Металлы в самолетостроении: сталь, алюминий, композиты

Металлические детали являются важной частью современных самолетов. За сто с лишним лет материалы, из которых делаются самолеты, прошли серьезный путь развития – от деревянного аппарата братьев Райт до нынешних джетов из современных композитных материалов.

Все эти годы при выборе материалов для воздушных суден конструкторы и авиастроители принимали во внимание сочетание множества факторов, начиная от требований к функциональным характеристикам самолета, заканчивая минимизацией затрат на производство и дальнейшее обслуживание. Но основным «двигателем прогресса» оказалось стремление разработчиков уменьшить массу надежных металлических аппаратов.

Именно снижение значений этого параметра обеспечивает необходимый уровень безопасности пилотов, пассажиров, грузов и самого самолета, его производительность, оптимальное использование топлива и дальность полета. Пока современная конструкторская мысль «остановилась» на расширении использования композитов в авиастроении. Эти материалы дают идеальное соотношение между весом самолетов и устойчивостью к усталости и коррозии и позволяют снизить затраты на техобслуживание.

Самолеты из стали

Как заставить металл летать? Пионеры авиастроения горячо обсуждали этот вопрос с момента, когда в 1903 г. самолет братьев Райт впервые поднялся в воздух. Он был очень легким – из дерева, ткани и небольшого количества стальной проволоки. Поэтому авиаконструкторам начала XX века идея оторвать от земли надежный, но тяжелый металлический аппарат казалась нереализуемой – ни с точки зрения финансов, ни технически. Казалась всем, кроме одного. Немецкий инженер Хуго Юнкерс, наверное, сумел заглянуть в будущее. Он осознал, что в скором времени самолеты захотят эксплуатировать не только военные или спортсмены, впереди – послевоенные времена массовых гражданских и грузовых авиаперевозок. Новые области применения требовали совершенно иных материалов для изготовления самолетов.

Революцией в авиастроении стал легендарный самолет J1, который современники в шутку называли Blechesel — «жестяной осёл». Это был первый самолет в истории, полностью выполненный из металлопроката, не просто сконструированный и построенный, но и сумевший подняться в воздух. Первоначально Хуго Юнкерс пытался выбить бюджет из немецкого военного министерства. Но там идею сочли провальной. Поэтому разработчик вложил в проект собственные средства, вырученные от работы фирмы по продаже прозаичных газовых колонок. Так домохозяйки опосредованно профинансировали эволюционный скачок в развитии авиастроения. Правда, со временем военные заинтересовались Юнкерс J1 и в 1915 г. приехали на летные испытания аппарата. Его металлический корпус вызвал скепсис – представители министерства были уверены, что взлететь самолету не удастся. Легкий разбег J1 по взлетной полосе, не отличимый от движений его деревянных предшественников, вызвал фурор в рядах наблюдателей.

Самолет оторвался от полосы, взлетел, развернулся, зашел на посадку и благополучно приземлился. J1 так и остался экспериментальным – вояки «придрались» к скорости подъема, маневренности и полезной нагрузке. Эти показатели для их задач были недостаточными. По сути, авиационная сталь, действительно, оказалась слишком тяжелым металлом для самолетов. Моноплан Юнкерса летал с трудом и при взлетном весе более одной тонны мог взять на борт груз весом всего 110 кг. Но, тем не менее, революционный прорыв Юнкерса поставил авиастроение на путь материальной эволюции, которая продолжается и по сей день.

Что касается советского авиастроения, то в СССР была выпущена довольно большая серия самолетов «Сталь», которые использовались как транспортные и почтовые. В целом, советские конструкторы и авиаторы столкнулись с теми же проблемами, что и немцы. Другое дело, что в 20-30 г.г. прошлого века, когда в мире уже начали массовый выпуск самолетов из алюминия (о нем немного ниже), в СССР были проблемы с производством собственного сырья. Поэтому, во избежание излишней импортозависимости, Советы выпускали самолеты из авиационной стали сравнительно долго, вплоть до середины 30-х г.г.

А нынешние самолетостроители ценят сталь за ее прочность, твердость и устойчивость к высоким температурам. Подобные свойства делают этот металл идеальным материалом для изготовления шасси, обшивки некоторых самолетов, петель, кабелей, крепежей и других деталей. Обычно сталь составляет 11-13% от всех материалов, которые используются при производстве современных самолетов.

