Летательные аппараты и алюминиевые сплавы: особенности применения

24/01/2017 2:58pm

Автор: редакционная статья

Категории: применение металлопродукции

АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ В ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТАХ

Какие преимущества дает производителю использование алюминиевых сплавов?


Легкие сплавы являются главными конструкционными материалами для изделий авиационно-космической техники и транспортного машиностроения. Разработка новых облегченных конструкций производится благодаря развитию и усовершенствованию этих сплавов. С начала 20 века за счет развития металлургии алюминиевых, титановых и магниевых сплавов, наука и техника смогли достичь прорыва и обеспечить появление высокоэффективных изделий авиационной техники.
Алюминиевые сплавы остаются главным материалом в конструкции авиакосмической техники. Объем их применения составляет примерно 70% от общего количества конструкционных материалов в планере самолетов. 
Разработаны значительно улучшенные алюминиевые сплавы и композиционные материалы на основе алюминия, и в новых поколениях авиационной техники и ракет будут использоваться усовершенствованные варианты сплавов и материалов.
Для получения хорошей весовой эффективности, длительного ресурса работы и надежности в эксплуатации, сплавы, использующиеся в производстве данной техники, должны отвечать таким требованиям: высокая прочность, хорошая коррозионная стойкость, высокое сопротивление повторным нагрузкам и малая скорость развития трещины усталости.  Усовершенствованные варианты сплавов и материалов разрабатываются для удовлетворения требований к конструкции летательных аппаратов:

  1. Минимальный вес конструкции, который обеспечивается оптимальными конструктивно-технологическими решениями, точным расчетом действующих напряжений и рациональным выбором сплава с наибольшей возможной удельной прочностью.
  2. Большой срок эксплуатации пассажирских и транспортных самолетов (25-50 тыс. полетов, 45-100 тыс. летных часов, 20-30 лет эксплуатации), который позволяет достигать высокая усталостная прочность и коррозионная стойкость конструкции и сплавов.
  3. Высокий уровень безопасности, обеспечиваемый большой остаточной прочностью конструкции при ее частичном повреждении и малой интенсивностью распространения трещин.
  4. Относительно невысокая стоимость, доступность и легкость производства сплавов и полуфабрикатов на их основе.
  5. Высокая технологичность сплавов, которая дает возможность получать рациональные заготовки и элементы конструкции, позволяющие организовать серийное производство в сжатие сроки с высокой экономической эффективностью.
  6. Высокие эксплуатационные свойства конструкции и сплавов, дающие возможность снижать расходы на ремонт и эксплуатацию.

      В отечественном и зарубежном самолетостроении для изготовления подобных конструкций используют алюминиевые сплавы, обладающие примерно одинаковым составом и свойствами. Для крыла применяются листы, катаные плиты, прессованные панели и профили, для фюзеляжа – листы, катанные и прессованные профили и плиты, штамповки.
Большое значение имеет выбор оптимального варианта конструктивно-технологического решения и марки алюминиевых сплавов.
Сборно-монолитная конструкция с широким использованием прессованных панелей, катаных плит, прессованных лонжеронов и профилей разъема крыла, крупногабаритных штамповок крыла, фюзеляжа и шасси с применением высокопрочных сплавов обеспечивает создание эффективной конструкции. Их применение позволяет снизить вес самолета, объем и вес герметиков, повысить надежность и долговечность самолета, рационально распределить материал по объему конструкции, оптимизировать конструкцию самолета.
При освоении новых заготовок, сплавов и модификаций существующих сплавов разрабатывались и осваивались новые технологические процессы, режимы термической обработки и методы поверхностного упрочнения, которые значительно подняли эффективность применения новых сплавов и заготовок.
Самолет Ан-22 (рис.1) является примером самолета, спроектированного с применением сборно-монолитных (интегрированных) конструкций. Здесь впервые широко применялись сборные конструкции из крупногабаритных штамповок и прессованных профилей из сплава В93Т1.


