История авиационного алюминия берет свое начало в 1909 году. Тогда немецкий инженер Альфред Вильм смог изобрести технологию, при которой алюминий приобретает повышенную твердость и прочность при сохранении своей пластичности. Для этого он добавил в базовый металл небольшое количество меди, магния и марганца и стал закалять полученное соединение при температуре 500 °C. Далее он подвергал алюминиевый сплав резкому охлаждению при температуре 20-25 °C в течение 4-5 суток. Именная данная поэтапная кристаллизация металла и получила название «старения». А научное обоснование этой методике основано на том, что размер атомов меди меньше алюминиевых аналогов. Из-за этого в молекулярных связях алюминиевых сплавов появляется дополнительное напряжение сжатия, которое обеспечивает повышенную прочность.
Марка Dural была присвоена на немецких заводах Dürener Metallwerken, откуда и произошло название «дуралюмин». Впоследствии американцы Р. Арчер и В. Джафрис усовершенствовали алюминиевый сплав за счет изменения в нем соотношения магния, назвав его модификацией 2024. А вся группа алюминиевых сплавов получила название «авиаль», что связано в первую очередь со сферой ее применения, которая ориентирована в первую очередь на изготовление летательных аппаратов.
Виды и характеристики авиационного алюминия
В авиационном алюминии имеется три группы сплавов.
Соединения «алюминий-марганец» (Al-Mn) и «алюминий-магний» (Al-Mg) отличаются высокой устойчивостью к коррозии, почти не уступающей по этому показателю чистому алюминию. Они прекрасно поддаются сварке и пайке, однако плохо режутся. А термическая обработка практически не может их сделать прочнее.
Соединения «алюминий-магний-кремний» (Al-Mg-Si) обладают повышенной коррозийной стойкостью (в обычных условиях эксплуатации и под напряжением) и улучшают свои прочностные характеристики за счет термической обработки. Причем закалка производится при температуре 520 °C. А эффект старения достигается за счет охлаждения в воде и кристаллизацией в течение 10 суток.
Соединения «алюминий-медь-магний» (Al-Cu-Mg) считаются конструкционными сплавами. За счет изменения легирующих алюминий элементов можно варьировать и характеристики самого авиационного алюминия.
Таким образом, первые две группы сплавов обладают повышенной стойкостью к коррозии, а третья отличается прекрасными механическими свойствами. Причем дополнительная защита от коррозии авиационного алюминия может осуществляться специальной обработкой поверхности (анодирование или лакокрасочное покрытие).
Кроме вышеуказанных групп сплавов применяются также конструкционные, жаропрочные, ковочные и другие типы авиационного алюминия, которые максимально соответствуют сфере своего применения.
Маркировка и состав
Международная система стандартизации подразумевает специальную маркировку авиационного алюминия.
Первая цифра четырехзначного кода обозначает легирующие элементы сплава:
- 1 – чистый алюминий;
- 2 – медь (этот аэрокосмический сплав сегодня начинают заменять на чистый алюминий из-за его высокой чувствительности к растрескиванию);
- 3 – марганец;
- 4 – кремний (сплавы – силумины);
- 5 – магний;
- 6 – магний и кремний (легирующие элементы обеспечивают самую высокую пластичность сплавов, а их термическая закалка повышает прочностные характеристики);
- 7 – цинк и магний (самый прочный сплав авиационного алюминия подвергается, температурной закалке).
Вторая цифра маркировки алюминиевого сплава обозначает порядковый номер модификации («0» - исходный номер).
Две последние цифры авиационного алюминия содержат информацию о номере сплава и его чистоте по примесям.
В случае, когда алюминиевый сплав еще находится в опытной разработке, к его маркировке добавляется пятый знак «X».
В настоящее время самыми популярными марками алюминиевых сплавов считаются следующие: 1100, 2014, 2017, 3003, 2024, 2219, 2025, 5052, 5056. Они характеризуются особенной легкостью, прочностью, пластичностью, устойчивостью к механическим воздействиям и коррозии. А авиастроительной сфере наибольшее распространение получили алюминиевые сплавы марок 6061 и 7075.