Самолеты из алюминия

Но вернемся к Хуго Юнкерсу. Дабы удовлетворить запросы военного министерства, немецкий авиаконструктор обратил пристальное внимание на алюминий, легкий и прочный материал. В течение последующих лет на Junkers & Co. из него создали целую линейку военных самолетов. Это были штурмовики и истребители, отлично зарекомендовавшие себя во время военных кампаний Второй мировой, к несчастью СССР и союзников. Лавровый венок в гражданской авиации достался легендарномуF13. Этот первый в мире алюминиевый пассажирский самолет был выпущен в серийное производство в 1919 г. и долго эксплуатировался по всему миру.

Схожие с Хуго Юнкерсом усилия предпринимал за океаном американец Генри Форд, который стал отцом не только знаменитых автомобилей, но и воздушного судна Ford Trimotor в 1925 г. (первооткрыватели даже судились за авторство идей, использованных при создании летательных аппаратов). Стоит упомянуть и модель Douglas DC-3, выпущенную в 1935 г. американской Douglas Aircraft Company. Комфортабельное для пассажиров, быстрое, удобное и надежное в эксплуатации и обслуживании воздушное судно до сих пор (!) используется авиакомпаниями по всему миру — вот убедительное доказательство того, насколько безупречным может быть аппарат, полностью выполненный из алюминия. Этот материал и самолеты из него послужили началом эры междугородной пассажирской авиации.

Сам же алюминий и его сплавы до сих пор являются очень популярным сырьем для производства коммерческих самолетов благодаря своей высокой прочности при сравнительно низкой плотности. Сейчас в самолетостроении используется преимущественно высокопрочный сплав 7075, содержащий в т.ч. медь, магний и цинк. При этом алюминиевые детали составляют до 80% от массы самолета. Кстати, из-за высоких антикоррозийных свойств детали из алюминия вполне могут быть неокрашенными. Правда, при высоких температурах алюминий теряет в прочности, поэтому при производстве обшивки его в чистом виде не используют.

Самолеты из композиционных материалов

А в авиастроении, тем временем, началась эра создания и применения искусственно созданных композиционных материалов, свидетелем которой являемся сейчас и мы с вами. В качестве основы композиции используются волокна стали, стекла, графита, нитевидные кристаллы окиси алюминия, железа и т.д. Матрица же материала выполняется либо из сплавов металлов (того же алюминия, титана, магния) либо из синтетических смол, например, эпоксидной или полиэфирной. После соединения основы и матрицы путем прессования, литья или другими способами композитный материал получает не только свойства составляющих его элементов, но и совершенно новые характеристики, которые и подкупают авиаконструкторов.

Скажем, масса деталей из композитов составляет примерно пятую часть от массы точно таких же деталей, сделанных из алюминия. При этом композиты превосходят последний по эксплуатационным характеристикам – они прочнее и гибче. К тому же со временные композиционные материалы нетоксичны, а изделия из них не требуют какого-либо дополнительного ухода.

В авиастроении композиты применяются очень широко – при производстве высоконагруженных деталей и двигателей. Если посмотреть на долю использования композиционных материалов, скажем, в Боингах, то в самых ранних моделях их порядка 5%. Сейчас доля композитов в общей массе самолетов компании может доходить до 50%. Кроме того, в компании смело экспериментируют с металлами, создавая новые композиции с уникальными свойствами. К примеру, microlattice из никеля и фосфора, занесенный в Книгу рекордов Гиннеса как самый легкий металл в мире – он весит в 100 раз меньше, чем пенопласт. Предполагается, что в дальнейшем из microlattice можно будет сделать и искусственное легкое, и крыло самолета.

Результаты подобных экспериментов, на первый взгляд, кажутся экзотичными. Тем не менее, у них есть вполне практический смысл. Дело в том, что материалы, используемые в авиастроении, должны, с одной стороны, обладать довольно обширным набором свойств и характеристик. С другой стороны, их цена не должна быть заоблачной. Как мы видим, природного сырья, которое отвечало бы этим требованиям, не так и много. Поэтому поиск новых композитов продолжается, а старые добрые сталь и алюминий продолжают покорять небеса, каким бы невероятным это не казалось всего каких-то сто лет назад.

Применение алюминия – Транспорт

Все виды транспорта на земле от велосипедов до космических ракет производятся из алюминия. Этот металл позволяет человеку двигаться с высокой скоростью, переплывать океаны, подниматься в небо и покидать пределы нашей планеты. На транспортную сферу уже приходится наибольшая часть мирового потребления алюминия – 27%. И в ближайшие года эта цифра будет только увеличиваться.

