Конструкційні алюмінієві сплави систем Al−Cu−Mg і Al−Zn−Mg−Cu в літакобудуванні. Огляд

Анотація

УДК 669.2/.8:669.715:629.7:629.5

Проведено огляд науково-технічної інформації щодо конструкційних алюмінієвих сплавів, що деформуються, систем Al-Cu-Mg (серія 2ххх) і Al-Zn-Mg-Cu (серія 7ххх). Проаналізовано їх хімічний та фазовий склад, способи легування, механічні та експлуатаційні властивості, вплив на них технологічних факторів. Наведено приклади застосування цих сплавів у літакобудуванні. Показано, що серед сплавів системи Al-Cu-Mg (Д1, В65, Д16, Д16ч,1163, Д19 та ін.) найбільш
міцним є Д16 та його удосконалені модифікації Д16ч і 1163, механічні властивості яких в термозміцненому стані дорівнюють низьковуглецевим сталям. Сплави Д16, Д16ч, 1163 мають високі міцнісні характеристики при 20 0С і підвищених температурах, особливо у вигляді листів і пресованих деталей. Тому є розповсюдженим матеріалом для виготовлення обшивки літаків у зоні двигунів, яка піддається нагріванню. Проте підвищення міцності призводить до зменшення пластичності. Сплави на основі системи Al-Zn-Cu-Mg (В95, В95пч, В95оч, В96, В96Ц, В96Ц1, В96Ц3, В94, В93, В92 та ін.) є найбільш високоміцними серед алюмінієвих сплавів, що деформуються, тому широко використовуються у відповідальних силових елементах авіа- та ракетобудування у вигляді пресованих і кованих виробів. Найбільш міцний з них В96Ц, особливо його модифікація В96Ц1, в яких, на відміну від сплаву В95, марганець і хром частково або повністю замінено на цирконій. Сплав В95 має високу міцність при стисканні і застосовується для обшивки верхньої поверхні крил літаків, яка під час польоту знаходиться в стиснутому стані. Внутрішня поверхня крила виготовляється зі сплавів Д16, Д16ч, 1163 що витримують у польоті розтягуючі навантаження. За міцністю сплав В95 на 20-25 %, а за межею плинності на 40 % перевищує аналогічні характеристики сплаву Д16. Заміна сплаву Д16 на В95 дозволяє знизити вагу літака до 5 тонн. Практично всі великогабаритні штамповані деталі для найбільшого в світі турбогвинтового транспортного літака Ан-22 «Антей» виготовляються з кувального сплаву В93, який легований залізом і термооброблений за режимом Т1. Головним недоліком високоміцних сплавів систем Al-Cu-Mg і Al-Zn-Mg-Cu є схильність до деградації, що зумовлено дією різних типів навантажень та корозійного середовища під час базування літаків та польотів і супроводжується розвитком втомних або корозійно-втомних тріщин. Розглянуто альтернативні точки зору стосовно причин цих явищ і шляхи підвищення властивостей виробів із цих сплавів легуванням, термічною та деформаційною обробками.