В состав авиационного алюминия в качестве легирующих элементов входят медь, магний, кремний, марганец и цинк. Именно процентный состав по массе данных химических элементов в сплаве определяет его гибкость, прочность, устойчивость к различным воздействиям.
Так, в авиационном алюминии основой сплава является алюминий, а в качестве главных легирующих элементов выступают медь (2,2-5,2%), магний (0,2-2,7%) и марганец (0,2-1%). Для изготовления наиболее сложных деталей применяется литейный алюминиевый сплав (силумин), в котором основным легирующим элементом является кремний (4-13%). Кроме него в химический состав силумина входят в небольших пропорциях медь, магний, марганец, цинк, титан и бериллий. А группа алюминиевых сплавов семейства «алюминий-магний» (Mg от 1% до 13% от общей массы) отличается особой пластичностью и устойчивостью к коррозии.
Особое значение для производства авиационного алюминия в качестве легирующего элемента имеет именно медь. Она придает сплаву повышенную прочность, однако снижает устойчивость к коррозии, так как выпадает по границам зерен в процессе термической закалки. Это непосредственно приводит к точечной и межзеренной коррозии, а также коррозии под напряжением. Зоны, обогащенные медью, отличаются улучшенными свойствами в качестве гальванически катодных, чем алюминиевая матрица вокруг, а потому они являются более уязвимыми для коррозии, происходящей по гальваническому механизму. Увеличение содержания меди в массе сплава до 12% повышает его прочностные характеристики за счет дисперсного упрочнения в процессе старения. А при содержании меди в соединении свыше 12% авиационный алюминий делается более хрупким.
Область применения
Авиационный алюминий является очень востребованным металлическим сплавом сегодня. Его высокие показатели продаж в первую очередь связаны с механическими характеристиками, среди которых определяющую роль играют легкость и прочность. Ведь данные параметры кроме авиастроения очень востребованы и в производстве предметов народного потребления, и в судостроении, и в атомной промышленности, и в автомобилестроении, и т.д. Например, особенным спросом пользуются сплавы марок 2014 и 2024, которые отличаются умеренным содержанием меди. Из них изготавливают наиболее ответственные элементы конструкции летательных аппаратов, военной техники и большегрузного транспорта.
Следует понимать, что авиационный алюминий обладает важными особенностями при соединении (сварке или пайке), которое осуществляется только в среде инертных газов, выполняющей защитную функцию. К таким газам относятся, как правило, гелий, аргон и их смеси. Так как гелий обладает самой высокой теплопроводностью, то именно он обеспечивает наиболее приемлемые показатели сварочной среды. Это очень важно при соединении элементов конструкции, которые состоят из массивных и толстостенных фрагментов. Ведь в данном случае следует обеспечить полный газоотвод и минимизировать вероятность образования пористой структуры сварного шва.
Применение в авиастроении
Так как авиационный алюминий изначально был создан для строительства авиационной техники, то и сфера его применения в первую очередь ориентирована на использование в изготовлении корпусов летательных аппаратов, шасси, топливных баков, деталей двигателей, крепежных элементов и других частей их конструкции.
Алюминиевые сплавы марки 2ХХХ применяются для изготовления деталей и частей конструкции авиационной техники, которые подвергаются воздействию внешней среды с высокими температурами. В свою очередь узлы гидравлических, масляных и топливных системы изготавливаются из сплавов марок 3ХХХ, 5ХХХ и 6ХХХ.
Особенно широкое применение в авиастроении получил сплав марки 7075, из которого изготавливаются элементы конструкции корпуса (обшивка и силовые профили) и узлов, находящиеся под воздействием высоких механических нагрузок, коррозии и низких температур. В данном алюминиевом сплаве в качестве легирующих металлов выступают медь, магний и цинк.