Ричард Бах
Чайка по имени Джонатан Ливингстон

Авиация и космос

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 зафиксировано 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.

В дальнейшем «крылатый» металл заменил дерево, сталь и другие материалы в конструкции первых самолетов и уже в 1917 году знаменитый немец авиаконструктор Хуго Юнкерс поднял в воздух первый цельнометаллический самолет, фюзеляж которого был выполнен из алюминиевого сплава – дюралюминия, в состав которого также входят медь (4,5%), магний (1,5%) и марганец (0,5%). Создателем уникального сплава в 1909 году стал Альфредом Вильмом. Он также обнаружил эффект старения сплава, заключающийся в существенном увеличении его прочности после закалки в течение длительного времени.

Дюралюминий

Во время Первой Мировой войны дюралюминий был настоящей военной технологией. Его состав и технология тепообработки были засекречены, поскольку он являлся важнейшим конструкционным материалом в самолетостроении.

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.

Основные алюминиевые сплавы, применяемые в авиации, — серии 2ххх, 3ххх, 5ххх, 6ххх и 7ххх. Серия 2ххх рекомендована для работы при высоких температурах и с повышенными значениями коэффициента вязкости разрушения. Сплавы серии 7ххх — для работы при более низких температурах значительно нагруженных деталей и для деталей с высокой сопротивляемостью к коррозии под напряжением. Для малонагруженных узлов применяются сплавы серии 3ххх, 5ххх и 6xxx. Они же используются в гидро-, масло- и топливных системах.

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.

Основные сильные стороны космических алюминиевых сплавов – стойкость к высоким и низким температурам, вибрационным нагрузкам и воздействию радиации. Более того, они обладают свойством «криогенного упрочнения» – с понижением температуры их прочность и пластичность только возрастают. Это сплавы видов «титан-алюминий», «никель-алюминий» и «железо-хром-алюминий».

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.

Автомобилестроение

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.

Формула 1

Гоночный болид Формулы-1, согласно требованиям на 2015 год, должен весить не менее 702 килограммов. Две трети этой массы приходится на алюминий. В то время как обшивка кузова выполнена из углепластика, все внутренние узлы и компоненты изготавливаются именно из «крылатого металла».

Алюминий использовался в автомобилестроении практически с момента начала промышленного использования этого металла. В 1899 году на международной выставке в Берлине был представлен первый автомобиль, корпус которого был полностью сделан из алюминия, — спортивный Durkopp. А в 1901 году алюминиевым стал и двигатель — для участия в гонках в Ницце его смастерил знаменитый немецкий изобретатель Карл Бенц. В 1962 году легендарный гонщик Микки Томпсон участвовал в гонках Индианаполис 500 на машине с двигателем из алюминия и показал превосходный результат. Многие фирмы позднее усовершенствовали этот двигатель и использовали его в различных массовых моделях и гоночных автомобилях, в том числе и в болидах Формулы-1. Интерес к алюминиевым деталям подстегнул и нефтяной кризис 1970-х. Вынужденные озаботиться экономией топлива, конструкторы стали заменять детали из стали на более легкие алюминиевые, тем самым снижая общий вес машины.

Микки Томпсон

Индианаполис 500, 1962 г.

Range Rover
Последняя модель Range Rover с полностью алюминиевым кузовом стала легче на 39% или 420 килограмм. Это равноценно весу пяти человек.

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.

Основными методами изготовления различных автодеталей являются литье и штамповка из прокатанных листов и полос. Но некоторые из них изготавливаются необычным способом горячего прессования мелкого алюминиевого порошка – САП (спеченная алюминиевая пудра). Окисленную алюминиевую пудру помещают в алюминиевую же оболочку и нагревают до температуры чуть меньшей, чем плавление металла, и в горячем виде прессуют. Получившиеся изделия отличаются высокой прочностью и используются там, где нужны детали для работы в условиях высоких температур с низким коэффициентом трения – например, так делаются поршни двигателей.

Tesla
Полностью дополнительная защита Tesla состоит из трех уровней. Первый – полый алюминиевый брус специальной формы, который либо отбрасывает лежащий на дороге предмет, либо смягчает удар. Второй – плита из титана, защищающая наиболее уязвимые компоненты в передней части автомобиля. Третий – щит из штампованного алюминия, который рассеивает энергию удара и, если препятствие твердое и неподвижное, приподнимает автомобиль над ним.

