Алюминий литиевые сплавы марки

Обновлено: 30.04.2025

Алюминий-литиевые сплавы широко применяются в мировом авиастроении для создания перспективных летательных аппаратов с улучшенными техническими характеристиками. Об истории, уникальных характеристиках и перспективах алюминий-литиевых сплавов журналу «Редкие земли» рассказал Генеральный директор ВИАМ, академик РАН Евгений Николаевич Каблов.

РЗ: Евгений Николаевич, в чем заключаются основные преимущества применения алюминий-литиевых сплавов в авиации?

Литий придает уникальные свойства алюминиевым сплавам — повышение прочности и модуля упругости при снижении плотности. Но главное преимущество в том, что многие алюминий-литиевые сплавы можно сваривать, перейдя таким образом от заклепок к сварным соединениям. Кроме того, данные сплавы обладают наилучшим комплексом механических, эксплуатационных и коррозионных характеристик, позволяющих конкурировать с традиционными алюминиевыми сплавами и полимерными композиционными материалами. Считаю, что со временем эти сплавы полностью вытеснят традиционные алюминиевые и произойдет замена клепаных конструкций на сварные.

РЗ: Когда впервые возникла идея использования этих сплавов в авиации?

На протяжении многих лет конструкторы и технологи стремились создать цельносварные самолеты. Метод сварки значительно снижает себестоимость конструкции и ее массу за счет уменьшения трудоемкости работ и расхода материала. Однако для внедрения сварных конструкций в авиационную промышленность требовался новый материал, обладающий свариваемостью, низкой плотностью и повышенной удельной прочностью.

Первые работы по легированию алюминиевых сплавов литием относятся к 1924 году, когда в Германии был разработан сплав склерон, содержащий всего 0,1% лития и имеющий свойства несколько лучше, чем у уже известного на тот момент сплава дуралюмина. Однако склерон не нашел широкого применения из-за сложности изготовления и более высокой стоимости, несмотря на малое содержание лития.

Работы по легированию алюминиевых сплавов литием были продолжены лишь в 1950-х годах, когда практически одновременно были разработаны два близких по составу сплава, содержащие примерно 1,1% лития: ВАД23 в СССР и сплав 2020 в США. Эти сплавы нашли промышленное применение, однако из-за чрезвычайно сложной технологии производства листов, пониженной пластичности и вязкости разрушения полуфабрикатов специалистами американской фирмы ALCOA дальнейшие работы по алюминиевым сплавам, легированным литием, были признаны неперспективными и прекращены.

РЗ: Как обстояло дело в нашей стране, и какую роль в работе над алюминий-литиевыми сплавами сыграл ВИАМ?

В нашей стране продолжались исследования по разработке алюминий-литиевых сплавов применительно к летательным аппаратам и были достигнуты положительные результаты. Родоначальником серии таких сплавов пониженной плотности стал ВИАМ. Ученые института разработали совершенно новый вид материалов с содержанием лития, который в качестве легирующего элемента придавал алюминиевым сплавам уникальные свойства — высокие прочность и коррозионную стойкость при пониженной плотности.

Первым, кто обратил внимание на уникальные свойства алюминий-литиевых сплавов, был ученый ВИАМ, академик И.Н. Фридляндер. В 1965 году была опубликована статья И.Н. Фридляндера, В.Ф. Шамрая и Н.В. Ширяевой в журнале «Известия АН СССР» об открытии эффекта упрочнения при термической обработке обширной группы сплавов в тройной системе Al–Li–Mg. На этой основе был создан сплав 1420, содержащий 2% Li, 5,5% Mg и 0,1% Zr. Два процента лития занимают в алюминиевом сплаве около 11% объема, поэтому сплав 1420 оказался на 10–12% легче применявшихся для фюзеляжа сплавов типа дуралюминов. Одновременно была установлена новая особенность, поколебавшая установленную Н.С. Курнаковым закономерность аддитивности модуля упругости компонентов сплава. Легирование литием, имевшим меньший модуль, чем алюминий, не только не снизило, но даже повысило модуль упругости Al–Mg–Li сплавов. Это открытие, признанное Государственным комитетом по изобретениям, получило название «эффект Фридляндера». Таким образом, создавая сплав 1420, ВИАМ действительно оказался «впереди планеты всей».

Тем не менее, многие металлурги были ярыми противниками алюминий-литиевых сплавов. В частности, по воспоминаниям И.Н. Фридляндера, директор ВИЛС академик А.Ф. Белов настолько не хотел заниматься созданием соответствующего оборудования и технологий, что сообщил в органы госбезопасности о намерении ВИАМ погубить советскую военную авиацию с помощью нового сплава 1420.

В дальнейшем, основываясь на опыте применения сплава 1420, специалистами ВИАМ был разработан целый класс алюминий-литиевых сплавов второго поколения на базе систем Al–Cu–Mg–Li и Al–Cu–Li: сплавы 1441, 1450, 1460. Они обладали улучшенным комплексом механических свойств по сравнению со сплавами первого поколения, однако имели ряд недостатков, в том числе неудовлетворительную свариваемость.

