Диссертация (Исследование влияния деформации, термической обработки и сварки на фазовый состав, текстуру и анизотропию механических свойств материалов авиационной техники из алюминий-литиевых сплавов 1441, 1461 и 1469), страница 2

Сплав 2020 был использован на самолетах ВМС США ипрослужил более 20 лет без каких-либо документированных сбоев [9].Алюминиевые литиевые сплавы привлекательны для аэрокосмическихприменений, поскольку они имеют меньшую плотность и более высокиймодульупругостипосравнениюстрадиционнамиалюминиевымиаэрокосмическими сплавами. Каждый весовой процент лития снижаетплотность алюминия примерно на 3% и увеличивает модуль примерно на 6%[10]. Однако недостаточная пластичность 2020 сплава и проблемы с егопроизводством препятствовали дальнейшему использованию, и он был снят скоммерческого производства в 1960-х годах.В СССР в 60-е годы академиком Фридляндером [11] разработан сплав01420, содержащий 2% Li, 5,5% Mg и 0,1% Zr, который на 10-12% легче 2024и был запатентован в 1967 г.

в ряде стран (Англия, Япония, Италия,Франция). Сплав показал высокую коррозионную стойкость, хорошуюсвариваемость, высокий модуль упругости и статическую прочность.Фридляндер (1992) также разработал модификацию 01420, содержащуюскандий, сплав 01421. Скандий обладает более сильным эффектом впредотвращении рекристаллизации, чем Zr, Cr и Mn. Он способствуетформированию тонкой субзеренной структуры в кованых полуфабрикатах иобеспечивает дополнительное упрочнение за счет образования стабильныхдисперсоидов Al3Sc.

Его максимальная растворимость в алюминии ватомных % превышает Zr примерно в 1,7 раза (0,5 против 0,089 ат.%) и имеетпримерноравнуюрастворимостьпомассе(0,25против0,28 мас.%) [12]. Сплав 01420 является самым легким алюминиевым сплавом.9В 1970 году сплав использовался на самолетах с вертикальным взлетом, атакже для резервуаров с жидким кислородом диаметром 4,5 м.Современная программа разработки сплавов Al-Li, началась в конце1970-х годов и была одной из крупнейших в истории разработкиалюминиевых сплавов. Были проведены исследования для оценки того, какиеулучшениясвойствоказываютнаибольшеевлияниенавесовуюэффективность. Эти исследования показали, что снижение плотности даетнаибольший эффект в снижение веса, по сравнению с повышениемхарактеристик прочности и жесткости, а тем более характеристик вязкостиразрушения материала [13] (рис. 1.1).

В этой связи литий, как самый легкийметалл, оказался наиболее перспективным для снижения плотностиалюминия и соответственно снижения весовых характеристик. Алюминиевыепроизводители также заинтересованы в разработке сплавов с низкойплотностьюиз-законкуренциинеметаллическихкомпозитов.Хотянеметаллические композиты c борным и углеродным волокна обладаютзначительным преимуществом по плотности по сравнению со всеми другимиконструкционными материалами, используемыми в авиации, улучшениесвойств алюминиевых сплавов представляется целесообразным из-за ихотносительно низкой стоимости и накопленного опыта проектирования ипроизводства изделий из этих материалов.10Рисунок 1.1 Снижение веса летательных аппаратов для различных вариантах повышениясвойств [13].В табл.1.1.

показаны сплавы системы Al-Li второго поколения, которыесоздавались для того, чтобы заменить сплавы 7075-T6 и 2024-T3, широкоиспользуемые в авиационной технике. Эти сплавы содержали 2 и более % Li,около 2 и более % Cu, а также Mg и Zr для контроля размера зерна. Составыи значения плотности этих сплавов также приведены в табл.1.1Таблица 1.1. Составы сплавов Al-Li 2-го поколения (Масс.%)ПлотностьСплавLiCuMg20901,9-2,62,4-3,00,250,100,120,08-0,152,6020911,7-2,31,8-2,51,1-1,90,20,300,04-0,102,5880902,1-2,71,0-1,60,6-1,30,20,300,04-0,162,5380912,4-2,81,8-2,20,5-1,20,30,50,08-0,162,5480922,1-2,70,5-0,80,9-1,40,10,150,08-0,152,5391922,3-2,90,4-0,70,9-1,40,10150,08-0,152,51г/см311Хотя разработки Al-Li сплавов начались в 70-е годы только с 1990-хгодов созрело фундаментальное понимание этих сплавов, что позволилоразработать семейство сплавов с отличным сочетанием инженерных свойств- сплавов Al-Li 3-го поколения.

