Авиационный алюминий что это такое

Авиационный алюминий: характеристики

Благодаря легкости, пластичности и стойкости к коррозии алюминий стал незаменимым материалом во многих производствах. Авиационный алюминий – группа сплавов, отличающихся повышенной прочностью с включением магния, кремния, меди и марганца. Дополнительную прочность сплаву придают при помощи т. н. «эффекта старения» — особого метода закалки под воздействием в течение длительного времени агрессивной атмосферной среды. Сплав был изобретен в начале 20 века, получив название дюралюминий, сейчас известен также под названием «авиаль».

Определение. Исторический экскурс

Началом истории авиационных алюминиевых сплавов считается 1909 год. Немецкий инженер-металлург Альфред Вильм опытным путем установил, если сплав алюминия с незначительным добавлением меди, марганца и магния после закалки при температуре 500 °C и резкого охлаждения выдержать при температуре 20-25 градусов в течение 4-5 суток, он поэтапно становится тверже и прочнее, не теряя при этом пластичности. Процедура получила название «старение» или «возмужание». В процессе такой закалки атомы меди заполняют множество мельчайших зон на границах зерен. Диаметр атома меди меньше, чем у алюминия, потому появляется напряжение сжатия, вследствие чего повышается прочность материала.

Впервые сплав был освоен на немецких заводах Dürener Metallwerken и получил торговую марку Dural, откуда и произошло название «дуралюмин». Впоследствии, американские металловеды Р. Арчер и В. Джафрис усовершенствовали состав, изменив процентное соотношение, в основном магния. Новый сплав получил название 2024, который в различных модификациях широко применяется и сейчас, а все семейство сплавов — «Авиаль». Название «авиационный алюминий» этот сплав получил практически сразу после открытия, поскольку полностью заменил дерево и метал в конструкциях летательных аппаратов.

Основные виды и характеристики

Выделяют три основных группы:

  • Семейства алюминий-марганец (Al-Mn) и алюминий-магний (Al-Mg). Основная характеристика – высокая, едва уступающая чистому алюминию коррозийная стойкость. Такие сплавы хорошо поддаются пайке и сварке, но плохо режутся. Не упрочняются термической обработкой.
  • Коррозионно-стойкие сплавы системы алюминий-магний-кремний (Al-Mg-Si). Упрочняются термической обработкой, а именно закалкой при температуре 520 °C с последующим резким охлаждением воде и естественным старением около 10 суток. Отличительная характеристика материалов этой группы – высокая коррозионная стойкость при эксплуатации в обычных условиях и под напряжением.
  • Конструкционные сплавы алюминий-медь-магний (Al-Cu-Mg). Их основа – легированный медью, марганцем и магнием алюминий. Изменяя пропорции легирующих элементов, получают авиационный алюминий, характеристики которого могут отличаться.

Материалы последней группы обладают хорошими механическими свойствами, но при этом весьма подвержены коррозии, чем первое и второе семейство сплавов. Степень подверженности коррозии зависит от вида обработки поверхности, которую все равно необходимо защищать лакокрасочным покрытием или анодированием. Коррозионная стойкость частично увеличивается введением в состав сплава марганца.

Помимо трех основных видов сплавов различают также ковочные сплавы, жаропрочные, высокопрочные конструкционные и др. обладающие необходимыми для конкретной сферы применения свойствами.

Маркировка авиационных сплавов

В международных стандартах первая цифра маркировки авиационного алюминия обозначает основные легирующие элементы сплава:

  • 1000 – чистый алюминий.
  • 2000 – дюралюмины, сплавы легированные медью. В определенный период – самый распространенный аэрокосмический сплав. В связи с высокой чувствительностью к коррозийному растрескиванию все чаще заменяются сплавами серии 7000.
  • 3000 – легирующий элемент – марганец.
  • 4000 – легирующий элемент – кремний. Сплавы известны также как силумины.
  • 5000 – легирующий элемент – магний.
  • 6000 – самые пластичные сплавы. Легирующие элементы – магний и кремний. Могут подвергаться термозакалке для повышения прочности, но по этому параметру уступают сериям 2000 и 7000.
  • 7000 – термически закаленные сплавы, самый прочный авиационный алюминий. Основные легирующие элементы – цинк и магний.

Вторая цифра маркировки — порядковый номер модификации алюминиевого сплава после исходного – цифра «0». Две заключительные цифры – номер самого сплава, информация о его чистоте по примесям. В случае если сплав опытный, к маркировке добавляется пятый знак «Х».