Развитию данного направления, как и многих других, помешала «перестройка». В СССР именно авиастроению придавалось первостепенное значение в поддержании обороноспособности государства, благодаря чему разработки советских инженеров и конструкторов являли собой образец передовой научно-технической мысли. Но развал Советского Союза и наступивший экономический кризис привели к упадку отрасли. Многие разработки советских ученых были оставлены «до лучших времен».

РЗ: Что представляют собой алюминий-литиевые сплавы третьего поколения?

За последние годы наши ученые разработали современные высокопрочные и высокоресурсные алюминий-литиевые сплавы третьего поколения: В-1461, В-1469, В-1480 и В-1481, которые по своим характеристикам превосходят зарубежные аналоги и являются альтернативой основным конструкционным алюминиевым сплавам 1163 и В95, широко применяемым в отечественном авиастроении. Третье поколение алюминий-литиевых сплавов лишено недостатков своих предшественников благодаря подбору оптимальных концентраций легирующих элементов и разработке технологий деформации и термической обработки, которые обеспечивают повышенную пластичность и улучшенную структуру полуфабрикатов. Например, сплавы В-1469 и В-1480 по удельной прочности превосходят на 7–15% все существующие алюминиевые деформируемые сплавы и обладают при этом высокими характеристиками коррозионной стойкости, трещиностойкости и усталостной долговечности. Сплав В-1481 имеет очень высокие характеристики вязкости разрушения и трещиностойкости, превосходящие на 10–15% свойства традиционно применяемого для обшивки фюзеляжа сплава 1163.

РЗ: В каком состоянии сейчас находится производство алюминий-литиевых сплавов в России? Кто их производит?

Единственным металлургическим предприятием в России, имеющим необходимое для производства алюминий-литиевых сплавов плавильно-литейное оборудование, является Каменск-Уральский металлургический завод (ОАО «КУМЗ»). Сегодня КУМЗ продолжает серийно выпускать алюминий-литиевые сплавы для ракетно-космической техники, в первую очередь – самый легкий алюминий-литиевый сплав 1420, а также для авиационной техники – например сплав 1441, примененный в гидросамолетах Бе-103 и Бе-200.

Для обеспечения в будущем отечественной авиационной техники качественными алюминий-литиевыми сплавами в необходимом объеме надо провести техническое перевооружение КУМЗа с созданием нового участка плавки и литья слитков из алюминий-литиевых сплавов. Имеющееся на предприятии плавильно-литейное оборудование находится в эксплуатации в течение более 50 лет. Неудовлетворительное состояние литейных агрегатов приводит к повышенному браку из-за наличия примеси кремния, что негативно сказывается на характеристиках трещиностойкости полуфабрикатов и приводит к повышенному трещинообразованию при литье.

Сейчас на заводе вводится в эксплуатацию оборудование нового прокатного комплекса, по своим характеристикам не имеющее аналогов за рубежом, что позволит в ближайшее время начать производство высококачественной катаной продукции уникальных габаритов, так необходимой нашей авиационной промышленности. Это длинномерные (до 30 м) плиты и широкие (до 3200 мм) обшивочные листы. Эту работу ОАО «КУМЗ» проводит за счет собственных средств, объем вложений составляет 23 миллиарда рублей.

РЗ: Для производства алюминий-литиевых сплавов необходим металлический литий. Имеется ли в России собственное производство этого металла?

Проблема производства лития и его соединений, необходимых для изготовления алюминий-литиевых сплавов, в России действительно существует. Единственным отечественным производителем чистой литиевой продукции является ОАО «Новосибирский завод химконцентратов», который осуществляет поставки лития как на отечественный рынок, так и за рубеж.

В 1960-х годах на предприятии было создано масштабное литиевое производство, представляющее собой технологический комплекс, способный перерабатывать исходное сырье, получая максимально чистый литий и его соли, которые использовались во многих отраслях народного хозяйства. Создание на ОАО «НЗХК» производства лития совпало с освоением его в промышленности на ОАО «КУМЗ» и с началом широкого применения алюминий-литиевых сплавов ВАД23 и 1420 в авиакосмической и ракетной технике.

Следует отметить, что в России на данный момент отсутствует развитая сырьевая база для производства лития, сырье импортируется из Чили. Сейчас объемы производства металлического лития и соединений лития на ОАО «НЗХК» составляют соответственно около 280 тонн и около 300 тонн в год. Из них на производство алюминий-литиевых сплавов (1420, 1441) расходуется металлического лития примерно 30–40 тонн в год (10–15% от общего производства). Остальные 85–90% металлического и хлористого лития поставляются за рубеж.

РЗ: Расскажите об успешных примерах внедрения алюминий-литиевых сплавов ВИАМ.

В середине 1960-х годов выдающийся советский авиаконструктор Ростислав Беляков использовал сплав 1420 при создании самолета МиГ-29М — для кабины пилота и для центроплана. При сварке крупных массивных штамповок с листом возникли сложности, но их удалось решить. В результате было создано девять таких самолетов, продемонстрировавших уникальные характеристики как по аэродинамическим качествам, так и по энерговооруженности. Эти самолеты существенно превосходили по своим параметрам западные аналоги — F-16 и F-18. МиГ-29М, в конструкции которого использовался сварной вариант алюминий-литиевого сплава, был построен по схеме падающего листа. Подъемная сила самолета была разнесена с центром тяжести, и он имел достаточно высокую маневренность.

