Авіаційний алюміній: характеристики

Завдяки легкості, пластичності і стійкості до корозії алюміній став незамінним матеріалом у багатьох виробництвах. Авіаційний алюміній – група сплавів, відрізняються підвищеною міцністю з включенням магнію, кремнію, міді та марганцю. Додаткову міцність сплаву надають за допомогою т. зв. «ефекту старіння» - особливого методу загартування під впливом впродовж 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 дослідним шляхом встановив, якщо сплав алюмінію з незначним додаванням міді, марганцю і магнію після гартування при температурі 500 °C і різкого охолодження витримати при температурі 20-25 градусів протягом 4-5 діб, він поетапно стає твердіше і міцніше, не втрачаючи при цьому пластичності. Процедура отримала назву «старіння» або «змужніння». У процесі такого гарту атоми міді заповнюють безліч найдрібніших зон на межах зерен. Діаметр атома міді менша, ніж в алюмінію, тому з'являється напруга стиснення, внаслідок чого підвищується міцність матеріалу. Вперше сплав був освоєний на німецьких заводах Durener Metallwerken і отримав торгову марку Dural, звідки і походить назва «дуралюмин». Згодом, американські металловеди Р. Арчер і Ст. Джафрис вдосконалили склад, змінивши процентне співвідношення, в основному магнію. Новий сплав отримав назву 2024 який в різних модифікаціях широко застосовується і зараз, а все сімейство сплавів - «Авіаль». Назва «авіаційний алюміній» цей сплав отримав практично відразу після відкриття, оскільки повністю замінив дерево і метал у конструкціях літальних апаратів.

Основні види і характеристики

Виділяють три основних групи:

Сімейства алюміній-марганець (Al-Mn) і алюміній-магній (Al-Mg). Основна характеристика – висока, ледь поступається чистого алюмінію корозійна стійкість. Такі сплави добре піддаються пайці та зварюванні, 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 наступним різким охолодженням води і природним старінням близько 10 діб. Відмітна 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 – легованого міддю, марганцем і магнієм алюміній. Змінюючи пропорції легуючих елементів, отримують авіаційний алюміній, характеристики якого можуть відрізнятися.

Матеріали останньої групи володіють хорошими механічними властивостями, але при цьому дуже 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 в склад сплаву марганцю.
Крім трьох основних видів сплавів розрізняють також кувальні сплави, жароміцні, високоміцні конструкційні та ін. володіють необхідними для конкретної сфери застосування властивостями.

Маркування авіаційних сплавів

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

1000 – чистий алюміній.

2000 – дюралюмини, сплави, леговані міддю. В певний період – найпоширеніший аерокосмічний сплав. У зв'язку з високою чутливістю до корозійної розтріскування все частіше замінюються сплавами серії 7000.

3000 – легирующий елемент – марганець.

4000 – легирующий елемент – кремній. Сплави відомі також як силуміни.

5000 – легирующий елемент – магній.

6000 – самі пластичні сплави. Легуючі елементи – магній і кремній. Можуть піддаватися термозакалке для підвищення міцності, але за цим параметром поступаються серій 2000 і 7000.

7000 – термічно загартоване сплави, найміцніший авіаційний алюміній. Основні легуючі елементи – цинк і магній.

Друга цифра маркування - порядковий номер модифікації алюмінієвого сплаву після вихідного – цифра «0». Дві останні цифри – номер самого сплаву, інформація про його чистоту по домішках. У разі якщо сплав досвідчений, до маркування додається п'ятий знак «Х». На сьогоднішній день, найбільш поширені марки авіаційного алюмінію: 110020142017 300320242219 202550525056. Відмінними рисами 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. Процентне зміст цих елементів по масі в сплаві визначають такі характеристики, як міцність, гнучкість, стійкість до механічних впливів і ін Основа сплаву – алюміній, основні легуючі елементи: мідь (22-52% маси), магній (02-27%) і марганець (02-1%).
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 алюмінієвий ливарний сплав. Сімейство сплавів алюміній-магній (1-13% маси) з іншими елементами володіють високою пластичністю і корозійною стійкістю.

Роль міді в складі авіаційного алюмінію

Присутність міді у складі авіаційного сплаву сприяє його зміцненню, але в той же час погано впливає на його корозійну стійкість. Випадаючи по межах зерен, у процесі загартування, мідь робить сплав схильним до точкової корозії, корозії під напругою і межзеренной корозії. Зони багаті міддю більш гальванічно катодні, ніж алюмінієва матриця навколо, а тому більш уразливі для корозії, що відбуває по гальванічному механізму. Збільшення вмісту міді в масі сплаву до 12% підвищує міцнісні властивості за рахунок дисперсного зміцнення в процесі старіння. При вмісті міді в 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 ж/д транспорту, в атомній промисловості. Широко затребувані сплави з помірним вмістом міді (20142024 ін). 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 має 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 газовідводу. При цьому ймовірність утворення пір в зварному шві значно зменшується.

Застосування в авіабудуванні

Авіаційні алюмінієві сплави спочатку спеціально створювалися для будівництва авіаційної техніки. З них виготовляють корпусу 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 із 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.