К числу разработок, которые сделали этисплавы серьезными претендентами на многие аэрокосмические применения,относятся:(1)технологии производства массивных слитков и литья различныхсплавов Al-Li с оптимальными составами; (2(2)усовершенствованнаяобработкадавлениемнаосновемоделирования технологических процессов;(3)режимыобеспечивающиетермическойширокийитермомеханическойдиапазонмикроструктуриобработкикомплексмеханических свойств (прочность, вязкость разрушения, сопротивлениеусталостному разрушению и росту трещины)(4)производственныетехнологиииспособыобработки,включающие новые методы сварки и сверхпластичную формовку (SPF).Разработки сплавов Al-Li третьего поколения позволили получитьвыигрыш в плотности на 2- 8% по отношению к традиционнымалюминиевым сплавам AA 2XXX Al-Cu и 7XXX Al-Zn-Mg-(Cu), чтообеспечивает существенную экономию веса, которая дополняется эффектомот более высокой удельной жесткости и прочности и использованию болееэффективных технологий, включая сварку лазерным лучом (LBW), сваркутрением с перемешиванием (FSW) и SPF.Алюминиевые сплавы третьего поколения находятся в жесткойконкуренции с традиционными алюминиевыми сплавами, композитами наоснове углеродного волокна и металловолоконнамии ламинатами (FML) вовсех аэрокосмических областях применения, особенно в транспортныхвоздушных средствах.

Этот конкуренция включает в себя множество другихфакторов, помимо экономии веса12Некоторые из ранних сплавов Al-Li третьего поколения ужеиспользовались в аэрокосмических структурах, включая гражданские ивоенные самолеты и космические аппараты (ракеты-носители). Примерамиэтого являются сплавы AA 2297 и AA 2397, которые использовались вLockheed Martin F-16, а также для суперлегкого внешнего бака космическогочелнока [14].Как уже было показано (рис.1.1) для повышения эффективностиаэрокосмических объектов помимо инженерных свойств очень важнаплотность материала (ρ).

Это видно из количественной оценки весовойэффективности, потенциально достижимой в результате улучшения свойств[13]. Снижение плотности - самый эффективный способ экономии веса.Далее следуют увеличения прочности и жесткости, которые сочетаются суменьшенной плотностью, чтобы улучшить удельные показатели прочностиижесткости.Наконец,улучшениявсвойствахустойчивостикповреждаемости (DT), имеют наименьший потенциал для экономии веса.Более низкая плотность была одной из основных причин дляразработки сплавов Al Li второго поколения. Цель заключалась в том, чтобыполучить сплавы на 8-10% легче (и более жесткие), чем эквивалентныетрадиционные алюминиевые сплавы, путем добавления примерно 2 мас.%лития. Эта цель была достигнута, но впоследствии было установлено, чтосодержание лития в 2 мас.% или более сопряжено с рядом недостатков, такихкак тенденция к формированию сильной анизотропии механических свойств,низкой пластичности и вязкости разрушения в коротком поперечномнаправлении, а также к снижению ударной вязкости вследствие термическойнестабильности [15, 16].Обнаруженное негативное влияние повышенного содержания лития насвойства стимулировало его снижение в сплавах третьего поколения исоответственно с более высокой плотностью, таблица 1.2.

Эти плотностиоказались всего на 2-8% меньше, чем в традиционных сплавах АА 2ХХХ(2,77-2,80 г/см3) и сплавов АА 7ХХХ (2,80-2,85 г/см3). Однако даже13преимущество в 2% по плотности, которое трансформируется в прямуюэкономию веса в 2% (рис.1.1), может оказаться существенным дляаэрокосмических конструкций, особенно ракет-носителей, спутников ивертолетов.Таблица 1.2 Показатели повышения удельной жесткости Al-Li сплавов 3-го поколения поотношению к традиционным алюминиевым сплавамУдельнаяГруппа сплавовПлотность,3г/смжесткостьСреднее улучшениеУд.сопр.смятиюдля Al-Li 3-гоГПа1/3/поколенияГПа/(г/см3)3(г/см )2XXX(Al-Mg)7XXX(Al-Zn-MgCu)3-е поколениеAl-Li сплавовУдельнаяУд.Уд.сопржесткостьсмятию2,77-2,8026.1-27.11.48-1.52+13%+8%2,80-2,8525.9-26.41.46-1.50+15%+9,5%2,63-2,7128.9-31.21.58-1.65жесткостьявляетсяоченьважнымпараметромприконструировании летательных средств.