В начале 1970-х годов в Советском Союзе из сплава 1420 впервые были изготовлены клепаные фюзеляжи палубных самолетов вертикального взлета ЯК-36 и ЯК-38, что снизило массу конструкции до 10%. Также детали из сплава 1420 использовались в пассажирских самолетах Як-40 и Як-42.

В 2005–2010 годах ВИАМ активно сотрудничал с компанией Airbus, специалисты которой из нашего сплава 1424 сделали листы, а из них целый отсек фюзеляжа, прошедший испытания — 75 тысяч циклов — без существенных замечаний. Реализация нашего проекта подтолкнула компанию Boeing к активной работе в данном направлении.

В России постепенно идет внедрение алюминий-литиевого сплава 1441 системы Al–Cu–Mg–Li. Высокотехнологичный среднепрочный высокомодульный алюминий-литиевый сплав 1441 обладает наилучшей из всех отечественных алюминий-литиевых сплавов технологической пластичностью при прокатке, что позволяет получать тонкие листы (толщиной до 0,3 мм). Сплав обладает высокими характеристиками усталости и трещиностойкости и рекомендуется в качестве альтернативы сплаву 1163АТ для обшивки фюзеляжа центральной части изделия (листы), стрингерного набора (прессованные профили), а также для элементов внутреннего набора. Листы из сплава 1441 широко используются с начала 1990-х годов в гидросамолетах ТАНТК им. Г.М. Бериева Бе-103 и Бе-200.

Специалистами ВИАМ совместно с ПАО «Туполев» разработана концепция сварной панели верха крыла из высокопрочного алюминий-литиевого сплава В-1469. Для этого были изготовлены промышленные прессованные панели, которые сваривались с использованием высокоэффективной сварки трением с перемешиванием. В результате были получены фрагменты панели крыла с высоким уровнем механических и коррозионных свойств. Проведенные в ЦАГИ испытания показали, что применение панелей из сплава В-1469-Т1 взамен базового сплава В95о.ч.-Т2 благодаря повышенной удельной прочности сплава позволяет снизить массу крыла на 15%, а также — повысить устойчивость и несущую способность.

Хотел бы отметить, что дополнительное снижение массы изделия в целом возможно благодаря применению гибридной конструкции на основе металлических и металлополимерных материалов, в которых методом чередования слоев достигаются более высокие механические свойства, характеристики трещиностойкости и малоцикловой усталости, а пониженная плотность позволяет экономить до 10–20% массы по сравнению с монолитной конструкцией.

Можно сказать и еще об одной работе. На базе высокопрочного алюминий-литиевого сплава В-1469 и высокоресурсного алюминий-литиевого сплава 1441 была реализована концепция гибридной панели крыла с использованием слоистых металлополимерных композиционных материалов. Испытания показали возможность использования данных конструкций для повышения весовой эффективности изделия при сохранении остальных эксплуатационных характеристик.

РЗ: В каких современных отечественных самолетах планируется использовать эти сплавы в настоящее время?

В настоящее время Правительством Российской Федерации поставлена задача восстановления производства пассажирского самолета Ил-114 и создания транспортных самолетов Ил-112 и Ил-276, а также принципиально нового пассажирского самолета SSJ-75. В конструкциях всех без исключения перечисленных авиалайнеров планируется широкое применение алюминий-литиевых сплавов, а для самолета SSJ-75 прорабатывается вопрос изготовления сварных отсеков фюзеляжа из алюминий-литиевых сплавов с использованием прогрессивных технологий лазерной сварки и сварки трением с перемешиванием.

РЗ: Насколько широко используются алюминий-литиевые сплавы в зарубежных моделях самолетов?

За рубежом сварные конструкции из этих сплавов применяются в основном для топливных баков космических аппаратов. Из сплава 2198 с использованием сварки трением с перемешиванием изготовлены баки для топлива и окислителя первой и второй ступеней изделия SpaceX Falcon 9. Из листов сплава 2195, заменившего сплав 2219, изготавливают внешние топливные баки для ракетно-космической техники NASA Space Shuttle, первый запуск которого был осуществлен в 1998 году. Благодаря применению легких алюминий-литиевых сплавов, масса изделия была снижена примерно на 3000 кг.

За рубежом алюминий-литиевые сплавы третьего поколения (с добавками скандия) нашли широкое применение и в современных самолетах. Канадская компания Bombardier создала проект семейства пассажирских узкофюзеляжных двухмоторных реактивных самолетов средней дальности
С-серии, в конструкции которых широко применяются алюминий-литиевые сплавы, составляющие до 25% от всех материалов планера. Кроме этого, алюминий-литиевые сплавы находят применение в современных модификациях самолетов компании Airbus (А-380, А-350).

РЗ: Есть ли понимание необходимых объемов производства в России алюминий-литиевых сплавов и готова ли существующая производственная база обеспечить эти объемы?

