Публикации »

Современные алюминиевые сплавы для плоского проката, применяемого в транспортном машиностроении

Современные алюминиевые сплавы для плоского проката, применяемого в транспортном машиностроении

 

Катаные полуфабрикаты (листы и плиты) составляют основную часть полуфабрикатов, которые используются, прежде всего, для внешних обшивок крыла, фюзеляжа и хвостовой части, в виде гнутых листовых профилей для стрингерного набора фюзеляжа, а также для сложных элементов жесткости из сверхпластичных листов.

 

Для обеспечения возрастающих требований к надежности, ресурсу и весовой эффективности конструкций происходит постоянное совершенствование композиций алюминиевых сплавов по легирующим элементам и примесям, технологических процессов и параметров производства, осуществляется поиск новых режимов термической и термомеханической обработок полуфабрикатов для получения необходимого и сбалансированного комплекса механических, коррозионных и технологических характеристик.

 

Высокопрочные алюминиевые сплавы

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 (sВ/d достигает23 км), что позволяет повысить весовую эффективность конструкции на 10–20% [1].

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 полуфабрикатов.

Для формирования оптимальной структуры и технологических параметров производства авиационных полуфабрикатов с целью сочетания столь высокого уровня прочности (sВ > 600 МПа) с другими необходимыми эксплуатационными характеристиками (усталости, трещиностойкости, коррозионной стойкости) выполнен широкий комплекс научно-исследовательских и технологических работ.

В условиях металлургического производства ОАО «Каменск-Уральский металлургический завод» оптимизированы режимы деформации при прокатке, что уменьшило анизотропию свойств и зеренной структуры, повышена температура и однородность закалки плит на современном горизонтальном закалочном агрегате Ebner (фото 1), внедрен трехступенчатый режим старения для повышения коррозионной стойкости к РСК и КР.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

     а                                                                    б

Фото 1. Плита из сплава В96ц-3пч (а) и комплекс «Чкаловский» по термообработке длинномерных плит на ОАО «КУМЗ» (б)

 

Катаные полуфабрикаты из сплава В96ц-3пч Т12 паспортизованы, для применения выпущена необходимая ТД (ТУ, ТР).

 

Таб. 1. Сравнительные характеристики плит (направление Д)

Сплав и состояние

Толщина

t, мм

Документация

sВ,

МПа

s0,2,

МПа

d,

%

sВ/d,

км

KIC,

МПаÖм

МЦУ

Nср,

К циклы

(smax=157 МПа)

В96ц-3пчТ12

(1965-1)

15–50

Доп. к паспорту

№ 1720

ТУ 1-804-438

> 615

> 595

> 8,0

21,4

> 25,0

240

В95очТ2

11–40

Доп. к паспорту

№ 1005

Сертификат

ТУ 1-92-81

> 510

> 430

> 7,0

17,9

> 35

160

 

 

Высокоресурсные алюминиевые сплавы

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 (КСУ).

Для оптимального раскроя обшивок и уменьшения стыков по окружности фюзеляжа требуются также листы больших габаритов (шириной 2 200 и длиной9 500 мм), чем серийно выпускаемые (шириной не более2 000 мми длиной не более7 200 мм).

В связи с этим проведена работа, направленная на улучшение служебных характеристик листов из сплавов типа 1163 РДТВ, в результате которой проведена оптимизация состава по основным элементам и примесям в рамках марочного, выбран состав и толщина твердой регламентированной плакировки, в условиях ОАО «Ступинская металлургическая компания» усовершенствованы технологические параметры на всех этапах технологического цикла изготовления листов шириной до2 200 ммс улучшенным комплексом свойств (фото 2, табл. 2).

 

 

Основа листа — сплав 1163 РДТВ

 

Регламентированная (толщиной 1–2%) твердая плакировка

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Фото 2. Микроструктура листов из сплава 1163 РДТВ

 

Табл. 2. Сравнительные характеристики листов (направление Д)

Сплав и состояние

Толщина

t, мм

Документация

sВ,

МПа

s0,2,

МПа

d,

%

МЦУ

Nср,

К циклы

(smax=157 МПа)

КСУ,

МПаÖм

(B=750 мм)

dl/dN,

мм/Кц (DК=31 МПа)

1163 РДТВ

1,5–3

ТУ 1-801-006-2010

³ 430

³ 280

³ 15

159

145

1,8

1163 АТ

1,9–6

ОСТ 1 90070-92

³ 425

³ 275

³ 11

110

133

1,9

 

Применение листов из сплава 1163 РДТВ с повышенными на 10–25% характеристиками пластичности, вязкости разрушения, усталостной долговечности, по сравнению с 1163АТ, позволит повысить ресурс и надежность обшивок фюзеляжа перспективных самолетов.

