В наши дни авиалайнер – это, как говорят ученые и конструкторы, летающая таблица Менделеева. С тем, какие сплавы на основе алюминия находят применение в авиапроме, разбираемся вместе с экспертом Алюминиевой Ассоциации Дмитрием Рябовым.
КОРОЛИ АВИАЦИИ
Современный самолет – сложное техническое средство, поэтому количество материалов, из которых он состоит, исчисляется сотнями. Они включают в себя различные металлические сплавы, а также полимерные и функциональные материалы – герметики, краски и др. Что касается алюминиевых сплавов, то уже на протяжении более чем полувека «королями авиации» являются дюрали – сплавы алюминий-медь-магний и высокопрочные сплавы на основе системы алюминий-цинк-магний-медь. Дюралюминий Д16 и его последующие модификации Д16ч и 1163 применяются в фюзеляже и силовом наборе, особенно в местах, которые испытывают растягивающие нагрузки. Высокопрочный сплав В95 и его модификации В95пч и В95оч широко используются в планере в зонах, которые испытывают сжимающие нагрузки. Другие, более современные сплавы на основе тех же самых систем легирования, нашли применение в авиации, однако их можно встретить реже, чем их более легендарные аналоги. «В современной авиации применяются и алюминий-литиевые сплавы, которые сочетают пониженную плотность и повышенный модуль упругости, что делает их отличными кандидатами на звание «крылатого» металла будущего», – говорит Дмитрий Рябов.
В воздушных судах также широко используются магналии (сплавы алюминий-магний) и авиали (сплавы алюминий-магний-кремний). Из них изготавливают системы кондиционирования и элементы интерьера.
ДО ПОСЛЕДНЕЙ ЗАКЛЕПКИ
Требования к характеристикам алюминиевого сплава определяются функцией той детали, которую из него предполагается изготовить. Например, к материалам, применяемым в силовом наборе и обшивке, помимо прочности также предъявляются требования по усталости и вязкости разрушения. Такие характеристики определяют способность материала к сопротивлению циклическим нагрузкам и распространению трещин. Эти дополнительные требования датируются 1970-ми годами, когда возникла необходимость снижения веса воздушного судна.
Если раньше самолеты проектировали исходя из принципов прочности, то разработка новых требований и методов оценки служебных характеристик позволила проектировать самолеты на основе принципа наличия дефектов, размер которых не критичен для функционирования системы. Были созданы сплавы с повышенной вязкостью разрушения, отличающиеся особой чистотой по примеси железа. Так, на смену сплаву Д16 пришел Д16ч (где «ч» означает «чистый»), а следом наступила очередь сплава 1163.
В качестве примера тут можно привести такой небольшой, но ответственный элемент конструкции самолета, как заклепка: помимо обычной прочности она должна быть стойка к срезу, что позволяет гарантировать целостность и герметичность обшивки. Что касается «внутренностей» самолета (его систем), то в основном проектировщики используют мало- и средне прочные сплавы. Такие сплавы хорошо свариваются или штампуются и обладают высокой коррозионной стойкостью. Кстати, дюрали и высокопрочные сплавы с точки зрения коррозионной стойкости далеко не первые среди алюминиевых сплавов, однако системы покрытий, применяемые в авиации, надежно защищают их от негативного воздействия. Из материалов на основе алюминиевых сплавов изготавливаются крупные элементы, например, обшивка или силовой набор самолета (шпангоуты, стрингеры, лонжероны и пр.) и более мелкие – кронштейны, элементы центроплана, различные отливки, которые используются в корпусах различных устройств и в качестве самостоятельных деталей. Алюминий широко применяется в перегородках, деталях интерьера, а также системах жизнеобеспечения (вентиляция и кондиционирование). Этот металл идет на производство даже таких мелких элементов, как различные ручки и заклепки.
Современный самолет – сложное техническое средство, поэтому количество материалов, из которых он состоит, исчисляется сотнями. Они включают в себя различные металлические сплавы, а также полимерные и функциональные материалы – герметики, краски и др. Что касается алюминиевых сплавов, то уже на протяжении более чем полувека «королями авиации» являются дюрали – сплавы алюминий-медь-магний и высокопрочные сплавы на основе системы алюминий-цинк-магний-медь. Дюралюминий Д16 и его последующие модификации Д16ч и 1163 применяются в фюзеляже и силовом наборе, особенно в местах, которые испытывают растягивающие нагрузки. Высокопрочный сплав В95 и его модификации В95пч и В95оч широко используются в планере в зонах, которые испытывают сжимающие нагрузки. Другие, более современные сплавы на основе тех же самых систем легирования, нашли применение в авиации, однако их можно встретить реже, чем их более легендарные аналоги. «В современной авиации применяются и алюминий-литиевые сплавы, которые сочетают пониженную плотность и повышенный модуль упругости, что делает их отличными кандидатами на звание «крылатого» металла будущего», – говорит Дмитрий Рябов.
В воздушных судах также широко используются магналии (сплавы алюминий-магний) и авиали (сплавы алюминий-магний-кремний). Из них изготавливают системы кондиционирования и элементы интерьера.
ДО ПОСЛЕДНЕЙ ЗАКЛЕПКИ
Требования к характеристикам алюминиевого сплава определяются функцией той детали, которую из него предполагается изготовить. Например, к материалам, применяемым в силовом наборе и обшивке, помимо прочности также предъявляются требования по усталости и вязкости разрушения. Такие характеристики определяют способность материала к сопротивлению циклическим нагрузкам и распространению трещин. Эти дополнительные требования датируются 1970-ми годами, когда возникла необходимость снижения веса воздушного судна.