Объем потребления данных сплавов за рубежом достигает 75 тысяч тонн в год, в России же этот показатель не превышает 1500 тонн. В связи с этим крайне необходимы приобретение соответствующего оборудования и организация на территории ОАО «КУМЗ» современного высокопроизводительного плавильно-литейного цеха по производству слитков алюминий-литиевых сплавов.

РЗ: Насколько перспективно использование в таких сплавах редкоземельных металлов? Как РЗМ влияют на качественные показатели сплавов?

Современные отечественные алюминий-литиевые сплавы содержат в своем составе малые добавки РЗМ (в частности, скандия), что позволяет повысить их прочность и надежность изготавливаемых конструкций. Однако увеличение содержания РЗМ в таких сплавах приведет к значительному росту их стоимости и, как следствие, падению конкурентоспособности относительно широко используемых в авиации алюминиевых сплавов других систем легирования.

В целом легкие свариваемые сплавы — крайне важное направление для авиационной промышленности. Их применение обеспечивает при существенном снижении массы рост весовой эффективности, а использование для легирования сплавов различных добавок типа РЗМ позволяет повысить прочность и надежность конструкции.

Я уверен, что алюминий-литиевые сплавы, наряду с другими материалами нового поколения, позволят России создать конкурентоспособные авиалайнеры, не уступающие по своим летным характеристикам зарубежным аналогам.

Типы, элементы сплава и состав

Как и почти все алюминиевые сплавы, различают деформируемые сплавы для прокатки и ковки и литейные сплавы для литья .

Содержание меди обычно составляет от 3 до 6%. Считается , что при содержании от 0,3% до 6% их невозможно или очень трудно сваривать ( сваркой плавлением ), при более высоком содержании Cu они свариваются. Большинство типов по-прежнему содержат магний , марганец и кремний, добавленные для увеличения прочности. Свинец и висмут образуют мелкие включения, которые плавятся при низких температурах и, таким образом, приводят к лучшему стружкообразованию , как у автоматной стали . Тепловое сопротивление увеличивается при добавлении никеля и железа.

Железо, содержащееся в технических сплавах в качестве примеси, препятствует холодному упрочнению . Это снова становится возможным при добавлении магния. Увеличение количества магния до 1,5% увеличивает прочность и удлинение при разрыве (см. AlMg ). Марганец также используется для увеличения прочности (см. AlMn ). Однако большие количества имеют отрицательные побочные эффекты, поэтому содержание Mn ограничено примерно 1%. Меньшие добавки кремния добавляются для связывания железа, поскольку он предпочтительно образует фазу AlFeSi, в то время как образование Al ₇ Cu ₂ Fe приведет к удалению большего количества меди из материала, что в таком случае больше не приведет к образованию действительно желаемых фаз (особенно Al ₂ Cu, алюминид меди ). Большие количества кремния добавляют для образования Mg ₂ Si ( силицид магния ) с магнием , который, как и AlMgSi, улучшает прочность и прокаливаемость.

Некоторые сплавы все еще содержат литий от 1,5% до 2,5%. Из-за очень низкой плотности Li (0,53 г / см³ по сравнению с 2,7 г / см³ алюминия) это приводит к более легким компонентам, что особенно выгодно в авиации. Подробнее см. Алюминиево-литиевый сплав .

Литейные сплавы

Литейные сплавы содержат около 4% меди и другие небольшие количества добавок, улучшающих литье , включая титан и магний . Исходный материал - первичный алюминий ; Вторичный алюминий (изготовленный из лома), в отличие от других алюминиевых литейных сплавов, не используется, поскольку он снижает удлинение при разрыве и ударную вязкость. Литейные сплавы AlCu склонны к образованию горячих трещин и используются в состояниях упрочнения Т4 и Т6.

В следующей таблице показан состав некоторых марок согласно DIN EN 1706. Все данные в процентах по массе , остальное - алюминий.

количество	Химическая промышленность ( обозначение CEN )	Кремний	железо	медь	марганец	магний	цинк	титан
21000	AlCu4TiMg	0,2	0,4	4,2-5,0	0,10	0,15-0,35	0,1	0,15-0,30
21100	AlCu4Ti	0,18	0,2	4,2-5,2	0,55	-	0,07	0,15-0,30

Кованые сплавы

СОДЕРЖАНИЕ

Механические свойства

Алюминиево-литиевый сплав

Алюминиево-литиевые сплавы - это алюминиевые сплавы, которые имеют улучшенные свойства за счет добавления лития . Прежде всего, плотность в сплаве может быть снижена таким образом, так как плотность сплава уменьшается на 3% с каждой Массовой долей литии используется. Кроме того, увеличивается модуль упругости .

Помимо лития, к этим сплавам обычно добавляют другие элементы, такие как медь , марганец , магний , серебро , цирконий или скандий . В частности, содержание меди может быть значительно выше, чем содержание лития (сплавы 2ххх).

Алюминиево-литиевые сплавы используются в самолетах, космических кораблях и ракетах, а также в автомобилестроении. Итак, з. B. Внешний бак космического челнока и части пассажирских самолетов Boeing B777 , Airbus A350 и Airbus A380 изготовлены из этих сплавов.

