Алюминий для самолетов

Алюминиевый лист

Листовой алюминий остается основным материалом в современном самолетостроении. Обычно листы из алюминиевых сплавов применяются для изготовления фюзеляжа самолета, причем как для внутреннего каркаса, так и для внешней оболочки. Отдельные детали соединяются друг с другом заклепками и другими типами крепежа.

Листовой алюминий широко применяется во многих типах самолетов – от авиалайнеров до одномоторных аэропланов. Листовой алюминий получают путем раскатывания металла в плоские листы различной толщины от тонкого листа до толстого листа (плит). В самолетах применяют листовой алюминий толщиной от 3,3 до 0,25 мм (от 8 до 30 gauges, как говорят американцы).

Ниже представлены выдержки из американского руководства для гражданских техников по ремонту самолетов, где наряду с другими материалами, основное место занимают алюминиевые сплавы [1].

Алюминий и алюминиевые сплавы

Листы из различных алюминиевых сплавов – это то, с чем чаще всего сталкиваются при ремонте самолетов. Известно, что алюминий в чистом виде – это легкий, блестящий, коррозионностойкий, пластичный. Однако уровень прочности чистого алюминия довольно низкий.

Если алюминий получает небольшие добавки (доли и единицы процента) таких элементов, как медь, марганец и магний, то получаются алюминиевые сплавы, которые применяются в самолетостроении.

Алюминиевые сплавы такие же легкие, как и чистый алюминий, но значительно прочнее его. Они не обладают такой коррозионной стойкостью как у чистого алюминия и обычно требуют дополнительно коррозионной защиты. Одним из способов коррозионной защиты алюминиевых сплавов является плакирование их поверхности тонким слоем алюминия. Этот слой получают при совместной прокатке алюминия и алюминиевого сплава. Он защищает основной  алюминиевый сплав от коррозии.

Строительство и ремонт самолетов

Листы из алюминия марки 1100 применяют в тех случаях, когда главным фактором является не прочность, а экономия веса и высокая стойкость коррозии. Листы из этой марки алюминия применяются для изготовления и ремонта топливных баков, обтекателей и масляных баков. Алюминий 1100 также применяется для ремонта законцовок крыльев. Очень хорошо поддается сварке.

Алюминиевый сплав 3003

Этот сплав аналогичен по применению алюминию 1100. Он содержит от 1,0 до 1,5 % марганца и поэтому прочнее и тверже, чем алюминий 1100.

Алюминиевый сплав 2014

Поковки, листы и профили из сплава 2014 применяют для изготовления деталей, которые подвергаются высоким нагрузкам, таким как колеса и основные несущие конструкции. Этот сплав часто применяют там, где требуется высокая прочность и твердость, а также для работы при повышенных температурах.

Алюминиевый сплав 2017

Этот сплав применяется для изготовления заклепок. В настоящее время имеет ограниченное применение.

Алюминиевый сплав 2024

Листы из сплава 2024 – с плакировкой из чистого алюминия или без нее – применяют для изготовления элементов каркаса самолета, заклепок, крепежных изделий и многих других деталей. Кроме того, этот сплав применяют для термически упрочненных деталей, оболочки фюзеляжа и прессованных профилей.

Алюминиевый сплав 2025

Этот сплав применяют для изготовления лопастей пропеллеров.

Алюминиевый сплав 2219

Алюминиевый лист из сплава 2219 применяют для изготовления и ремонта топливных баков, оболочки фюзеляжа и несущих элементов конструкции самолета. Этот сплав имеет высокую вязкость разрушения и хорошо сваривается. Сплав 2219 обладает также высокой стойкостью к коррозии под напряжением.

Алюминиевый сплав 5052

Сплав 5052 применяют там, где требуется хорошая пластичность металла, высокая коррозионная стойкость, высокая усталостная прочность, хорошая свариваемость и средняя статическая прочность. Этот сплав используют для изготовления топливных, гидравлических и масляных трубопроводов.

Алюминиевый сплав 5056

Сплав 5056 применяют для изготовления заклепок и оболочек кабелей, а также в тех случаях, когда алюминий входит в контакт с магниевыми сплавами. Сплав 5056 обычно является стойким к большинству видов коррозии.

Литейные алюминиевые сплавы

Литейные алюминиевые сплавы используют для изготовления блоков цилиндров, картеров, топливных насосов и колес шасси.

Упрочнение алюминиевых сплавов

Различные алюминиевые сплавы, включая 3003, 5052 и 1100, упрочняются только в результате холодной пластической деформации, а не термической обработки.

Другие сплавы, такие как 2017 и 2024, упрочняются в результате термической обработки, холодной деформации или комбинации их обеих. Большинство литейных сплавов также упрочняются термической обработкой.

Алюминиевый сплав 6061

Сплав 6061 обычно хорошо сваривается всеми промышленными способами и методами сварки. Он также обладает достаточно высокой вязкостью при криогенных температурах. Сплав 6061 довольно хорошо прессуется и обычно применяется для изготовления гидравлических и пневматических трубопроводов.

Алюминиевый сплав 7075

Этот сплав имеет более высокую прочность, чем сплав 2024, но более низкую вязкость разрушения. Обычно он применяется, когда требуется высокая прочность на растяжение, а усталостная прочность не является критической. В состоянии Т6 сплав 7075 не применяют в условиях с высоким коррозионным воздействием. Однако в состоянии Т7351 (вариант перестаренного состояния) сплав 7075   обладает более высокой стойкостью к коррозии под напряжением и вязкостью разрушения, чем в состоянии Т6. Состояние Т76 (вариант перестаренного состояния) часто применяют для повышения стойкости сплава 7075 к подповерхностной коррозии.

Алюминевые сплавы для магистральных самолетов

Конструкционные материалы самолета, используемые в основных компонентах, таких как фюзеляж, крылья, шасси и хвостовое оперение, подвергаются воздействию различных нагрузок/сил. Например, фюзеляж самолета подвергается воздействию различных сил, включая сжатие, растяжение, изгиб, кручение и повышение давления, поскольку он несет всю полезную нагрузку. В качестве другого примера, верхняя поверхность крыла самолета подвергается сжатию а нижняя поверхность к растяжению во время полета.

На рисунке 1 показано, что алюминиевые сплавы 2024 и 7075 используются в обшивке верхней части крыла и стрингерах, поскольку они обладают хорошим сочетанием следующих свойств: предел текучести при сжатии, модуль упругости, усталостная прочность, вязкость разрушения, рост усталостных трещин и коррозия. Наиболее часто используемые авиационные конструкционные материалы — высокопрочные алюминиевые сплавы, сплавы титана и полимерные композиты, армированные углеродным волокном.

Fig. 1 – Materials selection for structural members of a typical passenger aircraft [2]

Источники:

1. https://www.faa.gov 
2. Encyclopedia of Aluminum and Its Alloys / Eds. G. Totten, M. Tiryakioğlu, O. Kessler – 2019