На сегодняшний день, самые распространенные марки авиационного алюминия: 1100, 2014, 2017, 3003, 2024, 2219, 2025, 5052, 5056. Отличительными особенностями этих сплавов являются: легкость, пластичность, хорошая прочность, стойкость к трению, коррозии и высоким нагрузкам. В авиастроении наиболее широко используемые сплавы — авиационный алюминий 6061 и 7075.

Состав

Основными легирующими элементами авиационного алюминия являются: медь, магний, кремний, марганец, цинк. Процентное содержание этих элементов по массе в сплаве определяют такие характеристики, как прочность, гибкость, стойкость к механическим воздействиям и др. Основа сплава – алюминий, основные легирующие элементы: медь (2,2-5,2% массы), магний (0,2-2,7%) и марганец (0,2-1%).

Семейство авиационных сплавов алюминия с кремнием (4-13% массы) с незначительным содержанием других легирующих элементов – медь, марганец, магний, цинк, титан, бериллий. Используется для изготовления сложных деталей, известный также как силумин или литейный алюминиевый сплав. Семейство сплавов алюминий-магний (1-13% массы) с другими элементами обладают высокой пластичностью и коррозионной стойкостью.

Читайте также:  Алюминий для моторных лодок

Роль меди в составе авиационного алюминия

Присутствие меди в составе авиационного сплава способствует его упрочнению, но в то же время плохо влияет на его коррозионную стойкость. Выпадая по границам зерен, в процессе закалки, медь делает сплав подверженным точечной коррозии, коррозии под напряжением и межзеренной коррозии. Зоны богатые медью более гальванически катодные, чем алюминиевая матрица вокруг, а потому более уязвимы для коррозии, происходящей по гальваническому механизму. Увеличение содержания меди в массе сплава до 12% повышает прочностные свойства за счет дисперсного упрочнения в процессе старения. При содержании меди в составе свыше 12% сплав делается хрупким.

Сферы применения

Алюминиевые сплавы являются наиболее востребованным металлом по продаже. Легкий вес авиационного алюминия, прочность делают этот сплав хорошим выбором для многих производств от самолетов до предметов быта (мобильные телефоны, наушники, фонарики). Алюминиевые сплавы применяются в судостроении, автомобилестроении, строительстве, производстве ж/д транспорта, в атомной промышленности.

Широко востребованы сплавы с умеренным содержанием меди (2014, 2024 др.). Профили из этих сплавов имеют высокую коррозийную стойкость, хорошую обрабатываемость, точечную свариваемость. Из них изготавливают ответственные конструкции самолетов, большегрузных автомобилей, военной техники.

Особенности соединения авиационного алюминия

Сварка авиационных сплавов осуществляется исключительно в защитной среде инертных газов. Преимущественными газами являются: гелий, аргон или их смесь. Более высокой теплопроводностью обладает гелий. Это определяет более благоприятные температурные показатели сварочной среды, что позволяет достаточно комфортно соединять толстостенные элементы конструкций. Использование смеси защитных газов способствует более полному газоотводу. При этом вероятность образования пор в сварном шве значительно уменьшается.

Применение в авиастроении

Авиационные алюминиевые сплавы изначально специально создавались для строительства авиационной техники. Из них изготавливают корпуса летательных аппаратов, детали двигателей, шасси, топливные баки, крепежные устройства и др. Детали из авиационного алюминия используются в интерьере салона.

Алюминиевые сплавы серии 2ххх используют для производства деталей, подвергающихся воздействию высоких температур. Детали малонагруженных узлов, топливных, гидро- и маслосистем изготавливают из сплавов 3ххх, 5ххх и 6ххх. Наиболее широкое применение в авиастроении получил сплав 7075. Из него изготавливаются элементы для работы при значительной нагрузке, низких температурах с высокой стойкостью к коррозии. Основой сплава является алюминий, а основными легирующими элементами: магний, цинк и медь. Из него изготавливают силовые профили конструкций самолетов, элементы обшивки.

Источник

Основные свойства и применение авиационного алюминия

Авиационный алюминий появился в начале 20 века. Его первыми производителем стал промышленный комплекс Германии. После этого металл стал набирать популярность, его научились производить в промышленных условиях. Единственным недостатком производства стал лишь небольшой объем выплавляемой продукции. Добиться большей плотности алюминия пытались многие ученые в самых разных странах. Выделился среди них физик из Германии Альфред Вильгельм. Перебирая во время опытом массу разнообразных элементов для присадки к алюминию в целях укрепления его прочности, неожиданно Альфред открыл «эффект старения» сплавов.

