Как используется алюминий в самолетостроении

Алюминий для строительства и ремонта самолетов

Алюминиевый лист

Листовой алюминий остается основным материалом в современном самолетостроении. Обычно листы из алюминиевых сплавов применяются для изготовления фюзеляжа самолета, причем как для внутреннего каркаса, так и для внешней оболочки. Отдельные детали соединяются друг с другом заклепками и другими типами крепежа.

Листовой алюминий широко применяется во многих типах самолетов – от авиалайнеров до одномоторных аэропланов. Листовой алюминий получают путем раскатывания металла в плоские листы различной толщины от тонкого листа до толстого листа (плит). В самолетах применяют листовой алюминий толщиной от 3,3 до 0,25 мм (от 8 до 30 gauges, как говорят американцы).

Ниже представлены выдержки из американского руководства для гражданских техников по ремонту самолетов, где наряду с другими материалами, основное место занимают алюминиевые сплавы.

Алюминий и алюминиевые сплавы

Листы из различных алюминиевых сплавов – это то, с чем чаще всего сталкиваются при ремонте самолетов. Известно, что алюминий в чистом виде – это легкий, блестящий, коррозионностойкий, пластичный. Однако уровень прочности чистого алюминия довольно низкий.

Если алюминий получает небольшие добавки (доли и единицы процента) таких элементов, как медь, марганец и магний, то получаются алюминиевые сплавы, которые применяются в самолетостроении.

Алюминиевые сплавы такие же легкие, как и чистый алюминий, но значительно прочнее его. Они не обладают такой коррозионной стойкостью как у чистого алюминия и обычно требуют дополнительно коррозионной защиты. Одним из способов коррозионной защиты алюминиевых сплавов является плакирование их поверхности тонким слоем алюминия. Этот слой получают при совместной прокатке алюминия и алюминиевого сплава. Он защищает основной алюминиевый сплав от коррозии.

При строительстве и ремонте самолетов применяют следующие основные марки алюминия и алюминиевые сплавы.

Алюминий 1100

Листы из алюминия марки 1100 применяют в тех случаях, когда главным фактором является не прочность, а экономия веса и высокая стойкость коррозии. Листы из этой марки алюминия применяются для изготовления и ремонта топливных баков, обтекателей и масляных баков. Алюминий 1100 также применяется для ремонта законцовок крыльев. Очень хорошо поддается сварке.

Алюминиевый сплав 3003

Этот сплав аналогичен по применению алюминию 1100. Он содержит от 1,0 до 1,5 % марганца и поэтому прочнее и тверже, чем алюминий 1100.

Алюминиевый сплав 2014

Поковки, листы и профили из сплава 2014 применяют для изготовления деталей, которые подвергаются высоким нагрузкам, таким как колеса и основные несущие конструкции. Этот сплав часто применяют там, где требуется высокая прочность и твердость, а также для работы при повышенных температурах.

Алюминиевый сплав 2017

Этот сплав применяется для изготовления заклепок. В настоящее время имеет ограниченное применение.

Алюминиевый сплав 2024

Листы из сплава 2024 – с плакировкой из чистого алюминия или без нее – применяют для изготовления элементов каркаса самолета, заклепок, крепежных изделий и многих других деталей. Кроме того, этот сплав применяют для термически упрочненных деталей, оболочки фюзеляжа и прессованных профилей.

Алюминиевый сплав 2025

Этот сплав применяют для изготовления лопастей пропеллеров.

Алюминиевый сплав 2219

Алюминиевый лист из сплава 2219 применяют для изготовления и ремонта топливных баков, оболочки фюзеляжа и несущих элементов конструкции самолета. Этот сплав имеет высокую вязкость разрушения и хорошо сваривается. Сплав 2219 обладает также высокой стойкостью к коррозии под напряжением.

Алюминиевый сплав 5052

Сплав 5052 применяют там, где требуется хорошая пластичность металла, высокая коррозионная стойкость, высокая усталостная прочность, хорошая свариваемость и средняя статическая прочность. Этот сплав используют для изготовления топливных, гидравлических и масляных трубопроводов.