 

Алюминий-литиевые сплавы и слоистые алюмостеклопластики

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 гражданских самолетах компаний Airbus, Boeing, Bombardier.

Высокопрочные алюминий-литиевые сплавы марок В-1461, В-1469 могут применяться взамен В95пч/оч для силового внутреннего набора планера. Они обладают улучшенным комплексом прочностных, ресурсных характеристик и исключительной коррозионной стойкостью, подтвержденной лабораторными и длительными натурными климатическими испытаниями. В отличие от серийных высокопрочных сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu, практически все алюминий-литиевые сплавы свариваются всеми видами сварки (σвсв/σв>0,7 при ААрДЭС, σвсв/σв>0,8 при сварке трением с перемешиванием), что позволяет их применять не только в клепанных, но и в сварных конструкциях (табл. 3).

 

Табл. 3. Сравнительные характеристики листов (направление Д)

Сплав и состояние

Толщина

t, мм

Документация

sВ,

МПа

s0,2,

МПа

d,

%

МЦУ

Nср,

К циклы

(smax=157 МПа)

КР, МПа (П)

dl/dN,

мм/Кц (DК=31 МПа)

В-1461Т1

1,5–3

ТУ 1-804-435-2006

³ 540

³ 490

³ 7

250

350

1,7

В-1469Т1

1,5–3

ТУ 1-804-439-2007

³ 580

³ 540

³ 8

350

350

2,2

В95очТ2

1,9–4,5

ОСТ 1 90070-92

³ 460

³ 380

³ 8

160

170

2,6

 

Высокоресурсный сплав 1441 может применяться взамен сплава 1163 для силовых элементов планера (обшивка фюзеляжа, стрингерный набор). Обшивочные листы из этого сплава применяются в гидросамолетах Бе-103 и Бе-200. Преимуществами сплава 1441, по сравнению со сплавом 1163, являются пониженная на 6,5% плотность (2,59 г/см3), повышенная на 15% удельная прочность, улучшенные на 20–30% ресурсные характеристики (табл. 4).

 

Табл. 4. Характеристики листов (направление Д)

Сплав и состояние

Толщина

t, мм

Документация

d, г/см3

Е,

ГПа

s0,2,

МПа

МЦУ

Nср,

К циклы

(smax=157 МПа)

dl/dN,

мм/Кц (DК=31 МПа)

1441РДТ1

1,5–3

ТУ 1-804-317-93

2,59

79,5

³ 305

170

1,4

 

Алюминий-литиевые сплавы достаточно технологичны при литье и последующей деформации. Производство катаных (в т. ч. тонкие листы толщиной до0,3 ммметодом холодной рулонной прокатки, массивные плиты до80 мм) полуфабрикатов освоено на ОАО «Каменск-Уральский металлургический завод», являющемся единственным производителем Al-Li сплавов в России.

Новый класс материалов серии «СИАЛ» представляет собой слоистый конструкционный материал, состоящий из чередующихся тонких алюминиевых листов из сплава 1441 и прослоек стеклопластика с клеевым препрегом различной структуры армирования в зависимости от условий работы элемента (фото 3 с рисунком).

Материал серии «СИАЛ» отличается сочетанием пониженной плотности (d = 2,35 г/см3) и высокой трещиностойкости (СРТУ в 10 раз ниже, чем в ресурсном сплаве 1163), прочности (sВ ³ 605 МПа, пожаростойкости и ударостойкости, что позволяет применять материалы этого класса для элементов обшивки фюзеляжа, противопожарных перегородок и ремонта эксплуатирующийся техники.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Фото 3. Состав материала серии «СИАЛ» (на рисунке) после испытания на пожаростойкость: отсутствие прогорания при Т = 1100 оС в течении 60 мин.

 

Высокотехнологичные свариваемые сплавы

Высокотехнологичный коррозионностойкий свариваемый сплав В-1341 разработан на основе системы Al-Mg-Si с микродобавкой кальция (до 0,3%). Кальций является модификатором при литье, задерживает процессы рекристаллизации, что обеспечивает высокую свариваемость и технологичность сплава, а также способствует формированию в полуфабрикатах регламентированной однородной мелкозернистой структуры и текстуры, благоприятной для получения деталей холодной деформацией с большими степенями вытяжки [2].