Если раньше самолеты проектировали исходя из принципов прочности, то разработка новых требований и методов оценки служебных характеристик позволила проектировать самолеты на основе принципа наличия дефектов, размер которых не критичен для функционирования системы. Были созданы сплавы с повышенной вязкостью разрушения, отличающиеся особой чистотой по примеси железа. Так, на смену сплаву Д16 пришел Д16ч (где «ч» означает «чистый»), а следом наступила очередь сплава 1163.
В качестве примера тут можно привести такой небольшой, но ответственный элемент конструкции самолета, как заклепка: помимо обычной прочности она должна быть стойка к срезу, что позволяет гарантировать целостность и герметичность обшивки. Что касается «внутренностей» самолета (его систем), то в основном проектировщики используют мало- и средне прочные сплавы. Такие сплавы хорошо свариваются или штампуются и обладают высокой коррозионной стойкостью. Кстати, дюрали и высокопрочные сплавы с точки зрения коррозионной стойкости далеко не первые среди алюминиевых сплавов, однако системы покрытий, применяемые в авиации, надежно защищают их от негативного воздействия. Из материалов на основе алюминиевых сплавов изготавливаются крупные элементы, например, обшивка или силовой набор самолета (шпангоуты, стрингеры, лонжероны и пр.) и более мелкие – кронштейны, элементы центроплана, различные отливки, которые используются в корпусах различных устройств и в качестве самостоятельных деталей. Алюминий широко применяется в перегородках, деталях интерьера, а также системах жизнеобеспечения (вентиляция и кондиционирование). Этот металл идет на производство даже таких мелких элементов, как различные ручки и заклепки.
Алюминиевый контейнер для багажа
3D-детали из алюминия для авиапрома
НАПЕЧАТАТЬ САМОЛЕТ
А можно ли изготовить лайнер целиком на 3D-принтере? Ведь за рубежом напечатанные детали из металлов уже летают, хотя их количество пока исчисляется единицами. Тем не менее, технология печати может найти свою нишу в авиации и в первую очередь это связано не столько с материалами, сколько с возможностью изготовления сложных топологически оптимизированных форм деталей, что позволяет сократить вес от 10 до 50%.
Если речь идет о технологии СЛС (селективное лазерное сплавление), то ее применение для печати авиационных деталей ограничивается зоной построения камеры: по факту это всего несколько десятков сантиметров по трем измерениям. Поэтому речь идет в основном про детали небольших размеров, например, кронштейны, элементы механизации и корпуса. Надо учитывать, что технология печати – процесс не дешевый. И если говорить не о печати прототипов – в этом случае напечатать единичное изделие можно дешевле, чем изготовить готовую деталь с учетом необходимой оснастки, – то технология будет иметь преимущества при небольшой серии, например, до 1000 деталей в год. И это при условии, что данную деталь было бы крайне трудно произвести и обработать традиционными методами.
Кроме того, сертификация и одобрение материалов для применения в авиации – процесс долгий, что связано с высокой ответственностью изделий, поэтому некоторые материалы только проходит этот путь. Например, два сплава для аддитивных технологий успешно выдержали испытания в объеме паспорта на авиационный материал. «Пока еще не настала эра полностью напечатанного самолета, но однозначно можно сказать, что эти технологии найдут свою нишу и будут конкурировать с традиционным производством. Именно поэтому в ИЛМиТе активно разрабатываются материалы для печати, причем не только порошки, обладающие повышенной прочностью и повышенной жаропрочностью, но и специальные проволоки для технологий проволочной печати», – резюмирует Дмитрий Рябов.
А можно ли изготовить лайнер целиком на 3D-принтере? Ведь за рубежом напечатанные детали из металлов уже летают, хотя их количество пока исчисляется единицами. Тем не менее, технология печати может найти свою нишу в авиации и в первую очередь это связано не столько с материалами, сколько с возможностью изготовления сложных топологически оптимизированных форм деталей, что позволяет сократить вес от 10 до 50%.
Если речь идет о технологии СЛС (селективное лазерное сплавление), то ее применение для печати авиационных деталей ограничивается зоной построения камеры: по факту это всего несколько десятков сантиметров по трем измерениям. Поэтому речь идет в основном про детали небольших размеров, например, кронштейны, элементы механизации и корпуса. Надо учитывать, что технология печати – процесс не дешевый. И если говорить не о печати прототипов – в этом случае напечатать единичное изделие можно дешевле, чем изготовить готовую деталь с учетом необходимой оснастки, – то технология будет иметь преимущества при небольшой серии, например, до 1000 деталей в год. И это при условии, что данную деталь было бы крайне трудно произвести и обработать традиционными методами.
Кроме того, сертификация и одобрение материалов для применения в авиации – процесс долгий, что связано с высокой ответственностью изделий, поэтому некоторые материалы только проходит этот путь. Например, два сплава для аддитивных технологий успешно выдержали испытания в объеме паспорта на авиационный материал. «Пока еще не настала эра полностью напечатанного самолета, но однозначно можно сказать, что эти технологии найдут свою нишу и будут конкурировать с традиционным производством. Именно поэтому в ИЛМиТе активно разрабатываются материалы для печати, причем не только порошки, обладающие повышенной прочностью и повышенной жаропрочностью, но и специальные проволоки для технологий проволочной печати», – резюмирует Дмитрий Рябов.
Мобильная вертолетная площадка
Разгрузка вертолета Ми-26 на площадке
Материал подготовлен Алюминиевой Ассоциацией