Алюминиевый сплав 5056

Сплав 5056 применяют для изготовления заклепок и оболочек кабелей, а также в тех случаях, когда алюминий входит в контакт с магниевыми сплавами. Сплав 5056 обычно является стойким к большинству видов коррозии.

Литейные алюминиевые сплавы

Литейные алюминиевые сплавы используют для изготовления блоков цилиндров, картеров, топливных насосов и колес шасси.

Упрочнение алюминиевых сплавов

Различные алюминиевые сплавы, включая 3003, 5052 и 1100, упрочняются только в результате холодной пластической деформации, а не термической обработки.

Другие сплавы, такие как 2017 и 2024, упрочняются в результате термической обработки, холодной деформации или комбинации их обеих. Большинство литейных сплавов также упрочняются термической обработкой.

Алюминиевый сплав 6061

Сплав 6061 обычно хорошо сваривается всеми промышленными способами и методами сварки. Он также обладает достаточно высокой вязкостью при криогенных температурах. Сплав 6061 довольно хорошо прессуется и обычно применяется для изготовления гидравлических и пневматических трубопроводов.

Алюминиевый сплав 7075

Этот сплав имеет более высокую прочность, чем сплав 2024, но более низкую вязкость разрушения. Обычно он применяется, когда требуется высокая прочность на растяжение, а усталостная прочность не является критической. В состоянии Т6 сплав 7075 не применяют в условиях с высоким коррозионным воздействием. Однако в состоянии Т7351 (вариант перестаренного состояния) сплав 7075 обладает более высокой стойкостью к коррозии под напряжением и вязкостью разрушения, чем в состоянии Т6. Состояние Т76 (вариант перестаренного состояния) часто применяют для повышения стойкости сплава 7075 к подповерхностной коррозии.

Источник

Полет нормальный, или алюминий в авиационной промышленности

Самолету кроме мощных двигателей нужен планер из прочного и легкого материала. Такого как алюминий. Несмотря на растущую конкуренцию, этот металл никому не уступает свой «крылатый» статус, оставаясь главным и самым надежным конструкционным материалом авиационной техники.

Первым делом – самолеты

Сегодня потребление алюминия в мировом авиапроме составляет свыше 550 тысяч тонн. И эти показатели будут увеличиваться за счет роста производства различной авиационной и космической техники. К 2025 году потребление алюминиевых полуфабрикатов достигнет 400 тыс. тонн или около 650 тыс. тонн в первичном сегменте.

В современных воздушных суднах практически нет элементов или систем, где бы не применялись различные алюминиевые сплавы: топливные баки, авиационные колеса, гидравлические и масляные трубопроводы, топливная система, бортовая кабельная сеть, системы терморегулирования, авиационные кресла, элементы интерьера и многое другое.

Из алюминия изготавливается силовой набор планера и крыла – шпангоуты, стрингеры, нервюры и лонжероны, обшивка, различные элементы отделки и, конечно, заклепки, которых в самолете не одна сотня тысяч штук. Именно алюминиевые конструкции несут на себе все нагрузки и защищают пассажиров от внешней среды во время полета.

Легкий выбор

Почему именно алюминий? Крупнейшие мировые авиастроители выбирают алюминий за его уникальные свойства. Он в 3 раза легче стали и гораздо дешевле, чем титан. Скорость механической обработки алюминиевых сплавов в 4-6 раз выше стальных аналогов, а листовые материалы из алюминиевых сплавов на порядок дешевле, чем из углекомпозитов. Введение в алюминий около 4% меди и 1,5% магния в сочетании с термической обработкой позволяет повысить прочность чистого алюминия в 10 раз. Кроме того, алюминиевая продукция легко подвергается утилизации и глубокой переработке.

Новые конкурентоспособные алюминиевые решения повышают экономическую эффективность полетов. «Сегодня гражданская авиация, которая потребляет основную часть алюминия, является коммерческим продуктом и самолет, как и автомобиль, имеет свои затраты на обслуживание, удельный расход топлива и прочие потребительские качества. Ближне- и среднемагистральные самолеты в алюминиевым исполнении конкурентоспособны и быстро окупаются», – отмечает директор по науке ИЛМиТ Дмитрий Рябов.

