Al-Li сплавы и повышение летно-технических характеристик самолета

      Первый  промышленный алюминиево-литиевый сплав (его марка 1420) был создан на основе системы алюминий - магний с добавлением 2% лития. Его использовали в КБ А. С. Яковлева при строительстве самолетов  вертикального взлета для палубной авиации - именно для таких конструкций  экономия веса имеет особое значение. Более того, оказалось, что детали из этого сплава обладают повышенной коррозионной стойкостью, хотя алюминиево-магниевые  сплавы и сами по себе мало подвержены коррозии. Сплав 1420 можно сваривать. Это его свойство использовали при  создании самолета МиГ-29М. Планер самолёта  состоит на 26% из КМ, включая углепластиковые поверхности хвостового оперения, закрылки, носки и наплывы крыла. Остальная конструкция в основном выполнена из алюминиево-литиевого сплава.

      Выигрыш в весе при строительстве первых опытных образцов самолета за счет пониженной плотности сплава и исключения большого количества болтовых и клепочных  соединений достигал 24%.

      В настоящее время модификацией этого  сплава - сплавом 1424 - весьма заинтересовались специалисты консорциума Airbus Industrie. Из сплава откатали широкие листы длиной 8 м, из которых изготовили полноразмерные элементы конструкции фюзеляжа. Ребра жесткости из того же материала приварили лазерной сваркой, а элементы соединили между собой сваркой трением, после чего отправили на ресурсные испытания. Несмотря на то что некоторым деталям намеренно нанесли повреждения (для оценки работоспособности в экстремальной ситуации), после 70 тысяч циклов нагрузки конструкция полностью сохранила эксплуатационные свойства. Еще один сплав с литием, созданный в ВИАМе, - 1441. Его главная особенность в том, что из него можно делать листы рулонной прокатки толщиной 0,3 мм с сохранением высоких прочностных качеств. Конструкторское бюро имени Бериева использовало сплав для изготовления обшивки своего гидросамолета Бе-103. Эту небольшую машину, толщина обшивки которой 0,5-0,7 мм, выпускает завод в Комсомольске-на-Амуре. Ее вес на 10% меньше, чем аналогичных моделей из традиционных материалов. Сплавы системы Al-Cu-Li перспективны для работы при отрицательных температурах. По результатам исследований свойств сплава 01460 в сравнении со сплавом 1201 на образцах при отрицательных температурах(4,2 К- испытания в гелии, 20 К- испытания в жидком водороде и 77К - испытания в жидком азоте) построены кривые усталости образцов при различных значениях температуры испытаний (рис. 1.1) Испытания также позволили выявить зависимость скорости роста трещин усталости от  температуры. В настоящее время широко распространены конструкции из алюминиевых сплавов с литьем с большим применением контактной точечной сварки. В первую очередь, это фюзеляжи самолетов и вертолетов (Ан-72, Ан-124, Ан-225, Ми-12, Ми-26 и др.). Число сварных точек в одном самолете достигает  1 200 000 шт. Как правило, применяется сочетание сплавов Д16Т( лист) + 1420( стрингер). Резкое различие в теплофизических         свойствах

 свариваемых сплавов приводит к  тому, что литое ядро в основном располагается со стороны сплава с литием. Незначительные изменения  условий сварки приводят к непроварам. Одна из причин изменения условий  сварки связана с тем, что стрингер из сплава 1420 закаливается на воздухе  большими садками. Незначительные изменения  условий охлаждения от партии к партии или в пределах одной партии приводят к изменению твердости и электропроводности и соответственно вызывают изменение  количества выделяемого тепла и его распределения по свариваемому пакету. Поэтому, как правило, требуется применение специальных способов сварки ( электроды с обжатием периферийной зоны или сверх жесткие режимы сварки).  Однако сварные конструкции системы  Al-Cu-Li имеют преимущества перед конструкциями из стандартных свариваемых алюминиевых сплавов без лития при температурах эксплуатации -196 °C  и особенно - 253°C .