Список літератури

1. Фридляндер И. Н. Высокопрочные деформируемые алюминиевые сплавы. М.: ГНТИ «Оборонгиз», 1960. 291 с.
2. Фридляндер И.Н. Алюминиевые деформируемые конструкционные сплавы. М., «Металлургия», 1979. 208 с.
3. Белецкий В. М., Кривов Г. А. Алюминиевые сплавы (Состав, свойства, применение): Справочное изд. Под ред. академика И.Н. Фридляндера. Киев : ЗАО «КОМИНТЕХ», 2005. 365 с.
4. Аболіхіна О. В. Матеріалознавчі аспекти утворення та еволюції дефектів, що визначають ресурс експлуатації алюмінієвих конструкцій літаків / Дис… канд. техн. наук.: 05.16.01. Київ: Національний технічний університет «КПІ» ім. І. Сікорського, 2018. 215 с.
5. Данченко В. Н., Миленин А. А., Головко А. Н. Производство профилей из алюминиевых сплавов. Теория и технология. Днепропетровск: ДНВП "Системные технологии", 2001. 448 с.
6. Верховлюк А. М., Щерецький О. А., Каніболоцький Д. С., Довбенко В. В. Вплив технологічних факторів на властивості високоміцного алюмінієвого сплаву системи Al-Zn-Mg-Cu. Металознавство та обробка металів. 2020. № 1. С. 27-36.
7. Welch P. I., Pikard A.C. The effect of texture on fatigue crack propagation in aluminium alloy 7075. Aluminium. 1985. V. 61. № 5. P. 332–335.
8. Фридляндер И. Н. Высокопрочные сплавы системы Al-Zn-Mg-Cu. М.: Машиностроение, 2001. Т. 2. С. 94-128.
9. Галацкий Б.Д., Тулянкин Ф.В., Фридяндер И. Н. Пути повышения механических свойств прессованных профилей и прутков сплава Д16. Сб. статей «Деформируемые алюминиевые сплавы». Под ред. докт. техн. наук И.Н. Фридляндера, докт. техн. наук В.И. Добаткина и канд. техн. наук Е. Д. Захарова. М.: Оборонгиз. 1961. С. 95–103.
10. Козловская В. П., Васильева Н. И., Карпович Ю.М. Условия получения прессованных изделий из алюминиевого сплава Д16 с высокой прочностью при комнатной и повышенных температурах. Сб. статей «Деформируемые алюминиевые сплавы». Под ред. докт. техн. наук И.Н. Фридляндера, докт. техн. наук В. И. Добаткина и канд. техн. наук Е. Д. Захарова. М.: Оборонгиз. 1961. С. 64–75.
11. Матвеев Б. И., Копытова М. В. Влияние содержания марганца, температуры и степени деформации на механические свойства крупных профилей из сплава В95. Сб. статей «Деформируемые алюминиевые сплавы». Под ред. докт. техн. наук И.Н. Фридляндера, докт. техн. наук В. И. Добаткина и канд. техн. наук Е. Д. Захарова. М.: Оборонгиз. 1961. С. 76–84.
12. Тейтель И.Л. Исследование процесса кристаллизации и охлаждения слитков алюминиевых сплавов диаметром до 800 мм при непрерывном методе литья. Сб. статей «Деформируемые алюминиевые сплавы». Под ред. докт. техн. наук И.Н. Фридлянде- ра, докт. техн. наук В. И. Добаткина и канд. техн. наук Е. Д. Захарова. М.: Оборонгиз. 1961. С. 200–209.
13. Никитаева О. Г., Кутайцева Е. И., Романова О. А., Карпович Ю. М., Кондратьева Н. Б. Влияние чистоты алюминия на механические свойства и теплопрочность алюминиевых сплавов. Сб. статей «Деформируемые алюминиевые сплавы». Под ред. докт. техн. наук И.Н. Фридляндера, докт. техн. наук В.И. Добаткина и канд. техн. наук Е.Д. Захарова. М.: Оборонгиз. 1961. С. 30–43.
14. Ноговіцин О. В., Лахненко В. Л., Баранов І. Р Вплив швидкості охолодження на формування первинної структури алюмінієвих сплавів, що деформуються. Металознавство та обробка металів. 2021. № 1. С. 3-8.
15. Халикова Г. Р., Трифонов В. Г. Влияние формирующейся при кристаллизации под высоким давлением структуры на прочностные характеристики деформируемых алюминиевых сплавов Д16 и В96Ц. Докл. Открытая школа-конференция стран СНГ “Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы”, Уфа, 4-9 авг., 2008. Перспект. матер. 2009, Спец. вып., № 7. С. 332–336.
16. Трифонов В. Г., Халикова Г. Р. Особенности формирования структуры в алюминиевом сплаве Д16 в различных условиях жидкой штамповки. Материаловедение. 2009. № 7. С. 37–43.
17. Галацкий Б. Д. Причины разупрочнения тонкостенных профилей из дуралюмина в зависимости от условий закалки. Сб. статей «Деформируемые алюминиевые сплавы». Под ред. докт. техн. наук И. Н. Фридляндера, докт. техн. наук В. И. Добаткина и канд. техн. наук Е. Д. Захарова. М.: Оборонгиз, 1961. С. 85–94