Первое поколение алюминиево-литиевых сплавов - примерно между 1950 и 1990 годами - характеризовалось высокой склонностью к коррозии , низкой пластичностью ( образование полос скольжения из-за δ'- выделений ) и низкой температурной стойкостью . Эти проблемы были решены в сплавах второго поколения с пониженным содержанием лития.

В нынешнем третьем поколении механические свойства, помимо прочности и вибрационного поведения при высоких нагрузках, теперь некритичны. Однако из-за высокой склонности лития к окислению в литейном производстве должны быть предусмотрены специальные защитные устройства .

Производственные площадки

Ключевыми мировыми производителями продукции из алюминиево-литиевых сплавов являются Arconic , Constellium , Каменск-Уральский металлургический завод .

Алюминиево-литиевый сплав - Aluminium–lithium alloy

Алюминий-литиевые сплавы (сплавы Al-Li) представляют собой набор из сплавов из алюминия и лития , часто также в том числе меди и циркония . Поскольку литий является наименее плотным элементарным металлом, эти сплавы значительно менее плотны, чем алюминий. Коммерческие сплавы Al – Li содержат до 2,45% лития по массе.

Алюминиево-медный сплав

Алюминиево-медные сплавы ( AlCu ) - это алюминиевые сплавы - сплавы, которые в основном состоят из алюминия (Al), - которые содержат медь (Cu) в качестве основного легирующего элемента . Важные типы по-прежнему содержат добавки магния и кремния (AlCu (Mg, Si)), а марганец часто также добавляют для повышения прочности (см. AlMn ). Основная область применения - авиастроение . Эти сплавы обладают средними до высокой прочности и возрастные отверждаемые . Доступны как деформируемые, так и литые сплавы . Недостатками являются их подверженность коррозии и плохая свариваемость . Они стандартизированы в серии 2000. Дюралюмин - самая старая разновидность в этой группе, восходящая к Альфреду Вильму , который открыл его в 1903 году. Только за счет использования алюминиево-медных сплавов алюминий можно было использовать в качестве широко распространенного конструкционного материала, поскольку чистый алюминий слишком мягкий для этого, а другие закаливаемые сплавы, такие как сплавы алюминия-магния-кремния (AlMgSi) или естественно твердые (не закаливаемые) сплавы, все еще остаются не были известны.

Содержание

Кристальная структура

Легирование литием снижает массу конструкции за счет трех эффектов:

Смещение Атом лития легче атома алюминия; каждый атом лития затем вытесняет один атом алюминия из кристаллической решетки , сохраняя при этом структуру решетки. Каждый 1% лития, добавленный к алюминию, снижает плотность получаемого сплава на 3% и увеличивает жесткость на 5%. Этот эффект работает до предела растворимости лития в алюминии, который составляет 4,2%. Деформационное упрочнение Введение атома другого типа в кристалл деформирует решетку, что помогает блокировать дислокации . В результате получается более прочный материал, что позволяет использовать его меньше. Осадочное твердение При правильном старении литий образует метастабильную фазу Al ₃ Li (δ ') с когерентной кристаллической структурой. Эти выделения укрепляют металл, препятствуя движению дислокаций во время деформации. Однако осадки нестабильны, и необходимо следить за тем, чтобы предотвратить чрезмерное усреднение с образованием стабильной фазы AlLi (β). Это также создает зоны, свободные от выделений (PFZ), обычно на границах зерен, и может снизить коррозионную стойкость сплава.

Кристаллическая структура для Al ₃ Li и Al – Li, основанная на системе кристаллов ГЦК , сильно различается. Al ₃ Li имеет почти такую же решетчатую структуру, что и чистый алюминий, за исключением того, что атомы лития присутствуют в углах элементарной ячейки. Структура Al ₃ Li известна как AuCu ₃ , L1 ₂ или Pm 3 m и имеет параметр решетки 4,01 Å. Структура Al – Li известна как структура NaTl, B32 или Fd 3 мкм, которая состоит из лития и алюминия, предполагая алмазные структуры, и имеет параметр решетки 6,37 Å. Межатомное расстояние для Al – Li (3,19 Å) меньше, чем у чистого лития или алюминия.

Список алюминиево-литиевых сплавов

Помимо формального четырехзначного обозначения, основанного на его элементном составе , алюминиево-литиевый сплав также связан с определенными поколениями, в первую очередь в зависимости от того, когда он был впервые произведен, а во вторую - по содержанию лития. Первое поколение просуществовало от первоначальных фоновых исследований в начале 20-го века до их первого применения в самолетах в середине 20-го века. Состоящие из сплавов, которые предназначались для прямой замены популярных сплавов 2024 и 7075 , второе поколение Al – Li имело высокое содержание лития, по крайней мере, 2%; эта характеристика привела к значительному снижению плотности, но привела к некоторым отрицательным эффектам, особенно к вязкости разрушения. Третье поколение - это существующее поколение Al-Li продукта, которое доступно, и оно получило широкое признание производителей самолетов, в отличие от двух предыдущих поколений. В этом поколении снижено содержание лития до 0,75–1,8%, чтобы смягчить эти отрицательные характеристики, сохранив при этом некоторое снижение плотности; Плотность Al-Li третьего поколения варьируется от 2,63 до 2,72 грамма на кубический сантиметр (от 0,095 до 0,098 фунта на кубический дюйм).

