2938

является основным фактором, обеспечивающим высокое сопротивление усталости, которое является определяющим для многих авиационных деталей. В порошковой металлургии титановых сплавов получили развитие три способа: способ элементарных порошков (ЭП), способ порошков, предварительно легированных (ПЛ) и способ быстрой кристаллизации (БК). Из элементарных порошков можно получить дешевые сложные детали, большинство механических свойств которых соответствует свойствам литых и деформируемых сплавов. Исключением являются усталостные характеристики, снижающиеся из-за остаточной пористости или присутствия включений. Способ легированных порошков наиболее рентабелен в производстве деталей авиационно-космической техники. Можно обеспечить производство деталей крупных и сложных конфигураций с размерами, близкими к чистовым и со свойствами эквивалентными традиционным сплавам

Способ быстрой кристаллизации позволяет увеличить растворимость элементов в титане в твердом состоянии, способствует образованию метастабильных фаз, измельчает структуру, препятствует ликвации и улучшает обрабатываемость детали.

Порошковая металлургия требует меньше сырья и позволяет получать почти готовые детали (с минимальной затратой на механическую обработку), обеспечивает более высокую однородность материала и открывает потенциальные возможности получения новых сплавов.

Применение титановых сплавов

Применение титановых сплавов в самолетостроении, двигателе-

строении и ракетостроении широко и разнообразно. В настоящее время создание газотурбинных двигателей невозможно без применения титана. В двигателях титан применяется для изготовления лопаток и дисков компрессоров, воздухозаборников, роторов и корпусов

161

компрессоров. Замена стальных лопаток компрессора титановыми уменьшает суммарный вес лопаток в двигателе на 40 ..45 % и на 20 ..25 % вес дисков. В настоящее время рассматривается возможность замены рабочих лопаток турбины последних ступеней на титановые вместо жаропрочных никелевых сплавов.

Всамолетостроении высокотемпературные титановые сплавы применяют на передних кромках плоскостей сверхзвуковых самолетов, так как более дешевый алюминий теряет свою прочность вследствии аэродинамического нагрева; в деталях горизонтального хвостового оперения.

Титановые сплавы применяют для изготовления горячих секций планера, шпангоутов, фюзеляжа, смотровых панелей, соплового аппарата самолетов вертикального взлета.

Вракетостроении из титановых сплавов изготавливаются корпуса ракет, баллоны для сжатых и сжиженных газов, сопла. Поскольку титановые сплавы обладают высокой коррозионной усталостной прочностью, их применяют в лопатках паровых турбин вместо нержавеющей хромистой стали, что позволяет производить турбины большей мощности (удельный вес титана составляет 60 % удельного веса стали).

Титан применяется в авиационной электронике. Напыление титана на поверхность электровакуумных приборов позволяет сохранять высокий вакуум. Здесь используется высокая газопоглощающая способность титана при нагревах выше 400 °С.

Высокая коррозионная стойкость титана используется в авиационно-космической технике для емкостей с агрессивными, химически активными средами.

Титан и его сплавы находят широкое применение и в других отраслях промышленности, главным образом в химической и в судостроении, однако основной потребитель титана - летательные аппараты.

162

3.5. 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 [6].

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 алюминий-литиевом 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

2540 .. 2560 кг/м3, плотность лития - самого легкого металла - 530 кг/м3.

Типичный алюминий-литиевый сплав на 10 % легче и на 10 % жестче традиционного алюминиевого сплава. Во всех новых самолетных конструкциях, использующих преимущество повышенной жесткости, применение алюминий-литиевых сплавов может привести к снижению веса конструкции в той же степени, что и материалы, армированные волокном (неметаллические композиционные материалы), но без значительного отклонения от существующей разработанной технологии и способов производства традиционных алюминиевых сплавов.

Алюминий-литиевые сплавы

Алюминий-литиевые сплавы являются перспективными авиакосмическими сплавами, обеспечивающими высокие эксплуатационные характеристики и экономию топлива. Сплавы имеют следующие преимущества: повышают

163

жесткость по сравнению с традиционными алюминиевыми сплавами на 10 %; снижают вес конструкций на 15 %; могут выпускаться на существующем оборудовании; не требуют замены инструмента и переквалификации рабочих.

Впервые алюминиевые сплавы системы алюминий— медь-литий были разработаны 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. Однако эти сплавы, также как и сплавы системы алюминий- магний-литий имели либо недостаточные прочностные характеристики, либо низкие значения вязкости разрушения и пластичности.

