиевых сплавов на порядок дешевле углекомпозитов. При введении в алюминий около 4% меди и 1,5% магния вместе с термообработкой позволяет повысить прочность чистого алюминия в 10 раз. Кроме того, изделия из алюминия легко перерабатываются и подвергаются глубокой переработке.Новые конкурентоспособные алюминиевые решения повышают рентабельность полетов, экономическую эффективность. «Сегодня гражданская авиация, которая потребляет большую часть алюминия, является коммерческим продуктом, и самолет, как и автомобиль, имеет свои расходы на техническое обслуживание, удельный расход топлива и другие потребительские качества. Самолеты малой и средней дальности с алюминиевыми характеристиками конкурентоспособны и быстро окупаются»,-отметил Дмитрий Рябов, научный директор ИЛМиТ.
Алюминий против композитов и титана
Основными конкурентами алюминия в авиационной промышленности являются полимерные композиционные материалы, сделавшие рывок вперед в прочности и надежности. Но алюминий дешевле авиационных композитов, его ремонтопригодность значительно выше, а его поведение известно конструкторам и технологам.«В будущем алюминий сохранит свои позиции в авиации. Да, сейчас появляются самолеты с композитным крылом или фюзеляжем, но даже в таких решениях есть алюминиевые конструкции. Для массового использования композитов необходимо решить ряд важных задач, начиная от формирования окончательных подходов к проектированию и заканчивая вопросами повышения молниестойкости, поэтому на самолетах с алюминиевыми деталями мы будем летать еще долго», - пояснил Дмитрий Рябов.
Что касается титана, то его сравнение с алюминием некорректно. «Титан весит на две трети больше алюминия. Титан - переходный металл, характеризующийся высокой прочностью и высокой температурой плавления. И это намного дороже», - сообщил эксперт Алюминиевой Ассоциации, Святослав Пантелеев.
База для планера
Основные системы сплавов для аэрокосмических материалов были определены давно и могут быть разделены на две группы:• дюрали – сплавы на основе системы Al-CuMg
• высокопрочные сплавы на основе системы Al-Zn-Mg-Cu
Первая группа способна сопротивляться разрушению в условиях знакопеременных нагрузок с нанесенным концентратором. Высокопрочные сплавы из второй группы обладают значительной прочностью (может превышать 600 МПа) и высокой вязкостью разрушения.
В совокупности эти материалы составляют основу планера самолета и состоят внешние и внутренние детали фюзеляжа и крыла.
Обе группы сплавов используются в самолетах на протяжении десятилетий. С развитием алюминиевой металлургии их состав был оптимизирован, материалы стали чище по содержанию железа и кремния - основных примесей. Также были разработаны специальные режимы термомеханической обработки, демонстрирующие их наилучшие рабочие характеристики.
Есть материалы «попроще» - магналия (сплавы Al-Mg) и авиали (сплавы Al-Mg-Si). Однако их использование ограничивается неответственными деталями и элементами интерьера.
Как это сделано
Технологии обработки алюминия для производства компонентов самолетов включают литье, штамповку, механическую обработку, сварку, пайку, волочение и резку. В основном самолет изготавливается из листов, которые используются для покрытия плит и прессованных профилей для силовой передачи и различных вафельных панелей, а также для поковок и штамповки.Конечно, есть специфика. К примеру, к листам обшивки предъявляются особые требования по чистоте отделки и качеству проката: чем меньше дефектов поверхности, тем лучше аэродинамика самолета. Существуют отдельные отраслевые стандарты и спецификации для авиационной продукции. В некоторых полуфабрикатах необходимо определять вязкость разрушения, характеристики удельной электропроводности и даже размер зерна. Все это для обеспечения бесперебойной работы самолета.
Металлопродукция с 3D-печатью уже успешно применяется в двигателестроении. Это открывает путь к использованию алюминиевых печатных деталей в воздушных судах. Аддитивные технологии позволяют использовать необычные алюминиевые материалы, которые невозможно получить с помощью традиционных технологий обработки.
«Институт легких материалов и технологий создал целую линейку порошков, которые после печати демонстрируют впечатляющие прочностные характеристики, которые ранее были недоступны при печати стандартным сплавом, таким как AlSi10Mg. Это не только высокая прочность, но и повышенные рабочие температуры. Печать в сочетании с новыми материалами и специальными конструкторскими технологиями для 3D-принтеров сделает конструкцию воздушного судна еще более совершенной », - говорит Дмитрий Рябов.
Помимо традиционных сплавов, ИЛМиТ также разработал легированные скандием материалы для 3D-печати, которые после печати и отжига демонстрируют прочность на уровне высокопрочных аналогов, что до сих пор недостижимо для литейных сплавов.
Создание и внедрение новых материалов расширит использование алюминия в авиационной промышленности. Исследователи и разработчики совершают новые открытия в сплавах, технологиях деформации и термообработки.
Здесь стоит упомянуть алюминий-литиевые сплавы. Хотя положительное влияние лития на алюминий было обнаружено давно, новые составы материалов регистрируются и сегодня. Такие материалы обладают высокой прочностью, которая не уступает лучшим высокопрочным сплавам Al-Zn-Mg-Cu, но при этом имеют пониженную (на 5-10%) плотность и повышенный модуль упругости, что сказывается на жесткости конструкции.
Если все листы в облицовке заменить листами из алюминий-литиевых сплавов одинаковой толщины, вес обшивки снизится на 7%. Главным недостатком таких конструкций является цена, но алюминий-литиевые сплавы все же используются в современных самолетах.
Также весьма перспективны скандийсодержащие сплавы системы Al-Mg-Sc. Они не могут иметь прочностных свойств на уровне алюминий-литиевых сплавов, но по прочности сравнимы с дюралями. Они не требуют упрочняющей термической обработки и чрезвычайно устойчивы к коррозии. Но самое главное - они сварные, что дает возможность отказаться от клепаных конструкций в пользу сварных.
Опыт производителей самолетов Airbus показал, что использование этих материалов в сочетании с лазерной сваркой позволяет снизить вес обшивочных панелей на 15% без потери производительности и эксплуатационных характеристик.
Были разработаны сплавы с пониженным содержанием скандия, что обеспечивает полуфабрикатам конкурентоспособную цену. Скандий в алюминии не будет эксклюзивной добавкой в будущем и сможет конкурировать с другими материалами.
Подводя итог, можно сказать, что у алюминия есть большой исследовательский потенциал, чтобы не только гордо носить титул «крылатый» металл, но и продолжать служить людям искусственными крыльями, чтобы они могли оказаться на другом континенте за считанные часы.