Сплавы первого поколения (1920–1960-е гг.)

Сплавы Al – Li первого поколения

Название / номер сплава	Приложения
1230 (VAD23)	Ту-144
1420	Фюзеляжи, топливные баки и кабины МиГ-29 ; Су-27 ; Ту-156 , Ту-204 , Ту-334 ; Як-36 и Як-38 Фюзеляжи
1421
2020 г.	Крылья и горизонтальные стабилизаторы A-5 Vigilante

Сплавы второго поколения (1970–1980-е гг.)

Сплавы Al – Li второго поколения

Название / номер сплава	Приложения
1430
1440
1441	Бе-103 и Бе-200
1450	Ан-124 и Ан-225
1460	Многоразовая ракета-носитель McDonnell Douglas ( DC-X ); Ту-156
2090 (предназначен для замены 7075 )	Передние кромки A330 и A340 ; C-17 Globemaster ; Адаптер полезной нагрузки Atlas Centaur
2091 (CP 274) (предназначен для замены 2024 г. )	Люки доступа Fokker 28 и Fokker 100 в нижнем обтекателе фюзеляжа
8090 (CP 271) (предназначен для замены 2024 г. )	Планер EH-101 ; Передние кромки A330 и A340 ; Адаптер полезной нагрузки Titan IV

Сплавы третьего поколения (1990–2010 годы)

Сплавы Al – Li третьего поколения

Название / номер сплава	Приложения
2050 (AirWare I-Gauge)	Ракета-носитель экипажа " Арес I" - разгонный блок; Нервюры крыла A350 ; Усилитель нижнего крыла А380
2055
2060 (C14U)
2065
2076
2096
2098
2099 (C460)	Стрингеры А380 , экструдированные поперечины, продольные балки и поручни сидений; Боинг 787
2195	Ракета-носитель экипажа " Арес I" - разгонный блок; Последняя модификация баков с ракетным топливом Space Shuttle Super Lightweight External Tank Falcon 9
2196	Экструдированные поперечные балки, продольные балки и направляющие сиденья A380
2198 (AirWare I-Form)	Обшивка фюзеляжа самолетов A350 и CSeries ; Ракета второй ступени Falcon 9
2199 (C47A)
2296
2297	Переборки F-16
2397	Переборки F-16 ; Шаттл Суперлегкий вес внешнего бака межбаковый тяги панели
Al – Li ТП – 1
C99N

Прочие сплавы

1424 алюминиевый сплав
1441K алюминиевый сплав
1445 алюминиевый сплав
Алюминиевый сплав В-1461
Алюминиевый сплав В-1464
Алюминиевый сплав В-1469
2094 алюминиевый сплав
Алюминиевый сплав 2095 ( Weldalite 049 )
2097 алюминиевый сплав
2197 алюминиевый сплав
8025 алюминиевый сплав
8091 алюминиевый сплав
8093 алюминиевый сплав
CP 276

Алюминий литиевые сплавы марки

Описаны технологические особенности при изготовлении деталей из листов алюминий-литиевого сплава 1441 методами инструментального формообразования. Показана возможность использования контактной сварки при изготовлении деталей из листов сплава 1441. Представлены результаты исследований фазового состава и структуры образцов, вырезанных из деталей сплава 1441, методами просвечивающей электронной и оптической микроскопии. Описаны процессы формообразования автоклавным методом элементов и деталей из листов, плит алюминий-литиевого сплава 1441 и гибридного материала с использованием листов сплава 1441 и стеклопластиков.

Ключевые слова: алюминий-литиевый сплав, листы, формообразование, структура, свойства, гибридный материал, контактная точечная сварка, Al–Li alloy, details, forming, structure, properties, hybrid material, resistance spot welding.

Введение

Алюминиевые сплавы продолжают служить в качестве конструкционных материалов для авиационной техники. Успешно применяются в отечественных и зарубежных самолетах высокопрочные сплавы системы Al–Zn–Mg–Cu (В95п.ч., В95о.ч., 7075, 7475 и др.) и ресурсные среднепрочные сплавы системы Al–Cu–Mg (Д16ч., 1163, 2324, 2524 и др.).

К достоинствам алюминиевых сплавов можно отнести хорошую технологичность в металлургическом и машиностроительном производстве: стабильные литейные свойства при выплавке слитков и изготовлении всех видов полуфабрикатов прокаткой, штамповкой, прессованием и ковкой. При изготовлении деталей отработаны технологии обработки резанием, размерного травления, соединения при сборке конструкций (сварка, клепка и т. п.). К достоинствам алюминиевых сплавов относят низкую плотность материала в сочетании с высокой удельной прочностью, хорошей коррозионной стойкостью, повышенными ресурсными характеристиками в отношении трещиностойкости и усталостной долговечности [1–3].

