Новые сверхлегкие сплавы

Сплавы системы Аl – Li имеют высокую удельную прочность с высоким удельным модулем упругости, поэтому они могут резко снизить вес и стоимость конструкций самолета. Кроме чрезвычайно токсичного бериллия, литий является единственным легирующим элементом, содержание которого в сплаве уменьшает плотность сплава и увеличивает модуль упругости. Каждый процент содержания лития в Аl – Li сплаве снижает его плотность на 3 % и повышает модуль упругости на 6 %. Добавка к алюминию лития, плотность которого в два раза меньше плотности воды, снижает плотность получаемого сплава до уровня, гораздо более низкого, чем уровень плотности современных авиационных сплавов. Плотность таких сплавов составляет 2,54…2,56 г/см³.

Впервые сплавы системы Аl – Cu– Li были разработаны более 25 лет назад у нас в стране (сплав ВАД23) и за рубежом (сплав 2020) с низким содержанием лития (1,1 %), имевшие по сравнению с высокопрочными алюминиевыми сплавами более высокую удельную прочность и жесткость.

В настоящее время разработаны новые сплавы этой системы. Сплав 1420 (содержит 0,1…2 % Li) – самый легкий алюминиевый сплав, его плотность 2,5 г/см³. Модуль упругости сплава – 76000 МПа в отличие от модуля упругости традиционных сплавов типа Д16, равного 72000 МПа. Широкое применение сплава 1420 вместо сплава Д16 в конструкциях снижает массу от 13 % до 20 %.

Сплав 1420 обладает удовлетворительной коррозионной стойкостью, сваривается всеми видами сварки. Прочность сварного соединения составляет по сравнению с прочностью основного материала 84 %. Повторная термическая обработка сплава после сварки дает 100 %-ную прочность. Сплав 1420 закаливают с 450 °С охлаждением в воде или на воздухе с последующим искусственным старением при 120 °С в течение 12 ч. Закалка с охлаждением на воздухе обеспечивает высокую коррозионную стойкость, закалка в воде – получение высоких характеристик пластичности.

Резюме. Традиционные алюминиевые сплавы являются основным материалом для конструкций планера самолетов. В последние годы разрабатываются новые сплавы, легированные скандием, которые характеризуются более высокой прочностью и технологичностью, благодаря формированию ультрамелкозернистой стабильной микроструктуры. Перспективными материалами для авиационной техники являются также разработанные в последние годы легкие алюминий-литиевые сплавы.

4. ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ

Ключевые слова: титан, деформируемые и литейные сплавы, α-стабилизаторы, β – стабилизаторы, α-, α+β, β-сплавы

Титан является важнейшим конструкционным материалом, который широко применяют в авиационной и космической технике, судостроении и других отраслях промышленности.

Титан является переходным металлом, плавится при температуре 1668 °С, имеет плотность 4,51 г/см³. При температуре 882,5 °С титан претерпевает полиморфное превращение: ниже 882,5 °С он имеет ГП решетку (α-Ti), выше 882,5 °С – ОЦК решетку (β-Ti), устойчивую до температуры плавления. Теплопроводность титана в 13 раз меньше теплопроводности алюминия и в 4 раза меньше, чем у железа. Поэтому титановые листы иногда используют в качестве противопожарных перегородок на самолетах.

Титановые сплавы обладают почти в два раза более низким, чем у стали, модулем упругости, что ограничивает их применение в конструкциях, требующих высокой жесткости. В конструкции самолета масса титановых сплавов составляет почти 30 %.

Чистый титан, содержащий не более 0,05...0,1 % примесей, обладает высокой пластичностью (δ = 50...60 %, ψ = 70...80 %) и низкой прочностью (σ_в = 20...250 МПа). Путем рационального легирования прочность титана повышают до σ_в = 1600 МПа, которая сохраняется почти до 350 °С.

Титан и его сплавы имеют исключительно высокую коррозионную стойкость, в морской воде они ведут себя лучше, чем коррозионно-стойкие стали. Коррозионная стойкость титана высока в тех средах, которые не разрушают его оксидную защитную пленку – в азотной, разбавленной серной и уксусной кислотах, в сероводороде, царской водке и во многих других агрессивных средах. Коррозионная стойкость титана может быть повышена легированием рением, танталом, ниобием, молибденом и цирконием.

Титан и его сплавы имеют следующие недостатки.

1. Титан склонен к коррозии под напряжением в присутствии хлорида натрия при 215...550 °С.

2. При температурах выше 400 °С титан активно поглощает азот, кислород, водород. Увеличение содержания этих газов, а также углерода приводит к охрупчиванию титана. Повышение концентрации содержания примесей до 0,4 % в техническом титане сопровождается увеличением прочности до σ_в = 550 ΜПа и снижением относительного удлинения до δ = 25 %. Примеси внедрения (Ν, О, С) снижают технологическую пластичность и свариваемость, повышают чувствительность сплавов к концентраторам напряжений, к хладноломкости, ухудшают их термическую стабильность, которая имеет важное значение для жаропрочных сплавов. Кроме того, примеси внедрения снижают термическую стабильность сплавов путем ускорения процессов распада метастабильных структур твердых α- и β-растворов при повышенных температурах.

3. Титан обладает низкими антифрикционными свойствами и высоким коэффициентом трения.

4. Титановые сплавы менее технологичны, чем алюминиевые и стали, их труднее отливать, сваривать, обрабатывать резанием.