Еще одно замечательное свойство алюминия – он отлично «гасит» удар, причем делает это в два раза эффективнее, чем сталь. Поэтому автопроизводители уже давно используют этот металл для бамперов. Днище революционного электрического автомобиля Tesla оснащено 8-миллиметровой пуленепробиваемой броней из алюминиевых сплавов, которая защищает батарейный отсек и гарантирует безопасность при движении на скорости в 200 км/ч. Недавно компания установила на свои машины дополнительную алюминиево-титановую защиту, которая позволяет автомобилю в прямом смысле слова разрушать попадающие под колеса препятствия из бетона и закаленной стали, сохраняя управляемость.

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.

Железнодорожный транспорт

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.

Первые грузовые вагоны, полностью выполненные из алюминия, были выпущены в 1931 году в США. Это был хоппер – вагон для перевозки сыпучих и гранулированных грузов, кузов которого имеет форму воронки с люками для разгрузки в донной части. Сегодня для производства таких вагонов используются, в основном, сплавы 6ххх серии, — они обладают повышенной прочностью и коррозийной стойкостью.

Shinkansen
Первый высокоскоростной поезд в мире появился в Японии в 1964 году. Он курсировал между Токио и Осакой и преодолевал расстояние в 515 км за 3 часа 10 минут, разгоняясь до 210 км/ч. Shinkansen позволил разрешить острую транспортную проблему этого региона, в котором проживало более 45 млн человек.

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».

Transrapid
Маглев-трасса в Китае, соединяющая Шанхай и шанхайский аэропорт Пудун. Поезд движется по ней со с коростью 450 км/ч и преодолевает расстояние в 30,5 км всего за 8 минут.

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.

Судостроение

Корпуса современных морских судов различного типа изготавливаются с использованием так называемого «морского алюминия» – это общее название для целого ряда алюминиево-магниевых сплавов (содержание магния – от 3% до 6%), применяемых в этом сегменте машиностроения. Они обладают особой коррозийной стойкостью, как в пресной, так и в морской воде.

Безусловным важным качеством судового алюминия является также хорошая свариваемость и хорошие прочностно-механические свойства. Алюминиевые листы и плиты для судостроения производятся методами холодной или горячей прокатки, а профили, прутки и трубы могут производиться методами прессования, прокатки или волочения.

Первый частично алюминиевый катер Le Migron был изготовлен в Швейцарии в 1891 году. Через несколько лет успешный опыт алюминиевого судостроения был применен в Шотландии при постройке 58-метровой торпедной лодки. Она была весьма прочной и развивала максимальную для того времени скорость в 32 узла. Катер назывался «Сокол» и был сделан для военно-морского флота России.

Корпус высокоскоростных пассажирских теплоходов на подводных крыльях, развивающих скорость свыше 80 км/ч, изготавливается из алюминиевых сплавов – дюрали или магналия. Для развития высокой скорости и манёвренности судам нужна сравнительно небольшая собственная масса.

Коррозия в течение первого
года эксплуатации

Коррозия в течение первого
года эксплуатации

Морской алюминий в 100 раз медленнее поддается коррозии, чем сталь. В течение первого года эксплуатации сталь покрывается коррозией со скоростью 120 мм в год, а алюминий – 1 мм в год. Кроме этого, «морской алюминий» обладает отличными прочностными характеристиками. Он пластичен, и даже при сильном ударе цельносваренный алюминий почти не пробивается насквозь. Алюминиевый каркас помогает улучшить мореходность, повысить безопасность и снизить расходы на текущее обслуживание.

Поэтому из этого металла делают яхты, моторные лодки, катера, а также глубоководные аппараты. Как правило, спортивные суда от корпуса до надстроек изготавливаются из алюминия, что дает выигрыш в скорости; а корпуса судов повышенной грузоподъемности изготавливаются из стали, а вот надстройки и другое вспомогательное оборудование делаются из алюминиевых сплавов, снижая общий вес судна и повышая его грузоподъемность.

В статье использованы фотоматериалы © Shutterstock и © Rusal.

Читайте также

Применение алюминия в других сферах

Строительство

Энергетика

Потребительские товары

Упаковка

Почему самолеты сделаны из алюминия и композитов?