Данный «эффект старения» заключался в том, что металл становился намного прочнее, если воздействовать на него в течение длительного времени методом закалки. Новое открытие сразу же запатентовалось и внедрилось в производство. Так появился дюралюминиевый сплав, получивший широчайшее распространение в сфере авиации. Сплав состоял непосредственно из алюминия, к которому было добавлено 2,8% магния, 1,3% меди и 1% марганца.

Авиационный алюминий получил более краткое и популярное в кругах частого его использования название – авиаль. Авиаль относится к группе сплавов, принадлежащей системе алюминий-магний-кремний. Также в сплав включено небольшое количество других элементов. Открытие окончательной, усовершенствованной формы авиаля принадлежит ученым М. Гейлеру и Д. Хансону.

Состав авиационного алюминия

Позже авиационный алюминий стал обладателем еще одного названия – дюралюминий. К тому моменту его формула стала несколько отличаться. Здесь легирующими элементами выступили: медь, занимающая 4,5% от общей массы, магний (1,6%) и марганец (0,7%). Для данного сплава вывели типовое значения предела текучести, которое составляет 450 МПа. Но показатель может меняться зависимо от различия в составе и способа, применяемого для термообработки. Фирменным названием дюралюминия стал термин «дюраль». В русском языке этот термин употребляется не как фирменное название, а преимущественно в разговорном жанре или же в профессионально-жаргонном.

Авиационный алюминий марка — это понятие, представляющее собой определенную аббревиатуру, выражающую суть состава алюминиевого сплава. Алюминий типа «авиаль», в состав которого, как уже говорилось выше, входят магний и кремний, маркируются аббревиатурами АД, АМц, АЛ и АВ, если сплав с добавлением меди, тогда А8. Дюралюминиевые сплавы обозначаются Д, В. Авиационный алюминий, маркируемый аббревиатурой АВ отлично противостоит коррозийному воздействию, к тому же обладает повышенной пластичностью.

Читайте также:  По названиям веществ составьте формулы бинарных соединений фосфид алюминия

Сплавы АД также обладают повышенной коррозийной стойкостью, удовлетворительно свариваются, их можно обрабатывать с помощью резки. Резка осуществляется в состаренном или же закаленном состоянии. Кроме того, сплавы с аббревиатурой АД пригодны для использования во влажной среде, включая морскую воду. Интервал возможной эксплуатационной температуры составляет диапазон от –70 до +50 градусов Цельсия. Наиболее трудно поддаются пайке авиали с аббревиатурой АМц, а также сплавы АЛ2 (4), В95. Зато у этих сплавов более низкая температура плавления.

Свойства материала

Свойства авиационного алюминия обширны и разнообразны. На них оказывают немалое влияние другие металлические компоненты, которые входят в состав сплавов. Если авиаль содержит менее 0,3% железа, то на механические свойства сплава влияния оно не оказывает. Если же доля железа увеличивается до 0,5 – 0,7%, то свойства прочности и пластичности значительно снижаются. Но, вместе с тем, примесь из железа оберегает сплав от образования трещин при литье. Аналогичный эффект защиты от трещин вызывает добавка титана, только с ней пластичность и прочность увеличиваются.

Добавка цинка никак не влияет на общие свойства авиаля. Здесь следует отметить, что примесь цинка в сплаве совсем не значительна. Примесь меди, допустимая в размере до 0,1% от общей массы, также не влияет на свойства. Большее количество меди добавлять не рекомендуется, так как переизбыток этого материала может вызвать межкристаллитную коррозию. В целом, можно отметить, что основными свойствами авиационного алюминия являются высокая пластичность и неплохая антикоррозийная устойчивость.

Сферы применения

Применение авиационного алюминия, благодаря удачному сочетанию свойств, охватывает практически все отрасли техники. Сплавы АД33, АД31 и АВ широко используются в сфере строительства для изготовления самых разнообразнейших конструкций. Широко применяется авиаль, соответственно, в авиации. Из него изготовляются детали и конструкции для самолетов, лопасти вертолетов. Авиаль участвует даже в конструкциях оформления интерьера самолета.