Алюминий vs композиты и титан

Основные конкуренты алюминия в авиапроме – полимерные композиционные материалы, которые сделали рывок вперед по прочности и надежности. Но алюминий дешевле, чем авиационные композиты, его ремонтопригодность существенно выше, а поведение известно конструкторам и технологам.

«В будущем алюминий сохранит свои позиции в авиации. Да, сейчас появляются самолеты с композитным крылом или фюзеляжем, но даже в этих решениях обязательно присутствуют алюминиевые конструкции. Для массового использования композитов необходимо решить еще ряд важных задач, начиная от формирования окончательных подходов к проектированию и заканчивая вопросами повышения молниестойкости, поэтому мы будем еще долго летать на самолетах с алюминиевыми деталями», – поясняет Дмитрий Рябов.

Что касается титана, то его сравнение с алюминием некорректно. «Вес титана на две трети больше алюминия. Титан – переходной металл, характерной особенностью которого является его высокая прочность и высокая температура плавления. И он гораздо дороже», – комментирует Святослав Пантелеев, эксперт сектора «Авиация и космос» Алюминиевой Ассоциации.

Основа для планера

Главные системы легирования авиационных материалов определились давно и их можно разделить на две группы: дюрали – сплавы на основе системы Al-CuMg и высокопрочные сплавы на основе системы Al-Zn-Mg-Cu. Первые способны сопротивляться разрушению в условиях знакопеременных нагрузок с нанесенным концентратором. Вторые обладают значительной прочностью (может превышать 600 МПа) и высокими показателями вязкости разрушения. В совокупности данные материалы являются основной для планера самолета, из них состоят внешние и внутренние элементы фюзеляжа и крыла.

Обе группы сплавов используются в самолетах уже десятки лет. С развитием металловедения алюминия их составы оптимизировали, материалы стали чище по железу и кремнию – основным примесям. Создавались и специальные режимы термомеханической обработки, чтобы они демонстрировали свои лучшие служебные характеристики.

Есть материалы «попроще» – магналии (сплавы Al-Mg) и авиали (сплавы Al-Mg-Si). Но их применение ограничено неответственными деталями и элементами интерьера.

Как это сделано

Технологии обработки алюминия для производства авиационных компонентов включают в себя литье, штамповку, механическую обработку, сварку, пайку, волочение и резанье. В основном самолет изготавливают с применением листов, которые используются в обшивке плит и прессованных профилей для силового набора и различных вафельных панелей, а также поковок и штамповок.

Безусловно, есть специфика. Например, к обшивочным листам предъявляются особые требования по чистоте отделки и качеству проката: чем меньше на поверхности дефектов, тем лучше аэродинамика самолета. Для авиационной продукции есть отдельные отраслевые стандарты и технические условия. Так, в отношении некоторых полуфабрикатов обязательно определение вязкости разрушения, характеристик удельной электропроводности и даже размера зерна. Все это чтобы обеспечить безаварийную эксплуатацию воздушных судов.

В двигателестроении уже успешно применяются напечатанные на 3D-принтере металлические изделия. Это открывает дорогу использованию в самолетах алюминиевых напечатанных деталей. Аддитивные технологии дают возможность применять необычные алюминиевые материалы, которые невозможно получить традиционными технологиями обработки.

«В ИЛМиТ создана целая линейка порошков, которые после печати демонстрируют внушительные прочностные характеристики, ранее недоступные при печати стандартным сплавом типа AlSi10Mg. Это не только высокая прочность, но и повышенные рабочие температуры. Печать в совокупности с новыми материалами и особыми технологиями проектирования под 3D-принтеры позволят сделать конструкцию самолетов еще более совершенной», – отмечает Дмитрий Рябов.

Помимо традиционных сплавов в ИЛМиТ также разработаны легированные скандием материалы для 3D-печати, которые после печати и отжига демонстрируют прочность на уровне высокопрочных аналогов, что пока недостижимо для литейных сплавов.

Рейс на завтра

Создание и внедрение новых материалов позволит расширить использование алюминия в авиапроме. Исследователи и разработчики делают новые открытия в области сплавов, технологий деформации и термической обработки.