Из чего сделан самолет? Годы исследований и инженерных разработок не оправдали бы простое предложение «металла», и было бы неправильно использовать такие слова, как «сталь» или «железо», поскольку они в некоторой степени отсутствуют в аэрокосмической технике. Какие элементы лучше всего подходят для самолетов? Давайте исследовать.

Какие элементы лучше всего подходят для самолетов?

Если бы мы собирали самолет с нуля, какие элементы подошли бы?

• Нам нужен максимально легкий материал, так как каждый грамм веса увеличивает общий расход топлива.
• Материал также должен быть жестким и достаточно твердым, чтобы выдерживать дождь и выдерживать нагрузки во время полета на самолете.
• Но он также должен быть достаточно гибким, чтобы быть закругленным и обтекаемым для лучшей аэродинамики.
• Этот волшебный материал тоже должен быть дешевым. Было бы здорово построить самолет из осмия (редчайшего природного металла в мире, связанного с платиной), но это было бы невероятно дорого.

Авиакомпаниям нужен надежный, прочный и в то же время легкий и недорогой самолет.

Из каких материалов сделан самолет?

Первоначально самолеты делались из дерева и ткани. Эти материалы были очень легкими, чтобы самолет мог летать с наименьшим количеством энергии. Но по мере того, как стремления взлетали выше (каламбур), самолеты должны были быть более прочными, а также легкими. Силы напряжения в суставах с увеличением скорости становились настолько сильными, что деревянный самолет мог рассыпаться, как папье-маше.

Чтобы достичь скорости, необходимой для полета на реактивном двигателе, самолет должен был стать цельнометаллическим. Алюминий показал подходящие характеристики. Он был прочным, легким и относительно недорогим. Металл также было легче собирать и ремонтировать с использованием станков, а не пил и топоров. Однако, как и другие металлы, он страдал от таких опасностей, как коррозия и усталостное напряжение, которые проявлялись через несколько лет эксплуатации.

Таким образом, исследователи разработали новые сплавы на основе алюминия, такие как титан-алюминий, чтобы смягчить эти проблемы. Титан сам по себе был слишком дорог для самолетов (хотя ВВС США использовали его для самолетов-шпионов), но в сочетании с более традиционным алюминием оказалось полезным компромиссом.

Алюминий и его сплавы позволили создать реактивный самолет. Фото: Boeing

Распространенное заблуждение состоит в том, что в самолетах используются те же материалы, что и в кораблях и небоскребах, а именно сталь. Самолеты не делают из стали или железа, хотя современные самолеты содержат некоторые микроэлементы того и другого. Эти материалы, хотя и намного прочнее, не подходят для полетов, поскольку они подвергаются воздействию высоких температур (благодаря сопротивлению воздуха) и слишком тяжелы.

Каково будущее аэрокосмических материалов?

Самолеты текущего поколения, такие как Boeing 787 и Airbus A350, изготавливаются из нового типа материалов, называемых композитами. Эта смесь материалов имеет много преимуществ, например, она легче алюминия и имеет простую структуру, не подверженную усталости и коррозии элементов.

Например, конструкция Боинга 787:

• 50% композит — углерод, стекловолокно и другие материалы легче алюминия
• 20% алюминий
• 15% титан
• 10% сталь
• 5% другие следовые материалы

Дополнительным преимуществом является то, что композитной конструкции можно придать любую форму.

Может ли компания Hawaiian начать полеты в Лондон на своих самолетах 787 Dreamliner? Фото: Hawaiian Airlines

Например, Boeing сконструировал фюзеляж Боинг-787 из нескольких частей ствола, а не из множества алюминиевых панелей меньшего размера, которые необходимо соединить позже. Эта более прочная рама из композитов обеспечивает лучшую герметизацию и более широкие проемы для окон.

В будущем авиационная промышленность рассматривает такие материалы, как полимеры и керамика, которые еще легче и обладают невероятной прочностью на растяжение. Мы также можем увидеть самолеты, построенные полностью из композитных материалов (как это сделали ВВС США с бомбардировщиком-невидимкой B-2) и покончить с элементами прошлого. Как мы попрощались с деревом и шпагатом, однажды мы, возможно, попрощаемся с алюминием.

Что вы думаете? Каково будущее авиационных материалов? Дайте нам знать об этом в комментариях.

Любительские, самодельные, LSA и экспериментальные самолеты Ресурсы для пилотов и владельцев

Металлургия сыграла ключевую роль в развитии авиации. С открытием новых материалов были найдены новые приложения для их применения и значительного улучшения существующих конструкций.