Автомобильная промышленность использует авиационный алюминий для деталей кузовов и шасси автомобилей. В электротехнической сфере промышленности авиаль применяется в качестве материала для изготовления проводников – труб, профилей, шин. Не обошла вниманием такой материал и отрасль атомной промышленности. Здесь авиационный алюминий выступает в роли защитных оболочек твэл, которые располагаются в некоторых видах водоохлаждающих реакторов. Дополнительно стоит заметить, что дюралюминий достаточно часто применяется в криогенной технике, судостроительстве, при изготовлении железнодорожного транспорта и предметов бытового назначения.

Авиационный алюминий, цена которого достаточно высока, тем не менее, получил широкое распространение. Во многом этому обстоятельству благоприятствовал легкий вес металлического сплава, его пластичность и выведенные экспериментальным путем, показатели прочности. Авиационный алюминий обладает прекрасными механическими свойствами, он чрезвычайно устойчив к образованию коррозии, имеет высокие показатели усталостной прочности и ударной вязкости. Из авиаля легко получаются даже детали с достаточно сложной конструкцией, к примеру, лонжероны лопастей винтов вертолетов.

Источник

Авиационный алюминий: характеристики

Содержание статьи

  • Авиационный алюминий: характеристики
  • Чем отличаются алюминий, дюралюминий и пищевой алюминий
  • Какие марки алюминия существуют

История авиационного алюминия берет свое начало в 1909 году. Тогда немецкий инженер Альфред Вильм смог изобрести технологию, при которой алюминий приобретает повышенную твердость и прочность при сохранении своей пластичности. Для этого он добавил в базовый металл небольшое количество меди, магния и марганца и стал закалять полученное соединение при температуре 500 °C. Далее он подвергал алюминиевый сплав резкому охлаждению при температуре 20-25 °C в течение 4-5 суток. Именная данная поэтапная кристаллизация металла и получила название «старения». А научное обоснование этой методике основано на том, что размер атомов меди меньше алюминиевых аналогов. Из-за этого в молекулярных связях алюминиевых сплавов появляется дополнительное напряжение сжатия, которое обеспечивает повышенную прочность.

Марка Dural была присвоена на немецких заводах Dürener Metallwerken, откуда и произошло название «дуралюмин». Впоследствии американцы Р. Арчер и В. Джафрис усовершенствовали алюминиевый сплав за счет изменения в нем соотношения магния, назвав его модификацией 2024. А вся группа алюминиевых сплавов получила название «авиаль», что связано в первую очередь со сферой ее применения, которая ориентирована в первую очередь на изготовление летательных аппаратов.

Виды и характеристики авиационного алюминия

В авиационном алюминии имеется три группы сплавов.

Соединения «алюминий-марганец» (Al-Mn) и «алюминий-магний» (Al-Mg) отличаются высокой устойчивостью к коррозии, почти не уступающей по этому показателю чистому алюминию. Они прекрасно поддаются сварке и пайке, однако плохо режутся. А термическая обработка практически не может их сделать прочнее.

Соединения «алюминий-магний-кремний» (Al-Mg-Si) обладают повышенной коррозийной стойкостью (в обычных условиях эксплуатации и под напряжением) и улучшают свои прочностные характеристики за счет термической обработки. Причем закалка производится при температуре 520 °C. А эффект старения достигается за счет охлаждения в воде и кристаллизацией в течение 10 суток.

Соединения «алюминий-медь-магний» (Al-Cu-Mg) считаются конструкционными сплавами. За счет изменения легирующих алюминий элементов можно варьировать и характеристики самого авиационного алюминия.

Таким образом, первые две группы сплавов обладают повышенной стойкостью к коррозии, а третья отличается прекрасными механическими свойствами. Причем дополнительная защита от коррозии авиационного алюминия может осуществляться специальной обработкой поверхности (анодирование или лакокрасочное покрытие).

Читайте также:  Алюминий плюс водород что получится

Кроме вышеуказанных групп сплавов применяются также конструкционные, жаропрочные, ковочные и другие типы авиационного алюминия, которые максимально соответствуют сфере своего применения.

Маркировка и состав

Международная система стандартизации подразумевает специальную маркировку авиационного алюминия.

Первая цифра четырехзначного кода обозначает легирующие элементы сплава:

— 1 – чистый алюминий;

— 2 – медь (этот аэрокосмический сплав сегодня начинают заменять на чистый алюминий из-за его высокой чувствительности к растрескиванию);

— 4 – кремний (сплавы – силумины);

— 6 – магний и кремний (легирующие элементы обеспечивают самую высокую пластичность сплавов, а их термическая закалка повышает прочностные характеристики);

— 7 – цинк и магний (самый прочный сплав авиационного алюминия подвергается, температурной закалке).

