Авіаційний алюміній: характеристики

Завдяки легкості, пластичності і стійкості до корозії алюміній став незамінним матеріалом у багатьох виробництвах. Авіаційний алюміній — група сплавів, що відрізняються підвищеною міцністю з включенням магнію, кремнію, міді і марганцю. Додаткову міцність сплаву надають за допомогою т. зв. «ефекту старіння» — особливого методу гарту під впливом протягом тривалого часу агресивного атмосферного середовища. Сплав був винайдений на початку 20 століття, отримавши назву дюралюміній, зараз відомий також під назвою «авіаль».

Визначення. Історичний екскурс

Початком історії авіаційних алюмінієвих сплавів вважається 1909 рік. Німецький інженер-металург Альфред Вільм досвідченим шляхом встановив, якщо сплав алюмінію з незначним додаванням міді, марганцю і магнію після гарту при температурі 500 ° C і різкого охолодження витримати при температурі 20-25 градусів протягом 4-5 діб, він поетапно стає твершим і міцнішим, не втрачаючи при цьому пластичності. Процедура отримала назву «старіння» або «змужніння». У процесі такого гарту атоми міді заповнюють безліч найдрібніших зон на кордонах зерен. Діаметр атома міді менший, ніж алюміній, тому з’являється напруга стиснення, внаслідок чого підвищується міцність матеріалу.

Вперше сплав був освоєний на німецьких заводах Dürener Metallwerken і отримав торгову марку Dural, звідки і сталася назва «дуралюмін». Згодом, американські металознавці Р. Арчер і В. Джафріс вдосконалили склад, змінивши процентне співвідношення, в основному магнія. Новий сплав отримав назву 2024, який у різних модифікаціях широко застосовується і зараз, а все сімейство сплавів — «Авіаль». Назву «авіаційний алюміній» цей сплав отримав практично відразу після відкриття, оскільки повністю замінив дерево і метал у конструкціях літальних апаратів.

Основні види та характеристики

Виділяють три основні групи:

• Сімейства алюміній-марганець (Al-Mn) і алюміній-магній (Al-Mg). Основна характеристика — висока, яка ледь поступається чистому алюмінію корозійна стійкість. Такі сплави добре піддаються пайку і зварюванню, але погано ріжуться. Не зміцнюються термічною обробкою.
• Корозійно-стійкі сплави системи алюміній-магній-кремній (Al-Mg-Si). Зміцнюються термічною обробкою, а саме загартуванням при температурі 520 ° C з подальшим різким охолодженням води і природним старінням близько 10 діб. Відмінна характеристика матеріалів цієї групи — висока корозійна стійкість при експлуатації в звичайних умовах і під напругою.
• Конструкційні сплави алюміній-мідь-магній (Al-Cu-Mg). Їх основа — легований міддю, марганцем і магнієм алюміній. Змінюючи пропорції легуючих елементів, отримують авіаційний алюміній, характеристики якого можуть відрізнятися.

Матеріали останньої групи мають хороші механічні властивості, але при цьому вельми схильні до корозії, ніж перше і друге сімейство сплавів. Ступінь схильності корозії залежить від виду обробки поверхні, яку все одно необхідно захищати лакофарбовим покриттям або анодуванням. Корозійна стійкість частково збільшується введенням до складу сплаву марганцю.

Крім трьох основних видів сплавів розрізняють також ковочні сплави, жарокові, високоміцні конструкційні та ін. володіють необхідними для конкретної сфери застосування властивостями.

Маркування авіаційних сплавів

У міжнародних стандартах перша цифра маркування авіаційного алюмінію позначає основні елементи сплаву:

• 1000 — чистий алюміній.
• 2000 — дюралюміни, сплави леговані міддю. У певний період — найпоширеніший аерокосмічний сплав. У зв’язку з високою чутливістю до корозійного розтріскування все частіше замінюються сплавами серії 7000.
• 3000 — легуючий елемент — марганець.
• 4000 — легуючий елемент — кремній. Сплави відомі також як силуміни.
• 5000 — легуючий елемент — магній.
• 6000 — найбільш пластичні сплави. Легіючі елементи — магній і кремній. Можуть піддаватися термозакалці для підвищення міцності, але за цим параметром поступаються серіям 2000 і 7000.
• 7000 — термічно загартовані сплави, найміцніший авіаційний алюміній. Основні легальні елементи — цинк і магній.