Здесь стоит упомянуть алюминий-литиевые сплавы. Хотя положительное влияние лития на алюминий было открыто давно, по сей день регистрируются новые составы материалов. Такие материалы обладают высокой прочностью, не уступающей лучшим высокопрочным сплавам Al-Zn-Mg-Cu, но при этом имеют пониженную (на 5-10%) плотность и повышенный модуль упругости, который влияет на жесткость конструкций.

Если заменить все листы в обшивке лайнера на листы из алюминий-литиевых сплавов той же толщины, вес обшивки снизится на 7%. Главный недостаток подобных конструкций – цена, но алюминий-литиевые сплавы все же нашли применение в современных авиалайнерах.

Перспективны и скандийсодержащие сплавы системы Al-Mg-Sc. Они не могут похвастаться характеристиками прочности на уровне алюминий-литиевых сплавов, но по прочности сопоставимы с дюралями. Им не нужна упрочняющая термическая обработка, и они обладают высочайшей коррозионной стойкостью. Но самое главное – они свариваемые, что позволяет отказаться от клепаных конструкций в пользу сварных.

Как показал опыт авиастроителей из Airbus, использование данных материалов вместе с лазерной сваркой дает возможность снизить вес обшивочных панелей на 15% без потери эксплуатационных характеристик.

Разработаны сплавы с пониженным содержанием скандия – это обеспечит полуфабрикатам конкурентную цену. В будущем скандий в алюминии перестанет быть эксклюзивной добавкой и составит конкуренцию другим материалам.

Резюмируя, можно утверждать, что алюминий обладает большим потенциалом для исследования, чтобы не просто гордо носить звание «крылатого» металла, но и продолжать служить человеку искусственными крыльями, позволяющими за считанные часы оказаться на другом континенте.

Пресс-служба Алюминиевой Ассоциации

Источник

Применение алюминия

Алюминий навсегда вошел в историю как металл, позволивший человеку летать. Легкий, прочный и пластичный, он оказался идеальным материалом для создания управляемых летательных аппаратов. Не даром второе имя алюминия – «крылатый металл».

Сегодня на алюминий приходится около 75-80% общей массы современного самолета. А первое его применение в авиации за фиксировано еще до изобретения самих самолетов. Например, граф Фердинанд Цеппелин делал из алюминиевого сплава каркасы для своих знаменитых дирижаблей.

Прорыв, положивший начало современной авиации, произошел в 1903 году, когда братья Райт впервые в истории человечества совершили полет на управляемом летательном аппарате «Флайер-1». Автомобильные двигатели того времени весили слишком много, обладали низкой мощностью и были неспособны поднять аппарат в воздух. Специально для этой цели был разработан новый двигатель, детали которого, в том числе блок цилиндров, были отлиты из алюминия.

С тех пор алюминий получил статус ключевого конструкционного материала в авиации, и держит эту марку по сей день. Состав авиационных сплавов меняется, самолеты совершенствуются, но главная задача авиаконструкторов остается неизменной: создание легкой машины с максимальной вместимостью, использующей минимальное количество топлива и не поддающееся коррозии со временем. Именно алюминий позволяет инженерам добиваться выполнения всех необходимых условий. В современных самолетах алюминий применяется буквально повсюду: в фюзеляже, закрылках, конструкциях крыла и хвостовой части, крепежных системах, конструкциях выхлопных отверстий, блоков питания, заправочных штангов, дверей и полов, каркасов пилотных и пассажирских сидений, топливных разъемах, гидравлических системах, кабинных стойках, подшипниках, приборах в кабине пилотов, турбинах двигателей и много где еще.

Наибольшее применение получил сплав 7075, состоящий из алюминия, цинка, магния и меди. Это самый прочный из всех алюминиевых сплавов, сравнимый по этому показателю со сталью, но в 3 раза легче нее.

Самолеты собираются из листов и профилей, соединяющихся друг с другом алюминиевыми заклепками, число заклепок в одной машине может достигать нескольких миллионов. В некоторых моделях вместо листов используются прессованные панели, и в случае появления трещины она доходит только до конца такой панели. Например, крыло крупнейшего грузового самолета в мире Ан-124-100 «Руслан», грузоподъемностью до 120 тонн, состоит из восьми прессованных алюминиевых панелей шириной 9 метров каждая. Конструкция крыла такова, что оно работает даже при двух разрушенных панелях.