Возрастающие требования к надежности, ресурсу и весовой эффективности авиационных конструкций определяют необходимость постоянного совершенствования прочностных и технологических характеристик алюминиевых сплавов путем изменения состава по легирующим элементам и примесям (металлическим – железу, кремнию; неметаллическим – водороду), изменения технологических процессов и параметров при производстве полуфабрикатов, подбора новых режимов термической и термомеханической обработок полуфабрикатов, их эксплуатационных и технологических характеристик [4–8]. Использование традиционных приемов по улучшению характеристик алюминиевых сплавов не дает возможности в полной мере изменить свойства, необходимые для обеспечения поставленных конструкторами задач к современным самолетам.

В результате повышения конструктивно-технологических и эксплуатационных требований к конструкции воздушного судна возникла необходимость в создании иного класса материалов с применением современных методов моделирования и производства полуфабрикатов, обеспечивающих переход к применению новых материалов с заданными физико-механическими свойствами. Высокомодульные алюминий-литиевые сплавы пониженной плотности и гибридные конструкционные материалы, изготовленные с использованием алюминий-литиевых листов и клеевых препрегов, являются перспективным направлением авиационного материаловедения. В связи с этим в настоящее время одним из перспективных способов развития алюминиевых сплавов с целью повышения весовой эффективности изделий авиационной техники является разработка алюминиевых деформируемых сплавов пониженной плотности, легированных литием. Применение алюминий-литиевых сплавов обеспечивает повышение весовой эффективности конструкций за счет пониженной плотности материалов, повышенной удельной прочности и жесткости.

Одним из технологических процессов получения неразъемных соединений на стадии изготовления деталей узлов и агрегатов для авиакосмической техники, которые позволяют значительно снизить трудоемкость, является сварка. Применительно к сплаву 1441 сборочные операции возможно реализовать как методом сварки в твердой фазе, так контактной точечной сваркой [9].

Работа выполнена в рамках реализации комплексной научной проблемы 6.2. «Слоистые трещиностойкие, высокопрочные металлополимерные материалы» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [3, 5].

Материалы и методы

Исследования структуры материала при формообразовании методами холодной листовой штамповки, гибки, отбортовки и вытяжки, а также оценку возможности контактной точечной сварки (КТС) проводили на листах из алюминий-литиевого сплава 1441 толщиной 1,0 мм.

Качество сварного соединения определяли величиной, размером и расположением литой зоны, состоянием поверхности свариваемых деталей в зонах сварного шва. Все структурные исследования, в том числе сварных соединений, проводили с помощью оптического микроскопа Olympus GX 51, оснащенного цифровой камерой.

Электронно-микроскопические структурные исследования образцов из деталей с окончательной термической обработкой проводили на фо́льгах на просвечивающем электронном микроскопе TECHAI F20 S-TWIN, оснащенном сканирующей системой, светлопольным и темнопольными детекторами электронов.

Результаты и обсуждение

Способность лития улучшать механические, коррозионные и физические свойства сплавов известна давно. Литий является одним из легких металлов, его плотность составляет 0,53 г/см 3 . Легирование алюминия литием наряду с повышением механических свойств повышает его коррозионную стойкость и снижает плотность сплава, что ведет к повышению весовой эффективности конструкции [10, 11].

Разработанный во ФГУП «ВИАМ» ресурсный среднепрочный сплав 1441 на базе четверной системы Al–Cu–Mg–Li с дополнительным легированием Zr и Ti обладает определенными преимуществами по сопротивлению усталости и трещиностойкости перед распространенными традиционными ресурсными сплавами Д16ч.-Т и 1163-Т системы Al–Cu–Mg, широко применяемыми в качестве обшивочного материала панелей крыла и фюзеляжа [12]. Полуфабрикаты из сплава 1441 характеризуются повышенной коррозионной стойкостью и высокими адгезионными свойствами как для гальванических, так и лакокрасочных покрытий [13].

Технологические возможности сплава 1441 позволяют получать на промышленном оборудовании ОАО «КУМЗ» разные виды полуфабрикатов с характеристиками в соответствии с требованиями нормативной документации. Технологические особенности сплава 1441 позволяют изготавливать листы методом холодной рулонной прокатки без промежуточных отжигов толщиной до 0,3–0,5 мм, что расширяет их использование в слоистых конструкциях [14].

Листы из сплава 1441 рекомендуется применять в искусственно-состаренных состояниях Т1 и Т11. Применение для тонких листов двухступенчатого режима старения с более высокой второй ступенью нагрева позволяет совмещать технологический процесс полимеризации стеклопрепрегов с формообразованием металлических слоев при изготовлении деталей из слоистых материалов класса СИАЛ, в том числе и автоклавным методом.

Имеется положительный опыт применения листов и профилей из сплава 1441 в конструкции планера самолетов Бе-200 и Бе-103. Использование полуфабрикатов из сплава 1441 в реальных конструкциях позволило достичь весовой эффективности

Для расширения применения алюминий-литиевого сплава 1441 и его внедрения в модернизированные и новые модификации авиационных изделий возникла необходимость дополнительной оценки технологической пластичности полуфабрикатов для изготовления деталей формообразованием в производственных условиях при операциях листовой штамповки, гибки, отбортовки и вытяжки, а также отработки режимов контактной сварки.