18. Антипин В. П., Тюльпакова Р. В. Перераспределение водорода в прутках алюминиевых сплавов Д16 и АК4-1 под влиянием внутренних напряжений. Металлы. 2011. № 1. С. 70.
19. Чернышова Т. А., Кобелева Л. И. Процессы старения в дисперсноупрочненных композиционных материалах на базе алюминиевого сплава Д16. Металлы. 2010. № 5. С. 52–63.
20. Аболихина Е. В., Моляр А. Г. Коррозия самолетных конструкций из алюминиевых сплавов. Фізико-хімічна механіка матеріалів. 2003. № 6. С. 106-110.
21. Осташ О. П., Андрейко І. М., Головатюк Ю. В., Семенець О. І. Вплив корозивного середовища на втомну довговічність деградованих алюмінієвих сплавів типу Д16 і В95. Фізико-хімічна механіка матеріалів. 2008. № 5. С. 75–84.
22. Аболіхіна О.В., Чернега С.М. Деградація сплаву В93Т при експлуатації літаків Ан. Наукові нотатки. - 2011 р. - Вип. 31. - С. 4-7
23. Аболихина Е. В., Семенец А. И., Еретин А. П. Коррозионная стойкость верхних панелей крыльев самолетов Ан-24, Ан-26. Открытые информационные и компьютерные технологии; сб. науч. тр. нац. аэрокосм. ун-та им. Н. Е. Жуковского «ХАИ». 2009. Вып. 42. С. 27-38.
24. Аболихина Е.В., Семенец А.И., Еретин А.П. Коррозионная стойкость обшивок нижних панелей кессонов крыла самолетов Ан-24, Ан-26. Открытые информационные и компьютерные технологии; сб.науч. тр. нац. аэрокосм. ун-та им. Н. Е.Жуковского «ХАИ». 2009. Вып. 41. С.76-91.
25. Shi P., Mahadevan S. Corrosion fatigue and multiple site damage reliability analysis. Internation Jornal of Fatigue. 2003. P. 457-469.
26. Синявский В.С. Коррозионные свойства прессованных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов Д16ч и 1933 при статическом и циклическом нагружении. Технол. легк. сплавов. 2011. № 4. С. 101–104.
27. Осташ О. П., Андрейко Г. М., Головатюк Ю. В., Ковальчук Л. Б. Структурно-фазовий стан і фізико-механічні властивості деградованих алюмінієвих сплавів типу Д16 і В95. Фізико-хімічна механіка матеріалів. 2008. 44. № 6. С. 5–11.
28. Кутайцева Е. И., Филиппова З. Г., Бутусова И. В. Влияние некоторых элементов на процессы рекристаллизации сплавов, применяемых для плакировки листов. Сб. статей «Деформируемые алюминиевые сплавы». Под ред. докт. техн. наук И.Н. Фридляндера, докт. техн. наук В. И. Добаткина и канд. техн. наук Е. Д. Захарова. М.: Оборонгиз, 1961. С. 53–58.
29. Новиков И. И., Семенов А. Е. Горячеломкость сплавов типа В95. Сб. статей «Деформируемые алюминиевые сплавы». Под ред. докт. техн. наук И.Н. Фридляндера, докт. техн. наук В.И. Добаткина и канд. техн. наук Е. Д. Захарова. М.: Оборонгиз. 1961. С. 189–194.
30. Александров В. Д. Исследование поверхности алюминиевых сплавов, упрочненной легированием при лазерном нагреве. Технол. мет. 2003. № 7. С. 9–13.
31. Кирпичев В. А., Иванов Д. В., Саушкин М. Н. Остаточные напряжения в образцах из сплавов В95 и Д16Т после пневмодробеструйной обработки. Вестн. Самар. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки. 2009. № 2. С. 260–263.
32. Гридин А.Ю., Шапер М., Данченко В.И. Получение полос из высокопрочных алюминиевых сплавов валковой разливкой-прокаткой. Обработка материалов давлением. 2011. № 3 (28). С. 184-194.
33. Ноговицын А.В., Наривский А.В., Баранов И.Р., Школяренко В.П., Шаповал В.И. Технология получения листового проката из сплава Д16 на валковой разливочной установке. Процессы литья. 2017. № 3. С. 37–42.
34. Ferry M. Direct strip casting of metals and alloys / M. Ferry. – Boca Raton, FL, USA: CRC Press, 2006. 276 p.
35. Gras Ch, Meredith M., Gatenby K., Hund J.D. Defect formation in twin roll-cast AA 3xxx and 5xxx series aluminium alloys. Materials Science Forum, 2002. Vol. 396-402. P.89-94.
36. Haga T., Ikawa M., Wtari H., Kumai S. Aluminium alloys strip casting usingan unequal diameter twin roll caster. Journal of Materials Processing Technology. 2006. Vol. 172. P. 271–276.
37. Ноговіцин О.В., Нурадинов А.С., Пригунова А.Г., Куцова В.З., Аюпова Т.А., Нурадінов І.А. Структура і властивості литої стрічки в технологічному ланцюжку «валкова розливка – гаряча прокатка –термічна обробка». Металознавство та обробка металів. 2020. № 2. Т. 26. С. 49–59.