Сегодня авиаконструкторы пытаются найти материал, обладающий всеми преимуществами алюминия, но еще более легкий. Единственным кандидатом, подходящим на эту роль, на данный момент является углеродное волокно. Оно состоит из нитей диаметром от 5 до 15 мкм, образованных преимущественно атомами углерода. Первым магистральным пассажирским самолетом, фюзеляж которого был полностью изготовлен из композиционных материалов, стал Boeing 787 Dreamliner, выполневший свой первый коммерческий полет в 2011 году.

Однако производство таких самолетов обходится гораздо дороже, чем при использовании алюминия. Кроме этого, углеволокно не обеспечивает должного уровня безопасности летательных аппаратов.

Алюминий оказался незаменим не только в авиации, но и в космонавтике, где сочетание минимальной массы с максимальной прочностью еще более критично. Корпус первого искусственного космического спутника Земли, запущенного в СССР в 1957 году, был выполнен из алюминиевого сплава.

Ни один современный космический корабль не обходится без алюминия – от 50% до 90% веса космических летательных аппаратов приходится на конструкции из алюминиевых сплавов. Они использовались для изготовления корпуса космических челноков Space Shuttle, телескопической балки антенны космического телескопа Hubble, из них изготавливаются водородные ракетные баки, носовые части ракет, конструкции разгонных блоков, корпуса орбитальных космических станций и крепежей для солнечных батарей на них.

Даже твердотопливные ракетные ускорители работают на алюминии. Такие ускорители разгоняют первую ступень космических кораблей и состоят из алюминиевого порошка, окислителя в виде перхлората того же алюминия и связующего вещества. Например, самая мощная на сегодня в мире ракета-носитель «Сатурн-5» (может вывезти на околоземную орбиту 140-тонный груз) за время полета сжигает 36 тонн алюминиевого порошка.

Автомобиль – самый распространенный вид транспорта в мире. Главным конструкционным материалом здесь является относительно дешевая сталь. Однако вместе с тем как основными приоритетами автомобильной отрасли становятся экономия топлива, снижение выбросов СО₂, а также дизайн автомобиля, все более важную роль в автомобилестроении начинает играть алюминий.

В 2014 году мировая автомобильная индустрия (без учета Китая) потребила 2,87 млн тонн алюминия. Ожидается, что к 2020 году эта цифра вырастет до 4,49 млн тонн. Ключевыми факторами этого роста являются как увеличение производства самих автомобилей, так и повышение использования алюминия в них.

Каждый килограмм алюминия, использованный при изготовлении автомобиля, позволяет снизить общую массу машины на килограмм. Поэтому на алюминий переводилось производство все большего количества его деталей: радиаторы системы охлаждения двигателя, колесные диски, бампера, детали подвески, блоки цилиндров двигателя, корпуса трансмиссий и, наконец, детали кузова – капоты, двери и даже вся рама. В результате с 1970-х годов доля алюминия в общем весе автомобиля постоянно увеличивается – с 35 кг до сегодняшних 152 кг. Согласно прогнозам экспертов, к 2025 году среднее содержание алюминия в одном автомобиле достигнет 250 кг.

Применять алюминий для изготовления кузова первыми стали производители автомобилей класса «премиум». Так, первым серийным автомобилем с полностью алюминиевым кузовом стала Audi A8, выпущенная в 1994 году. За ней последовали и другие люксовые бренды – BMW, Mercedes-Benz, Porsche, Land Rover, Jaguar.

В 2014 году произошло очередное знаковое событие для отрасли – автомобиль с полностью алюминиевым кузовом появился в массовом сегменте. Им стал Ford-150 – самый популярный пикап в США на протяжении 38 лет. Благодаря переходу на алюминий автомобиль стал легче на 315 кг по сравнению с предшествующей моделью, что позволило существенно снизить расход топлива, выхлоп CO₂, а также увеличить грузоподъемность и улучшить динамику разгона и торможения. При этом автомобиль получил самый высокий рейтинг надежности NHTSA – пять звезд вместо четырех в предыдущей модели.

