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 Внимание: Публикация является архивной и на текущий момент может быть не достоверной. |