Друга цифра маркування — порядковий номер модифікації алюмінієвого сплаву після вихідного — цифра «0». Дві заключні цифри — номер самого сплаву, інформація про його чистоту за домішками. У разі якщо сплав досвідчений, до маркування додається п’ятий знак «Х».

На сьогоднішній день, найпоширеніші марки авіаційного алюмінію: 1100, 2014, 2017, 3003, 2024, 2219, 2025, 5052, 5056. Відмінними особливостями цих сплавів є: легкість, пластичність, хороша міцність, стійкість до тертя, корозії і високих навантажень. В авіабудуванні найбільш широко використовуються сплави — авіаційний алюміній 6061 і 7075.

Склад

Основними легуючими елементами авіаційного алюмінію є: мідь, магній, кремній, марганець, цинк. Відсотковий вміст цих елементів по масі в сплаві визначають такі характеристики, як міцність, гнучкість, стійкість до механічних впливів та ін. Основа сплаву — алюміній, основні легуючі елементи: мідь (2,2-5,2% маси), магній (0,2-2,7%) і марганець (0,2-1%).

Сімейство авіаційних сплавів алюмінію з кремнієм (4-13% маси) з незначним вмістом інших легуючих елементів — мідь, марганець, магній, цинк, титан, берилій. Використовується для виготовлення складних деталей, відомий також як силумін або ливарний алюмінієвий сплав. Сімейство сплавів алюміній-магній (1-13% маси) з іншими елементами володіють високою пластичністю і корозійною стійкістю.

Роль міді у складі авіаційного алюмінію

Присутність міді в складі авіаційного сплаву сприяє його зміцненню, але в той же час погано впливає на його корозійну стійкість. Випадаючи по межах зерен, в процесі гарту, мідь робить сплав схильним до точкової корозії, корозії під напругою і міжзеренної корозії. Зони багаті міддю більш гальванічно катодні, ніж алюмінієва матриця навколо, а тому більш вразливі для корозії, що відбувається за гальванічним механізмом. Збільшення вмісту міді в масі сплаву до 12% підвищує міцнісні властивості за рахунок дисперсного зміцнення в процесі старіння. При утриманні міді у складі понад 12% сплав робиться крихким.

Сфери застосування

Алюмінієві сплави є найбільш затребуваним металом з продажу. Легка вага авіаційного алюмінію, міцність роблять цей сплав хорошим вибором для багатьох виробництв від літаків до предметів побуту (мобільні телефони, навушники, ліхтарики). Алюмінієві сплави застосовуються в суднобудуванні, автомобілебудуванні, будівництві, виробництві залізничного транспорту, в атомній промисловості.

Широко затребувані сплави з помірним вмістом міді (2014, 2024). Профілі з цих сплавів мають високу корозійну стійкість, хорошу оброблюваність, точкову зварюваність. З них виготовляють відповідальні конструкції літаків, великовантажних автомобілів, військової техніки.

Особливості з’єднання авіаційного алюмінію

Зварювання авіаційних сплавів здійснюється виключно в захисному середовищі інертних газів. Переважними газами є: гелій, аргон або їх суміш. Більш високою теплопровідністю володіє гелій. Це визначає більш сприятливі температурні показники зварювального середовища, що дозволяє досить комфортно з’єднувати товстостінні елементи конструкцій. Використання суміші захисних газів сприяє більш повному газовідведенню. При цьому ймовірність утворення пор у зварному шві значно зменшується.

Застосування в авіабудуванні

Авіаційні алюмінієві сплави спочатку спеціально створювалися для будівництва авіаційної техніки. З них виготовляють корпуси літальних апаратів, деталі двигунів, шасі, паливні баки, кріпильні пристрої та ін. Деталі з авіаційного алюмінію використовуються в інтер’єрі салону.

Алюмінієві сплави серії 2ххх використовують для виробництва деталей, що піддаються впливу високих температур. Деталі малонавантажених вузлів, паливних, гідро- і маслосистем виготовляють зі сплавів 3ххх, 5ххх і 6ххх. Найбільш широке застосування в авіабудуванні отримав сплав 7075. З нього виготовляються елементи для роботи при значному навантаженні, низьких температурах з високою стійкістю до корозії. Основою сплаву є алюміній, а основними легуючими елементами: магній, цинк і мідь. З нього виготовляють силові профілі конструкцій літаків, елементи обшивки.