По комплексу свойств (особенно после длительных эксплуатационных нагревов) сплав В-1341 превосходит широко применяющиеся магналии — АМг2, АМг4, АМг6 (табл. 5).

 

 

Табл. 5. Сравнительные свойства листов

Сплав и состояние

Толщина

t, мм

Документация

sВ,

МПа

s0,2,

МПа

РСК, балл

КР, МПа (П)

В-1341Т1

1,5–3

ТУ 1-804-428-2005

³ 330

³ 260

2–3

250

АМг6М

0,6–3

ГОСТ 21631-76

³ 315

³ 157

3

160

 

Сплав вакуумно герметичен, что позволяет использовать для сварных узлов, работающих под давлением, листы меньшей толщины (фото 4).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Фото 4. Сварной топливный бачок из листов толщиной 1,5 мм сплава В-1341

 

В ВИАМе также разработаны сплавы 1913 системы Al-Zn-Mg-Cu и 1370 системы Al-Mg-Si-Cu. Данные сплавы термически упрочняемые, высокотехнологичные, свариваемые, обладают более высокими прочностными характеристиками по сравнению со сплавами системы Al-Mg-Si типа АВ.

Сплав 1913 имеет следующий уровень механических свойств: предел прочности — 450 МПа, предел текучести — 385 МПа при относительном удлинении 14,5%. Сплав не склонен к межкристаллитной коррозии и расслаивающей коррозии (РСК = 2 балл.). Критическое напряжение при испытании на коррозионное растрескивание на листах составляет 350 МПа. Отношение прочности сварного соединения и прочности основного материала составляет 0,95. Сварные соединения, также как и основной материал, имеют низкую скорость роста трещины усталости, в том числе и в коррозионной среде.

Сплав 1370 имеет следующий уровень механических свойств: предел прочности — 420–450 МПа, предел текучести — 380–390 МПа при относительном удлинении 10%. Сплав также обладает высоким сопротивлением коррозионному растрескиванию, расслаивающей и межкристаллитной коррозии. Высокие механические и коррозионные свойства сохраняются и после длительных нагревов при 85–130о С до 1000 час. и 150о С — до 100 час., т. е. сплав обладает термической стабильностью структуры и свойств при эксплуатационных нагревах [3].

Особенностью сплава 1370 является высокая технологичность как в металлургическом, так и в машиностроительном производстве. Это позволяет прокатывать листы толщиной до0,5 ммметодом холодной рулонной прокатки и изготавливать большую номенклатуру листовых деталей различной формы в состоянии поставки (естественно состаренное), что исключает операцию промежуточного отжига, как, например, в сплаве 1163Т. В этом случае после формообразования не требуется проводить перезакалку перед искусственным старением. Листы из сплава 1370 применены в конструкции Ан-148 (фото 5).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Фото 5. Самолет Ан-148: листы из сплава 1370 применены на передних кромках крыла и оперения стабилизатора вместо сплава АК4-1Т1

 

Выводы

Преимущества сплавов 1913 и 1370 открывает широкие перспективы для их применения в транспортном машиностроении.

Применение катаных полуфабрикатов из созданных в ВИАМе алюминиевых сплавов, в том числе алюминий-литиевых, в конструкциях различных изделий транспортного машиностроения позволит повысить их весовую эффективность и ресурс эксплуатации.

 

В. В. Антипов, к. т. н., Р. О. Вахромов, Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» ГНЦ РФ, Москва

 

Литература

1. Сенаторова О. Г., Сухих А. Ю., Сидельников В. В., Головизнина Г. М., Матвиенко С. В. «Развитие и перспективы применения высокопрочных алюминиевых сплавов для катаных полуфабрикатов». // «Технология легких сплавов», № 4,2002 г.

2. Шамрай В. Ф., Грушко О. Е., Шевелёва Л. М., Самсонов В. Д. // «Перспективные материалы,2004 г.

3. Махсидов В. В., Самохвалов С. В., Колобнев Н. И., Попов В. И., Савенок М. Г. «Влияние деформации после закалки и режимов старения на склонность к межкристаллитной коррозии сплавов системы Al-Mg-Si-Cu». Сборник научных трудов Международной научно-технической конференции «Современные проблемы металловедения сплавов цветных металлов». — М.: МИСиС,2009 г.

 

 

Автор: В. В. Антипов, к. т. н., Р. О. Вахромов
Дата: 10.04.2012
Журнал Стройпрофиль 96
Рубрика: металлические конструкции




«« назад