В условиях самолетостроительного предприятия ПАО «ВАСО» изготовлены детали из листов сплава 1441 толщиной 1,0 мм применительно к авиационным конструкциям (рис. 1). Схематично процесс изготовления деталей из листов методом инструментального формообразования представлен на рис. 2.

Отработку технологических процессов изготовления деталей с учетом степеней деформации провели на листовых заготовках в разных исходных состояниях термообработки: отожженном, свежезакаленном и естественно-состаренном. Для обеспечения соответствия характеристик материала требованиям нормативной документации все изготовленные детали термообработаны до состояния Т1.

Рис. 1. Детали из листов алюминий-литиевого сплава 1441 толщиной 1,0 мм

Рис. 2. Схема процесса формообразования деталей из листов холодной штамповкой

Для оценки структуры термообработанного материала методами просвечивающей электронной и оптической микроскопии проведены исследования фазового состава и структуры образцов, вырезанных из готовых деталей сплава 1441. Показано, что в оптическом микроскопе структура листов сплава 1441 в состоянии Т1 преимущественно рекристаллизованная (рис. 3), с довольно однородным зерном размером d_ср≈15–25 мкм.

Рис. 3. Структура листа из сплава 1441-Т1 толщиной 1,0 мм, полученная с помощью оптического микроскопа (продольное направление, травление в концентрированной HNO₃)

Методом просвечивающей электронной микроскопии помимо рекристаллизованных зерен, высокоугловые границы которых образуют равновесные стыки, обнаруживаются отдельные участки нерекристаллизованной субзеренной структуры (рис. 4).

Рис. 4. Структура листов из сплава 1441-Т1:

а – зеренная структура; б – участки субзеренной структуры

Как и для большинства алюминий-литиевых сплавов, основными упрочняющими фазами сплава 1441 являются δ′- (Al₃Li) и S′-фазы (Al₂CuMg) [15–19]. Распад твердого раствора в сплаве 1441 в состоянии Т1 приводит к образованию выделений δ′-фазы сферической формы, распределенных в объеме зерен с высокой плотностью (рис. 5, а); S′-фаза наблюдается в виде конгломератов из вытянутых реек различной кристаллографической ориентировки (рис. 5, б).

Рис. 5. Электронно-микроскопические изображения в листах из сплава 1441-Т1 выделений δ′- (а) и S′-фаз (б)

Основные характеристики образцов из деталей сплава 1441-Т1 приведены в таблице.

Свойства образцов из деталей сплава 1441-Т1

Приложения

Алюминиево-медные сплавы используются в основном в авиастроении , где их низкая коррозионная стойкость играет второстепенную роль. Сплавы обрабатываются прокаткой , ковкой , экструзией, а иногда и литьем .

Применение

Сплавы Al – Li в первую очередь представляют интерес для авиакосмической промышленности из-за их преимущества в весе. В отношении узкофюзеляжных авиалайнеров Arconic (ранее Alcoa ) заявляет о снижении веса до 10% по сравнению с композитами , что приводит к повышению топливной эффективности до 20% при более низкой стоимости, чем у титана или композитов. Алюминиево-литиевые сплавы впервые были использованы в крыльях и горизонтальном стабилизаторе североамериканского военного самолета A-5 Vigilante . Другие сплавы Al-Li использовались в обшивке нижней части крыла Airbus A380 , внутренней конструкции крыла Airbus A350 , фюзеляже Bombardier CSeries (где сплавы составляют 24% фюзеляжа), грузовом полу Боинг 777X , а лопасти вентилятора по Pratt & Уитни PurePower ориентирована турбореактивного двигателя летательного аппарата. Они также используются в топливных баках и окислителя в SpaceX Falcon 9 ракеты - носителе, формула один суппорты тормозов, и AgustaWestland EH101 вертолет .

Третья и последняя версия внешнего бака американского космического корабля " Шаттл " в основном была сделана из сплава Al-Li 2195 . Кроме того, сплавы Al-Li также используются в переднем адаптере Centaur в ракете Atlas V , в космическом корабле Orion и должны были использоваться в запланированных ракетах Ares I и Ares V (часть отмененной программы Constellation ).

Сплавы Al – Li обычно соединяют сваркой трением с перемешиванием . Некоторые сплавы Al – Li, такие как Weldalite 049 , можно сваривать обычным способом ; однако за это свойство приходится расплачиваться плотностью; Weldalite 049 имеет примерно такую же плотность, как алюминий 2024 года, и на 5% выше модуль упругости . Al – Li также производится в рулонах шириной 220 дюймов (18 футов; 5,6 метра), что позволяет сократить количество стыков.

Хотя алюминиево-литиевые сплавы обычно превосходят алюминиево-медные или алюминиево-цинковые сплавы по предельному соотношению прочности к массе, их низкая усталостная прочность при сжатии остается проблемой, которая только частично решена к 2016 году. Кроме того, высокая стоимость ( примерно в 3 раза или больше, чем у обычных алюминиевых сплавов), плохая коррозионная стойкость и сильная анизотропия механических свойств прокатанных алюминиево-литиевых продуктов привели к ограниченному количеству применений.

Читайте также: