Самолету кроме мощных двигателей нужен планер из прочного и легкого материала. Такого как алюминий. Несмотря на растущую конкуренцию, этот металл никому не уступает свой «крылатый» статус, оставаясь главным и самым надежным конструкционным материалом авиационной техники.
Первым делом – самолеты
Сегодня потребление алюминия в мировом авиапроме составляет свыше 550 тысяч тонн. И эти показатели будут увеличиваться за счет роста производства различной авиационной и космической техники. К 2025 году потребление алюминиевых полуфабрикатов достигнет 400 тыс. тонн или около 650 тыс. тонн в первичном сегменте.
В современных воздушных суднах практически нет элементов или систем, где бы не применялись различные алюминиевые сплавы: топливные баки, авиационные колеса, гидравлические и масляные трубопроводы, топливная система, бортовая кабельная сеть, системы терморегулирования, авиационные кресла, элементы интерьера и многое другое.
Из алюминия изготавливается силовой набор планера и крыла – шпангоуты, стрингеры, нервюры и лонжероны, обшивка, различные элементы отделки и, конечно, заклепки, которых в самолете не одна сотня тысяч штук. Именно алюминиевые конструкции несут на себе все нагрузки и защищают пассажиров от внешней среды во время полета.
Легкий выбор
Почему именно алюминий? Крупнейшие мировые авиастроители выбирают алюминий за его уникальные свойства. Он в 3 раза легче стали и гораздо дешевле, чем титан. Скорость механической обработки алюминиевых сплавов в 4-6 раз выше стальных аналогов, а листовые материалы из алюминиевых сплавов на порядок дешевле, чем из углекомпозитов. Введение в алюминий около 4% меди и 1,5% магния в сочетании с термической обработкой позволяет повысить прочность чистого алюминия в 10 раз. Кроме того, алюминиевая продукция легко подвергается утилизации и глубокой переработке.
Новые конкурентоспособные алюминиевые решения повышают экономическую эффективность полетов. «Сегодня гражданская авиация, которая потребляет основную часть алюминия, является коммерческим продуктом и самолет, как и автомобиль, имеет свои затраты на обслуживание, удельный расход топлива и прочие потребительские качества. Ближне- и среднемагистральные самолеты в алюминиевым исполнении конкурентоспособны и быстро окупаются», – отмечает директор по науке ИЛМиТ Дмитрий Рябов.
Алюминий vs композиты и титан
Основные конкуренты алюминия в авиапроме – полимерные композиционные материалы, которые сделали рывок вперед по прочности и надежности. Но алюминий дешевле, чем авиационные композиты, его ремонтопригодность существенно выше, а поведение известно конструкторам и технологам.
«В будущем алюминий сохранит свои позиции в авиации. Да, сейчас появляются самолеты с композитным крылом или фюзеляжем, но даже в этих решениях обязательно присутствуют алюминиевые конструкции. Для массового использования композитов необходимо решить еще ряд важных задач, начиная от формирования окончательных подходов к проектированию и заканчивая вопросами повышения молниестойкости, поэтому мы будем еще долго летать на самолетах с алюминиевыми деталями», – поясняет Дмитрий Рябов.
Что касается титана, то его сравнение с алюминием некорректно. «Вес титана на две трети больше алюминия. Титан – переходной металл, характерной особенностью которого является его высокая прочность и высокая температура плавления. И он гораздо дороже», – комментирует Святослав Пантелеев, эксперт сектора «Авиация и космос» Алюминиевой Ассоциации.
Основа для планера
Главные системы легирования авиационных материалов определились давно и их можно разделить на две группы: дюрали – сплавы на основе системы Al-CuMg и высокопрочные сплавы на основе системы Al-Zn-Mg-Cu. Первые способны сопротивляться разрушению в условиях знакопеременных нагрузок с нанесенным концентратором. Вторые обладают значительной прочностью (может превышать 600 МПа) и высокими показателями вязкости разрушения. В совокупности данные материалы являются основной для планера самолета, из них состоят внешние и внутренние элементы фюзеляжа и крыла.
