Для изготовления различных изделий, конструкций и сооружений в настоящее время широко применяются конструкционные стали. Обладая высокой прочностью (свыше 400 МПА) стали, однако, имеют значительный вес, что снижает их использование в авиакосмической промышленности.
Ученые всего мира бьются за снижение веса конструктивных элементов ракет, самолетов, вертолетов, планеров, беспилотников. Облегчение летательных аппаратов обеспечивает существенное улучшение их тактико-технических характеристик: дальности полета, скорости движения, массы перевозимых грузов, количества потребляемого топлива. Решить эту задачу можно заменой стали на другие конструкционные материалы.
Например, можно изготовлять детали летательных аппаратов из полимерных композитов (стеклопластика, углепластика и др.). Пластики значительно легче стали, но тоже имеют свои недостатки. Композитные изделия нельзя сваривать, они расслаиваются, имеют низкую упругость, ударостойкость, пластичность, огнестойкость, более высокую стоимость. Поэтому одними из самых популярных материалов, заменяющих сталь, сегодня остаются алюминиевые сплавы.
Как известно, алюминий относится к группе легких металлов и занимает первое место по распространенности в земной коре. Он легче стали почти в 3 раза. По производству алюминия Россия входит в тройку ведущих стран мира, обеспечивая выплавку более 3,5 млн тонн алюминия в год.
Чистый алюминий обладает низкими механическими свойствами. Предел прочности (σв) литого Al всего 120 МПа, деформированного - 250 МПа. Для повышения свойств ученые создают различные сплавы чистого алюминия с другими элементами. В промышленности используют алюминиевые сплавы таких систем, как алюминий-магний, алюминий-марганец, алюминий-медь, алюминий-кремний, алюминий-цинк-магний, алюминий-магний-скандий, алюминий-магний-литий, алюминий-цинк-магний-медь и др. Разные системы имеют свои особенности производства, свои характеристики, достоинства и недостатки.
Например, сплавы системы Al - Mg имеют хорошую свариваемость, пластичность, коррозионную стойкость, обладают удовлетворительной прочностью и высокой вибростойкостью. Сплавы системы Al - Mn отличает хорошая свариваемость, прочность, пластичность, технологичность. Сплавы системы Al-Zn-Mg имеют высокую прочность и хорошую технологичность.
Алюминиевые сплавы применяются в разном виде: в виде прутков, колец, пластин, полос. Их отливают в печах, прокатывают на специальных станах, прессуют через нужной формы матрицы, обрабатывают на механических станках. Подбирая определенные добавки к алюминию, ученые создают новые сплавы с требуемыми характеристиками и свойствами. Различными схемами литья, деформационной и термической обработкой можно добиться существенного повышения механических и эксплуатационных свойств алюминиевых сплавов для различных конструкций летательных аппаратов. В современных самолетах и ракетах прочные алюминиевые сплавы применяются в обшивке фюзеляжа, крыльях, стойках, шпангоутах, стрингерах.
В лаборатории №24 Института металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) многие годы разрабатывают и производят широкую гамму высокопрочных алюминиевых сплавов на замену стали. Для этого применяют ряд уникальных технологий, в том числе центробежное литье алюминия, кавитационное воздействие на расплав, интенсивную пластическую винтовую деформацию, специальные режимы термообработки. Например, при разливке алюминия его расплав обрабатывают ультразвуком, чтобы раздробить включения и уменьшить их размеры. Или продавливают алюминий через винтовые матрицы для придания структуре металла более однородный вид.
Механические свойства прессованных прутков из алюминиевого сплава В96Ц1, получаемых в ИМЕТ РАН, достигают прочности (σв) = 740 МПа, текучести (σ0,2) = 700 МПа, относительного удлинения (δ) свыше 5 %. Сплав В95 имеет предел прочности σв = 680 МПа, предел текучести (σ0,2) = 620 МПа, относительное удлинение (δ) 5 - 6 %. Данные свойства алюминиевых полуфабрикатов превышают прочность ряда конструкционных сталей, поэтому с успехом могут быть использованы для изготовления перспективных изделий авиационно-космической техники.
Особый интерес могут представлять раскатные кольца из алюминиевого сплава АМг6 с механическими свойствами: σв = 380 МПа, σ0,2 = 200 МПа, относительное удлинение (δ) = 19 % и литые кольца из алюминиевого сплава 1545К с механическими свойствами: σв = 330 МПа, σ0,2 = 190 МПа, относительное удлинение (δ) свыше 15 %. Имеется также возможность получать прессованные прутки из алюминиевого сплава АМг6 с низким содержанием водорода и размером интерметаллидов, но высокими механическими свойствами: предел прочности σв = 410 МПа, предел текучести σ0,2 = 200 МПа, относительное удлинение δ = 20 %.
Но можно еще больше снизить вес изделий. Нужно вместо алюминия применить магний, который легче даже алюминия в 1,6 раза. Это очень перспективное направление и такие работы ведутся учеными многих стран. Однако все знают, что магний при нагреве может гореть, поэтому нужно решать проблему повышения температуры его возгорания. В ИМЕТ РАН, например, уже получены прутки из пожаробезопасного магниевого сплава с температурой воспламенения свыше 1000 °С. Данные прутки имеют повышенные механические свойства: σв = 370 МПа, σ0,2 = 297 МПа, δ = 7,8 %.
Таким образом, для облегчения летающих аппаратов нужно менять применяемые в них стальные детали на алюминиевые или магниевые. Изделия из алюминиевых сплавов легче стали в 2,8 раза, из магниевых сплавов - в 4,5 раза, поэтому у таких сплавов широкие перспективы. Они очень востребованы в ракетно-космической и авиационной технике, автомобильной промышленности, строительстве. То есть везде, где нужен малый вес и высокая прочность используемых материалов. Подробнее о новых материалах ИМЕТ РАН на www.sl-alloys.ru