      Производственный  опыт и исследования показали, что  для гарантированного поучения высококачественных сварных конструкций из алюминиевых  сплавов без склонности к замедленному разрушению необходимо:

1. применять полуфабрикаты, полученные  из слитков безфлюсовой ваккуумно-индукционой  выплавки;

2.  максимально исключить ручную  сварку;

3.  исключить многочисленные прихватки  и подварки;

4.  обеспечить высокое качество  сборки под сварку  (депланация  кромок не более 10% толщины  деталей и зазоры в стыке  0,5 мм);

5.  применять только панельные конструкции,  исключив каркасные;

6. полностью исключить какие-либо  монтажные напряжения;

7. применять специальные методы  подготовки поверхности  и  защиту проплава    шва;

8.  использовать подвижные локальные  прижимы и систему растяжителей.

 Проведенные исследования показывают, что изменение способа сварки незначительно влияют на прочностные  свойства сварных соединений. Все сплавы системы     имеют показатели статистической прочности в 1,3-2 раза больше, чем все известные стандартные деформируемые алюминиевые сплавы. Однако все сплавы системы      имеют показатели свариваемости хуже, чем стандартные алюминиевые сплавы типа АМг6, 01545К, 01570 и др. Кроме того, показатели пластичности сварных швов для сплавов системы Al-Cu-Li      значительно (в 3-6 раз) ниже, чем для стандартных алюминиевых сплавов.  Кривые малоцикловой  выносливости из сплавов 1420, 01460, 1201 и 01570 при температуре испытаний 273К приведены на

рисунке 1.2. 
 
 
 
 
 
 
 
 

Заключение

      В курсовой работе были рассмотрены свойства, физико-химические характеристики, область применения алюминиевых сплавов, а так же особенности получения отливок из сплавов системы Al-Li. В современной авиационной промышленности представляется целесообразным постепенный переход к алюминиево-литиевым сплавам 01420 и 01460. Первый из этих сплавов давно освоен и широко применяется при производстве МиГ-29. При той же прочности, что у Д16 его плотность составляет всего 2,5 т/м3, модуль упругости несколько выше, а свариваемость и коррозионная стойкость существенно лучше, чем у Д16. Применение этого сплава в сухих отсеках позволяет перейти к сварным соединениям, что обеспечит, кроме прочего, снижение массы крепежных элементов (а она может достигать в среднем 6-7% от массы силовой конструкции). В целом, применение сплавов 01420/ 01460 позволит снизить массу конструкции на 12-15%. Каждый процент лития снижает плотность алюминия на 3% и повышает модуль упругости на 6%. Кроме того, литий имеет переменную уменьшающуюся с понижением температуры растворимость в твердом алюминии. Это создает возможность создавать термически упрочняемые литейные сплавы.  Однако алюминиево-литевые сплавы имеют и ряд существенных недостатков, таких как:

- необходимость соблюдения требований  техники безопасности при работе  с литиевыми сплавами;

- строгая регламентация  применения  алюминиевых сплавов с литием  в ответственных сварных конструкциях;

- прочность и пластические свойства  сварных соединений из сплавов  систем       Al-Cu-Li  и Al-Li-Mg  заметно уступают свариваемым алюминиевым сплавам без лития во всем диапазоне применяемых температур  эксплуатации ( от -253°C  до +400 °C );

- стоимость полуфабрикатов из  алюминиевых сплавов с литием  в 3-6 раз больше, чем для большинства  стандартных сплавов без лития,  хотя сварные конструкции системы Al-Cu-Li имеют преимущества перед конструкциями из стандартных свариваемых алюминиевых сплавов без лития при температурах эксплуатации       -196 °C  и особенно - 253°C . 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список  литературы

1. Фридляндер  И. Н. Адюминиевые сплавы. –М.:Металлургия, 1979.
2. Рязанцев В. И., Федосеев В. А. Ширяева Н. В. Исследование свариваемости сплава 1420 // Сварочное производство. 1978.  №6.
3. Семенова И. В., Флорианович Г. М.  Коррозия и защита от коррозии / под ред Семеновой – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002.
4. Ильин А.А., Никитин С.Л., Осинцев О.Е., Борисов Ю.В. Исследование влияния легирующих элементов на структуру и свойства литейных сплавов Al-Li-Cu // Металлы. 2009, №4.
5. Особенности изготовления сварных конструкций из алюминиево-литиевых сплавов / В. В. Алексеев, В. В. Овчинников, Б. С. Денисов и др. //Сварочное производство. 1992 .