Обе группы сплавов используются в самолетах уже десятки лет. С развитием металловедения алюминия их составы оптимизировали, материалы стали чище по железу и кремнию – основным примесям. Создавались и специальные режимы термомеханической обработки, чтобы они демонстрировали свои лучшие служебные характеристики.
Есть материалы «попроще» – магналии (сплавы Al-Mg) и авиали (сплавы Al-Mg-Si). Но их применение ограничено неответственными деталями и элементами интерьера.
Как это сделано
Технологии обработки алюминия для производства авиационных компонентов включают в себя литье, штамповку, механическую обработку, сварку, пайку, волочение и резанье. В основном самолет изготавливают с применением листов, которые используются в обшивке плит и прессованных профилей для силового набора и различных вафельных панелей, а также поковок и штамповок.
Безусловно, есть специфика. Например, к обшивочным листам предъявляются особые требования по чистоте отделки и качеству проката: чем меньше на поверхности дефектов, тем лучше аэродинамика самолета. Для авиационной продукции есть отдельные отраслевые стандарты и технические условия. Так, в отношении некоторых полуфабрикатов обязательно определение вязкости разрушения, характеристик удельной электропроводности и даже размера зерна. Все это чтобы обеспечить безаварийную эксплуатацию воздушных судов.
В двигателестроении уже успешно применяются напечатанные на 3D-принтере металлические изделия. Это открывает дорогу использованию в самолетах алюминиевых напечатанных деталей. Аддитивные технологии дают возможность применять необычные алюминиевые материалы, которые невозможно получить традиционными технологиями обработки.
«В ИЛМиТ создана целая линейка порошков, которые после печати демонстрируют внушительные прочностные характеристики, ранее недоступные при печати стандартным сплавом типа AlSi10Mg. Это не только высокая прочность, но и повышенные рабочие температуры. Печать в совокупности с новыми материалами и особыми технологиями проектирования под 3D-принтеры позволят сделать конструкцию самолетов еще более совершенной», – отмечает Дмитрий Рябов.
Помимо традиционных сплавов в ИЛМиТ также разработаны легированные скандием материалы для 3D-печати, которые после печати и отжига демонстрируют прочность на уровне высокопрочных аналогов, что пока недостижимо для литейных сплавов.
Рейс на завтра
Создание и внедрение новых материалов позволит расширить использование алюминия в авиапроме. Исследователи и разработчики делают новые открытия в области сплавов, технологий деформации и термической обработки.
Здесь стоит упомянуть алюминий-литиевые сплавы. Хотя положительное влияние лития на алюминий было открыто давно, по сей день регистрируются новые составы материалов. Такие материалы обладают высокой прочностью, не уступающей лучшим высокопрочным сплавам Al-Zn-Mg-Cu, но при этом имеют пониженную (на 5-10%) плотность и повышенный модуль упругости, который влияет на жесткость конструкций.
Если заменить все листы в обшивке лайнера на листы из алюминий-литиевых сплавов той же толщины, вес обшивки снизится на 7%. Главный недостаток подобных конструкций – цена, но алюминий-литиевые сплавы все же нашли применение в современных авиалайнерах.
Перспективны и скандийсодержащие сплавы системы Al-Mg-Sc. Они не могут похвастаться характеристиками прочности на уровне алюминий-литиевых сплавов, но по прочности сопоставимы с дюралями. Им не нужна упрочняющая термическая обработка, и они обладают высочайшей коррозионной стойкостью. Но самое главное – они свариваемые, что позволяет отказаться от клепаных конструкций в пользу сварных.
Как показал опыт авиастроителей из Airbus, использование данных материалов вместе с лазерной сваркой дает возможность снизить вес обшивочных панелей на 15% без потери эксплуатационных характеристик.
Разработаны сплавы с пониженным содержанием скандия – это обеспечит полуфабрикатам конкурентную цену. В будущем скандий в алюминии перестанет быть эксклюзивной добавкой и составит конкуренцию другим материалам.
Резюмируя, можно утверждать, что алюминий обладает большим потенциалом для исследования, чтобы не просто гордо носить звание «крылатого» металла, но и продолжать служить человеку искусственными крыльями, позволяющими за считанные часы оказаться на другом континенте.
Пресс-служба Алюминиевой Ассоциации