Алюминий кажется королем в авиастроении, хотя в последние годы стали применяться некоторые новые сплавы. Эти суперсплавы все еще довольно дороги для производителей самолетов. Благодаря хорошему соотношению прочности, веса и стоимости алюминий по-прежнему очень широко используется в промышленности.

Текущие разработки показывают, что все больше и больше производителей (Boeing, Airbus) используют углеродное волокно и другие неметаллические материалы в конструкции самолетов, поскольку они могут быть изготовлены практически любой формы и кривизны. Со временем эти материалы должны будут доказать, что они так же надежны, как алюминий, в плане сопротивления ультрафиолетовому излучению. Правильное нанесение краски, устойчивой к ультрафиолетовому излучению, также поможет.

Alcoa разрабатывает алюминиево-литиевый сплав 3-го поколения, который обещает еще большее снижение веса и снижение затрат без необходимости защиты от ударов молнии, как это имеет место в самолетах с интенсивным использованием композитных материалов.

Алюминиевые сплавы обозначаются четырехзначной системой нумерации. Первая цифра обозначает группу сплава, а остальные — сплавы, присутствующие в смеси. Ниже мы составили список наиболее часто используемых авиационных алюминиевых сплавов и их соответствующие свойства.

Термическая обработка

Использование меди (Cu) и цинка (Zi) в сплаве с алюминием изменяет его свойства таким образом, что сплав может как упрочняться, так и размягчаться под воздействием тепла. Полученное обозначение состояния обозначается комбинацией буквенных чисел, следующих за номерами сплавов.

Обозначение отпуска

Наиболее распространенные обозначения отпуска, которые мы встречаем, это T3 и T6. T3 подвергается термообработке на твердый раствор и холодной обработке методом правки. T6 также подвергается термообработке на твердый раствор, но искусственно состаривается.

Состав

Каждый сплав имеет свои свойства в зависимости от состава легирующих элементов, например сплав 2024 содержит 4,5 % меди (Cu), 0,6 % марганца (Mn) и 1,5 % магния (Mg). 6061 содержит 0,25 % меди, 0,6 % кремния (Si), 1,0 % магния и 0,25 % хрома (Ch), а 5052 содержит 2,5 % магния и 0,25 % хрома. В сплав 3003 добавлено всего 1,2% марганца.

Механические свойства

Механические свойства сплава являются важным фактором при принятии решения о его использовании в строительстве. В приведенном ниже списке мы приводим некоторые типичные свойства:

2024-T3

Это наиболее распространенный из высокопрочных алюминиевых сплавов. Это высокое качество самолета. Алюминиевый лист 2024-T3 считается авиационным сплавом из-за его прочности, а также отличной усталостной прочности. Коррозионная стойкость меньше 6061, отсюда и альпладные версии. Сварка вообще не рекомендуется. Типичным применением алюминиевого листа 2024-T3 Alclad являются обшивка фюзеляжа и крыльев, капоты, конструкции самолетов, а также ремонт и реставрация из-за его действительно блестящего покрытия (2024-T3 Alclad). Его предел прочности составляет 62000 фунтов на квадратный дюйм с прочностью на сдвиг 40000 фунтов на квадратный дюйм.

6061-T6

Этот сплав имеет очень хорошую коррозионную стойкость и способность к отделке, сварка также проходит без проблем. Уровень прочности алюминиевого листа 6061-T6 примерно такой же, как у мягкой стали. Алюминиевый лист 6061-T6 можно изготовить с помощью большинства широко используемых технологий. Типичные области применения: маты для посадки самолетов, кузова и рамы грузовиков, конструктивные элементы и многое другое. Предел прочности составляет 45000 фунтов на квадратный дюйм с прочностью на сдвиг 30000 фунтов на квадратный дюйм.

5052-h42

Имеет самую высокую прочность в серии НЕнагреваемых сплавов. Это не структурно. Алюминиевый лист 5052 имеет более высокую усталостную прочность, чем большинство сплавов. Алюминиевый лист 5052 обладает отличной коррозионной стойкостью, особенно в морских условиях, и обладает отличной обрабатываемостью. Этот алюминиевый лист обычно используется для изготовления топливных баков.

3003-h24

Наиболее широко используемый алюминиевый сплав, чистый алюминий с добавлением марганца для прочности, примерно на 20% прочнее, чем серия 100.