Алюминиевый кузов имеет преимущества перед стальным в плане безопасности еще и потому, что деформации в алюминиевых конструкциях локализуются в компактных зонах, не давая деформироваться другим частям кузова и сохраняя максимальную безопасность той части машины, где находятся пассажиры.

Эксперты утверждают, что в ближайшее десятилетие автопроизводители существенно увеличат использование алюминия в своих моделях. «Крылатый металл» в большом количестве будет использоваться в деталях кузова либо для изготовления кузова целиком.

При этом многие автомобильные компании сегодня договариваются с производителями алюминия о создании производств замкнутого цикла, когда из идущих на лом алюминиевых деталей утилизируемых автомобилей создаются запчасти для новых машин. Сложно представить себе более экологичный вид промышленного производства.

Применение алюминия в железнодорожном транспорте началось практически сразу после образования самой алюминиевой промышленности. В 1894 году железнодорожная компания New York, New Haven, and Hartford Railroad, принадлежавшая тогда банкиру Джону Пирпонту Моргану (J.P. Morgan), начала выпускать специальные легкие пассажирские вагоны, сидения которых были выполнены из алюминия.

Однако сначала алюминий оказался наиболее востребованным в сегменте грузоперевозок, где от состава требуется максимально низкий вес, что позволяет перевезти больший объем грузов.

Сегодня алюминиевые вагоны используются для перевозки угля, различных руд и минералов, а также зерна, в вагонах-цистернах перевозят кислоты. Существуют также вагоны для перевозки готовых товаров, например, новых автомобилей – с завода до автодилерского центра.

Алюминиевый грузовой вагон на треть легче, чем стальной. Его более высокая изначальная стоимость окупается в среднем за два первых года эксплуатации за счет перевозки большего объема грузов. При этом алюминий в отличие от стали не подвержен коррозии, поэтому алюминиевые вагоны долговечны и за 40 лет использования теряют лишь 10% своей стоимости.

В пассажирском железнодороджном транспорте алюминий позволяет производить вагоны на треть более легкие, чем стальные аналоги. В случае метро и пригородных поездов, для которых характерны частые остановки, это позволяет добиться существенной экономии энергии, затрачиваемой на разгон состава. Помимо этого, алюминиевые вагоны проще в производстве и содержат значительно меньшее количество деталей.

В железнодорожном транспорте дальнего следования алюминий активно применяется в производстве высокоскоростных поездов, активное применение которых в мире началось в 1980-х годах. Такие поезда развивают скорость до 360 км/ч и выше. Новые технологии в этом направлении позволят добиться скоростей более 600 км/ч.

Алюминий дает возможность снизить вес такого поезда и соответственно уменьшить прогиб рельсов, создающий сопротивление движению. Кроме того, высокоскоростной поезд, как самолет, должен обладать обтекаемой формой и минимальным числом выступающих деталей – здесь на помощь конструкторам вновь приходит «крылатый металл».

Высокоскоростные поезда, выполненные из алюминия, используются на французской сети скоростных электропоездов TGV. Поезда для этой сети в 1970-х годах начала разрабатывать компани Alstom (Франция), первый – между Парижем и Лионом – был запущен в 1981 году. Сегодня TGV является крупнейшей в Европе сетью высокоскосростных поездов и является основой для строительства общеевропейской сети высокоскоростных железных дорог. Первые поезда для сети TGV изготавлись из стали, но в новых поколениях ее начал заменять алюминий. В частности, последняя модель высокоскоростного поезда называется AGV полностью выполнена из алюминиевых сплавов и развивает скорость до 360 км/ч. На данный момент AGV эксплуатируется только в одной железнодорожной сети – итальянской Nuovo Trasporto Viaggiatori.

Корпус первого российского скоростного поезда «Сапсан» также выполнен из алюминиевых сплавов.

Технология магнитной левитации – следующий шаг развития высокоскоростного железнодорожного транспорта. Поезд на магнитной подушке удерживается над полотном силой магнитного поля и не касается поверхности. В результате он может развивать более высоких скоростей скорости – на данный момент в ходе испытаний в Японии достигнута скорость 603 км/ч.

Источник