Вторая цифра маркировки алюминиевого сплава обозначает порядковый номер модификации («0» — исходный номер).

Две последние цифры авиационного алюминия содержат информацию о номере сплава и его чистоте по примесям.

В случае, когда алюминиевый сплав еще находится в опытной разработке, к его маркировке добавляется пятый знак «X».

В настоящее время самыми популярными марками алюминиевых сплавов считаются следующие: 1100, 2014, 2017, 3003, 2024, 2219, 2025, 5052, 5056. Они характеризуются особенной легкостью, прочностью, пластичностью, устойчивостью к механическим воздействиям и коррозии. А авиастроительной сфере наибольшее распространение получили алюминиевые сплавы марок 6061 и 7075.

В состав авиационного алюминия в качестве легирующих элементов входят медь, магний, кремний, марганец и цинк. Именно процентный состав по массе данных химических элементов в сплаве определяет его гибкость, прочность, устойчивость к различным воздействиям.

Так, в авиационном алюминии основой сплава является алюминий, а в качестве главных легирующих элементов выступают медь (2,2-5,2%), магний (0,2-2,7%) и марганец (0,2-1%). Для изготовления наиболее сложных деталей применяется литейный алюминиевый сплав (силумин), в котором основным легирующим элементом является кремний (4-13%). Кроме него в химический состав силумина входят в небольших пропорциях медь, магний, марганец, цинк, титан и бериллий. А группа алюминиевых сплавов семейства «алюминий-магний» (Mg от 1% до 13% от общей массы) отличается особой пластичностью и устойчивостью к коррозии.

Особое значение для производства авиационного алюминия в качестве легирующего элемента имеет именно медь. Она придает сплаву повышенную прочность, однако снижает устойчивость к коррозии, так как выпадает по границам зерен в процессе термической закалки. Это непосредственно приводит к точечной и межзеренной коррозии, а также коррозии под напряжением. Зоны, обогащенные медью, отличаются улучшенными свойствами в качестве гальванически катодных, чем алюминиевая матрица вокруг, а потому они являются более уязвимыми для коррозии, происходящей по гальваническому механизму. Увеличение содержания меди в массе сплава до 12% повышает его прочностные характеристики за счет дисперсного упрочнения в процессе старения. А при содержании меди в соединении свыше 12% авиационный алюминий делается более хрупким.

Область применения

Авиационный алюминий является очень востребованным металлическим сплавом сегодня. Его высокие показатели продаж в первую очередь связаны с механическими характеристиками, среди которых определяющую роль играют легкость и прочность. Ведь данные параметры кроме авиастроения очень востребованы и в производстве предметов народного потребления, и в судостроении, и в атомной промышленности, и в автомобилестроении, и т.д. Например, особенным спросом пользуются сплавы марок 2014 и 2024, которые отличаются умеренным содержанием меди. Из них изготавливают наиболее ответственные элементы конструкции летательных аппаратов, военной техники и большегрузного транспорта.

Следует понимать, что авиационный алюминий обладает важными особенностями при соединении (сварке или пайке), которое осуществляется только в среде инертных газов, выполняющей защитную функцию. К таким газам относятся, как правило, гелий, аргон и их смеси. Так как гелий обладает самой высокой теплопроводностью, то именно он обеспечивает наиболее приемлемые показатели сварочной среды. Это очень важно при соединении элементов конструкции, которые состоят из массивных и толстостенных фрагментов. Ведь в данном случае следует обеспечить полный газоотвод и минимизировать вероятность образования пористой структуры сварного шва.

Применение в авиастроении

Так как авиационный алюминий изначально был создан для строительства авиационной техники, то и сфера его применения в первую очередь ориентирована на использование в изготовлении корпусов летательных аппаратов, шасси, топливных баков, деталей двигателей, крепежных элементов и других частей их конструкции.

Алюминиевые сплавы марки 2ХХХ применяются для изготовления деталей и частей конструкции авиационной техники, которые подвергаются воздействию внешней среды с высокими температурами. В свою очередь узлы гидравлических, масляных и топливных системы изготавливаются из сплавов марок 3ХХХ, 5ХХХ и 6ХХХ.

Особенно широкое применение в авиастроении получил сплав марки 7075, из которого изготавливаются элементы конструкции корпуса (обшивка и силовые профили) и узлов, находящиеся под воздействием высоких механических нагрузок, коррозии и низких температур. В данном алюминиевом сплаве в качестве легирующих металлов выступают медь, магний и цинк.

Источник

Adblock
detector