Удельная жесткость E/ρ важна дляобшивки нижних крыльев, Рис.1.2, лонжеронов, ребер и каркаса, а удельноесопротивление выпучиванию, E1/3/ρ, важно для обшивки верхнего крыла ифюзеляжа.14Фюзеляж:Нижняя обшивка(сжатие): ПТС, Е, КСВерхняя обшивка(раст): ХТС, ПРСиденьяСтрингеры/каркас:ПТС, /Е,грузовыеХТС,ПР пути: TS, КСПоловые балки: Е, ПРСтрингеры/каркас:ПТС, Е, ХТС, ПРГоризонт.стабилизаторНижн. обшивка (сжатие):ПТС, Е,ХТСВерхн.обшивка(раст.):ХТС, ПРВерхнее крыло (сжатие)Обшивка/стрингеры: ПТС, Е, ХТСЛонжероны:ПТС, Е, КСНижнее крыло(раст.)Обшивка, лонжероны,стрингеры:ХТС,ПРРисунок 1.2 Требования к инженерным свойствам для основных конструктивныхэлементов в транспортном самолете: ПТС, предел текучести при сжатии; E, модульупругости; ПР, прочность на растяжение; ХТС, характеристики трещиностойкостиОбшивка/Лонжероны/Стрингеры:ХТС,ПР(усталость, рост усталостной трещины, вязкость разрушения);КС, коррозионнаястойкость [4]Удельныежесткостиалюминиевыхсплавовсинергетическиповышаются за счет добавления лития, которое уменьшает плотность иувеличивает модуль упругости.

Это показано в таблице 1.2 для сплавов Al-Liтретьего поколения. Значения в таблице были получены из плотностей имодулей упругости сжатия для различных сплавов и продуктов, включаясплавы Al-Li AA 2050, 2098, 2099, 2195, 2196, 2198, 2297 и 2397. Этиобуславливает более высокую экономию веса, 8-15%, чем дает только эффектснижения плотности (2-8%, табл.15.2).На рис.

1.3 сравниваются удельные жесткости сплавов Al-Li третьегопоколения с удельными жесткостями сплавов AA 2XXX и 7XXX, а также скомпозитами из углеродного волокна с высокой плотностью волокон(армированныеуглероднымволокномпластмассы,CFRP).Удельнаяжесткость алюминиевых сплавов составляет только 25% от величиныудельной жесткости однонаправленнымх композитов в направлении волокна.15(рисунок 1.3A).

Тем не менее, существует сильная зависимость жесткостиCFRP от количества волокон, ориентированных в направлении испытания.Это связано с высокой анизотропией волокнистых композитов, жесткостькоторых имеет очень низкую величину в направлении нормальном волокну.Рисунок 1.3. Сопоставление величин удельной жесткости (А) и удельного сопротивлениявыпучиванию (В) для сплавов Al-Li третьего поколения, традиционных алюминиевыхсплавов и волокнистых углепластиков (CFRP) с различной долей ориентированных внаправлении испытания волокон:,. Ec=упругий модуль сжатия, ρ = плотность [17].Видно, что алюминиевые сплавы не могут соответствовать оченьвысокой удельной жесткости CFRP, когда они имеют высокий проценториентированных волокон.

На практике компоненты CFRP собираются изслоев с различной ориентацией волокон. Кроме того, большинствоконструкций самолетов подвергаются многонаправленным нагрузкам ипоэтому предпочтительно иметь дело с изотропным материалом. Кстати, этоодин из основных факторов, почему сплавы Al-Li второго поколения былизаменены сплавами третьего поколении, которые характеризуются меньшейанизотропией свойств по сравнению со сплавами 2-го поколения.. Для16компонентов CFRP требование получения механической изотропии означает,что количество волокон, выровненных в основном направлении загрузки,будет ~ 25% [18], что является самым низким значением на рис.1.3. С другойстороны, если изотропность механических свойств не требуется, слои CFRPкомпонентамогутбыть«адаптированы»дляпреимущественноговыравнивания некоторых или большинства волокон в основном направлениинагрузки, что увеличивает конструкционную эффективность.Существует ряд современных структурных концепций, подходящихдля сплавов Al-Li, которые могут снизить потенциал преимущества CFRP [4].Это LBW (сварка лазерным лучом - СЛЛ), FSW (сварка трением сперемешиванием - СТП) и SPF (сверхпластическая формовка -СПФ):1.