О современных алюминиевых сплавах для авиакосмической техники

Одним из основных направлений снижения веса конструкций изделий авиакосмической техники является применение алюминий-литиевых сплавов, которые обладают уникальными характеристиками прочности, жесткости и вязкости разрушения. Значительную перспективу в использовании новых материалов в авиации связывают со слоистыми алюмостеклопластиками – СИАЛами (GLARE), которые отличает от алюминиевых сплавов пониженная на 10-15% плотность (2,4 г/см³), высокие прочность (σВ>600 МПа) и уникальные показатели СРТУ и пожаростойкости. Сварные соединения листов из сплавов с литием, выполненные СТП, позволяют повысить коэффициент прочности соединения от 55-60%, характерных для сварки плавлением до 70-75%.

В 1950-х годах в Alcoa разработали высокопрочный сплав 2020 (Al 4.5Cu 1.1Li 0.5Mn 0.2Cd). Сплав 2020 был использован на самолетах ВМС США и прослужил более 20 лет без каких-либо документированных сбоев. Алюминий-литиевые сплавы привлекательны для аэрокосмических применений, поскольку они имеют меньшую плотность и более высокий модуль упругости по сравнению с традиционными алюминиевыми аэрокосмическими сплавами. Каждый весовой процент лития снижает плотность алюминия примерно на 3% и увеличивает модуль примерно на 6%. Однако недостаточная пластичность 2020 сплава и проблемы с его производством препятствовали дальнейшему использованию, и он был снят с коммерческого производства в 1960-х годах. В это же время в СССР академиком И.Фридляндером был разработан сплав 01420, содержащий 2% Li, 5,5% Mg и 0,1% Zr, который на 10-12% легче 2024 (основной алюминиевый сплав в авиации) и запатентован в 1967 г. в ряде стран (Англия, Япония, Италия, Франция). Сплав показал высокую коррозионную стойкость, хорошую свариваемость, высокий модуль упругости и статическую прочность. Фридляндер также разработал модификацию 01420, содержащую скандий, сплав 01421. Скандий обладает более сильным эффектом в предотвращении рекристаллизации, чем Zr, Cr и Mn. Сплав 01420 является самым легким алюминиевым сплавом. В 1970 году сплав использовался на самолетах с вертикальным взлетом, а также для резервуаров с жидким кислородом диаметром 4,5 м.

Современная программа разработки сплавов Al-Li, началась в конце 1970-х годов и была одной из крупнейших в истории разработки алюминиевых сплавов. Были проведены исследования для оценки того, какие улучшения свойств оказывают наибольшее влияние на весовую эффективность. Эти исследования показали (рис.1), что снижение плотности дает наибольший эффект в снижение веса, по сравнению с повышением характеристик прочности и жесткости, а тем более характеристик трещиностойкости материала. В этой связи литий, как самый легкий металл, оказался наиболее перспективным для снижения плотности алюминия и соответственно снижения весовых характеристик.

Алюминиевые производители также заинтересованы в разработке сплавов с низкой плотностью из-за конкуренции неметаллических композитов. Хотя неметаллические композиты c борным и углеродным волокнами обладают значительным преимуществом по плотности по сравнению со всеми другими конструкционными материалами, используемыми в авиации. Однако улучшение свойств алюминиевых сплавов представляется целесообразным из-за их относительно низкой стоимости и накопленного опыта проектирования и производства изделий из этих материалов.

Сплавы системы Al-Li второго поколения создавались для того, чтобы заменить сплавы 7075 и 2024, широко используемые в авиационной технике. Эти сплавы содержали 2 и более % Li, около 2 и более % Cu, а также Mg и Zr для контроля размера зерна. Составы и значения плотности этих сплавов приведены в табл.1.

Хотя разработки Al-Li сплавов начались в 1970е годы только с 1990х годов созрело фундаментальное понимание этих сплавов, что позволило разработать семейство сплавов с отличным сочетанием инженерных свойств — сплавов Al-Li 3-го поколения. Разработки сплавов третьего поколения позволили получить выигрыш в плотности на 2-8% по отношению к традиционным алюминиевым сплавам 2XXX (Al-Cu) и 7XXX (Al-Zn-Mg-Cu), что обеспечило существенную экономию веса, которая дополняется эффектом от более высокой удельной жесткости и прочности и использованием более эффективных технологий, включая сварку лазерным лучом, сварку трением с перемешиванием (СТП).