Самолет Ан-22

Рис.1.  Самолет Ан-22


Сборно-монолитные конструкции были реализованы в следующих крупных блоках.
Первый блок охватывает агрегаты фюзеляжа и шасси, в которых заготовки из сплава В93Т1производили, применяя метод свободной ковки (на первые опытные машины) и горячей штамповки на гидравлических прессах на серийные машины.
Масса данный конструкций, изготовленных из штамповок сплава В93Т1, равна 15 т на самолет, что дало возможность уменьшить вес самолета Ан-22 на 3 т.
Второй блок охватывает агрегаты крыла и центроплана, в которых заготовками являются монолитные прессованные панели, лонжероны, профили разъема.
Центроплан и крыло самолета Ан-22, где размещено около 100 т. топлива, полностью выполнены из монолитных прессованных панелей, цельно-прессованных полулонжеронов и профилей разъема.
Применение данных конструкций дало возможность снизить вес крыла и центроплана более чем на 2 т., повысить жесткость и выносливость конструкций за счет сокращения количества мест соединений и концентраторов напряжений, повысить герметичность топливных кессонов за счет сокращения количества продольных швов. Также это позволило уменьшить количество деталей на 550 штук и количество крепежных деталей, в том числе классных  болтов, а также снизить трудоемкость изготовления и цикл сборки в несколько раз.
Этот подход к применению сборно-монолитных конструкций получил свое дальнейшее развитие в конструкциях других самолетов, таких как Ан-124, Ан-225 “Мрия”,  Ан-70.
Европейские производители в конструкциях аэробусов используют высокопрочные алюминиевые сплавы системы Al-Zn-Mg-Cu.  Опыт применения этих сплавов с максимальной прочностью (режим старения Е1) не всегда является эффективным с точки зрения надежности и долговечности. Поэтому были разработаны и нашли широкое применение в авиастроении смягчающие режимы старения T2 и Т3 этих сплавов, что позволило вытеснить классический ковочный сплав АК6 из конструкции самолетов и обеспечило высокие характеристики вязкости разрушения, превосходящие зарубежные аналоги.    
Дальнейшее совершенствование данных высокопрочных сплавов дало  возможность использовать для конструкции самолетов высокопрочные сплавы, которые ранее не использовались из-за низких характеристик вязкости разрушения, коррозионной стойкости и пластичности. Сплав рекомендуется применять для изготовления верха крыла пассажирских и транспортных самолетов, а также верха и низа крыла боевых самолетов.
Для конструкций, работающих при повышенных температурах, предназначены жаропрочные алюминиевые сплавы. Наряду с широко известным сплавом АК4-1, который применялся при производстве сверхзвукового французского самолета “Конкорд”  и отечественного Ту-144, перспективным является его модификация АК4-2. Этот сплав имеет меньшую плотность и улучшенные свойства по вязкости разрушения.
Перспективными для авиастроения могут быть композиционные материалы на алюминиевой  основе, армированные волокнами бора, угля, SiC и др.
Такой композиционный материал, как алюминиевые сплавы + SiC  предусматривает изготовление порошковых заготовок с последующей их деформацией для получения различного рода полуфабрикатов и деталей изделий аэрокосмической, радиоэлектронной и автомобильной техники.
Для изготовления сварных корпусов ракет основным сплавом является неупрочняемый алюминиевый сплав АМг6 (5056 – сплав США), который по своим прочностным характеристикам ниже несвариваемых сплавов.
Повышение прочностных характеристик сплавов, применяемых в производстве ракет, имеет три направления: нагартовка полуфабрикатов, разработка и использование свариваемых термоупрочняемых сплавов и комбинация термообработки и нагартовки. Нагартовка увеличивает предел прочности до 400-500 МПа, предел текучести до значения более 290 МПа, относительное удлинение более чем на 6%.Сварные нагартованные конструкции должны иметь большую плавность форм, радиусов переходов и не иметь острых надрезов и резких переходов сечений.
Для работы при криогенных и повышенных условиях применяют сплавы, которые не склонны к замедленному разрушению и имеют высокую пластичность основного металла при температуре жидкого гелия и водорода. Что касается сварных баков, то тут производители получили возможность уменьшить вес баков на 30-40% за счет перехода на алюминиево-литиевые сплавы типа 1460. Данные сплавы отличаются пониженной плотностью по сравнению с традиционными алюминиевыми сплавами, но при этом обладают более высокой жесткостью и прочностью.

Список использованной литературы: 

  • В.М. Белецкий, Г.А. Кривов. Алюминиевые сплавы (состав, свойства, технология, применение) Под общей редакцией И.Н. Фридляндера;
  • И.Н. Фридляндер. Алюминиевые сплавы в летательных аппаратах в периоды 1970-2000 и 2001-2015 гг.;
  • В.В. Антипов. Стратегия развития титановых, магниевых, бериллиевых и алюминиевых сплавов.

  • Презентация

    Контакты

     

     

    Контакты

    НАШІ КОНТАКТИ:

    [email protected]

    [email protected]

    м. Дніпро

    тел. +38 (056) 794-36-74, +38 (056) 794-36-75

    моб. +38 (050) 320 69 72

    ISSN 20760507

    Керівник проекту - Гриньов Володимир Анатолійович

    Партнеры