Алюминиевые сплавы третьего поколения находятся в жесткой конкуренции с традиционными алюминиевыми сплавами, композитами на основе углеродного волокна и металловолоконными ламинатами во всех аэрокосмических областях применения, особенно в транспортных воздушных средствах. Эта конкуренция включает в себя множество других факторов, помимо экономии веса. Некоторые из сплавов Al-Li третьего поколения уже использовались в аэрокосмических структурах, включая гражданские и военные самолеты и космические аппараты (ракеты-носители). Примерами этого являются сплавы AA 2297 и AA 2397, которые использовались в Lockheed Martin F-16, а также для суперлегкого внешнего бака космического челнока.

Более низкая плотность была одной из основных причин для разработки сплавов Al-Li второго поколения. Цель заключалась в том, чтобы получить сплавы на 8-10% легче (и более жесткие), чем эквивалентные традиционные алюминиевые сплавы, путем добавления примерно 2 мас.% лития. Эта цель была достигнута, но впоследствии было установлено, что содержание лития в 2 мас.% или более сопряжено с рядом недостатков, таких как тенденция к формированию сильной анизотропии механических свойств, низкой пластичности и вязкости разрушения в коротком поперечном направлении, а также к снижению ударной вязкости вследствие термической нестабильности.

Обнаруженное негативное влияние повышенного содержания лития на свойства стимулировало его снижение в сплавах третьего поколения и соответственно с более высокой плотностью, табл.2. Эти плотности оказались всего на 2-8% меньше, чем в традиционных сплавах 2ХХХ (2,77-2,80 г/см³) и сплавов 7ХХХ (2,80-2,85 г/см³). Однако даже преимущество в 2% по плотности, которое трансформируется в прямую экономию веса в 2% (рис.1), может оказаться существенным для аэрокосмических конструкций, особенно ракет-носителей, спутников и вертолетов.

Удельная жесткость является очень важным параметром при конструировании летательных средств. Удельная жесткость E/ρ важна для обшивки нижних крыльев, лонжеронов, ребер и каркаса, а удельное сопротивление выпучиванию, E1/3/ρ, важно для обшивки верхнего крыла и фюзеляжа. Удельные жесткости алюминиевых сплавов синергетически повышаются за счет добавления лития, которое уменьшает плотность и увеличивает модуль упругости. Это показано в табл. 2 для сплавов Al-Li третьего поколения, где приведены данные для сплавов 2050, 2098, 2099, 2195, 2196, 2198, 2297 и 2397, при этом эффект снижения плотности составляет 2-8%, а с учетом более высоких модулей упругости сжатия экономия веса составила 8-15%.

* * *

Таким образом, сплавы системы Al-Li несмотря на более высокую цену и некоторые технологические сложности имеют большие перспективы для изделий аэрокосмической техники благодаря своим явным преимуществам в плане весовой эффективности, прежде всего это относится к удельной жесткости на сжатие. Интересно отметить, что сплавы системы 7ХХХ на протяжении последних десятилетий неуклонно повышали свои удельные прочностные характеристики (рис.2), однако при этом удельная жесткость не росла, а даже несколько снижалась. Только использование сплава Al-Li позволило заметно повысить удельную прочность за счет снижения плотности и сильно повысить величину удельного модуля, рис.2, за счет одновременного снижения плотности и повышения самого модуля упругости.

На рис.3 показаны конструктивные элементы планера A-380 и указаны использованные при этом материалы. Видно, что доля сплавов Al-Li достаточно весома, при этом нужно учитывать, что в ближайшей перспективе эти сплавы могут заменить традиционные сплавы 2024 и 2219 в качестве основного металлического компонента СИАЛ (GLARE) опять же с целью повышения величины модуля Юнга, низкая величина которого является одним их немногих недостатков этого перспективного слоистого композита.

Бецофен С.Я., Московский авиационный институт