В настоящее время А1-Li сплавы получают методом литья, когда легирующие элементы растворяют в расплаве алюминия и из полученного сплава льют слитки. Такой процесс ограничивает содержание лития тремя процентами. Более высокое содержание лития и, следовательно, более низкая плотность могут быть достигнуты порошковой металлургией. Она позволяет получать новые химические составы сплавов с более мелким зерном и более однородным распределением легирующих элементов для оптимального соотношения прочности и вязкости. Порошковая металлургия алюминий-литиевых сплавов повышает содержание лития до 5 % и снижает плотность сплава на 14%, обеспечив при этом сочетание высокой прочности, коррозионной стойкости и способности сплава работать при температурах до 250 °С.

Сплав 01420 (содержит от 0,1 до 2 % Li) - самый легкий из всех алюминиевых сплавов, его плотность 2500 кг/м3. Модуль упругости сплава - 76000 МПа в отличие от модуля упругости традиционных сплавов типа Д16, равного 72000 МПа. Широкое применение сплава 01420 вместо сплава Д16 в конструкциях снижает массу от 13 % до 20 %.

Сплав 01420 обладает удовлетворительной

164

коррозионной стойкостью. Он сваривается всеми видами сварки. Прочность сварного соединения составляет по сравнению с прочностью основного материала 84 %. Повторная термическая обработка сплава после сварки дает 100 % прочность. Сплав 01420 закаливают с 450 С охлаждением в воде или на воздухе с последующим искусственным старением при 120 °С 12 ч. Закалка с охлаждением на воздухе обеспечивает высокую коррозионную стойкость, закалка в воде - получение более высоких характеристик пластичности.

Дальнейшие разработки алюминий-литиевых сплавов связаны с повышением вязкости разрушения.

В настоящее время основным способом повышения вязкости алюминий-литиевых сплавов является измельчение зерна легированием, термомеханической обработкой и использованием методов порошковой металлургии.

Технологичность сплавов

Алюминий-литиевые сплавы хорошо деформируются в горячем состоянии, поэтому стадии горячей листовой прокатки осуществляются легче, чем при работе с традиционными высокопрочными алюминиевыми сплавами. Алюминий-литиевые сплавы быстро упрочняются при холодной деформации, причем при высокой степени деформации в них появляется склонность к охрупчиванию.

Сплавы хорошо прессуются, штампуются и обрабатываются резанием. Технология получения новых сплавов мало отличается от технологии производства традиционных сплавов. Положительное влияние повышения модуля упругости в алюминий-литиевых сплавах увеличивает удельную жесткость сплава, что способствует уменьшению интенсивности развития усталостной трещины.

Большая часть современных деталей из алюминийлитиевых сплавов изготавливается способом слитковой металлургии на специальном оборудовании,

165

предусматривающем защиту сплавов при плавке от водорода. Применение порошковых алюминий-литиевых сплавов расширяет возможный диапазон химических составов, улучшает микроструктуру и, следовательно, механические свойства и снижает сложность технологического процесса.

Поэтому разработку сверхлегких алюминиевых сплавов осуществляют в двух направлениях: слитковой металлургии, порошковой металлургии. Многим алюминий-литиевым сплавам присуще явление сверхпластичности, что значительно расширяет возможности их применения. Алюминий-литиевые сплавы окажут значительное влияние на проектирование, производство и эксплуатационноэкономические характеристики будущих самолетов.

Следует отметить, что удельная прочность сплава 01420 является оптимальной по сравнению с удельной прочностью остальных сплавов.

4. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ АВИАЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

По происхождению неметаллические материалы разделяют на природные, искусственные и синтетические.

К природным относятся такие органические материалы, как натуральный каучук, древесина, смолы (янтарь, канифоль), хлопок, шерсть, лен и др. Неорганические природные материалы включают графит, асбест, слюду и некоторые горные породы [6,7].

Искусственные органические материалы получают из природных полимерных продуктов (вискозное волокно, целлофан, сложные и простые эфиры, целлюлозы).

Синтетические материалы получают из простых низкомолекулярных соединений. Синтетические неметаллические

166

материалы вытесняют природные и являются наиболее распространенными.

4.1.Материалы для остекления

4.1.1.Неорганическое стекло

Неорганические стекла являются при нормальной температуре аморфными, изотропными, хрупкими и большей частью прозрачными материалами, образующимися при охлаждении неметаллического минерального расплава. В состав большинства промышленных стекол входят один или несколько кислотных стеклообразующих оксидов (Si02, В203, А1203, Zr02, Р206 и др.), а кроме того, ряд основных оксидов

(К20, Na20, Li20, СаО и др.) [6,7].

У большинства стекол термостойкость колеблется от 90 до 200 °С, а у кварцевого стекла, самого прочного, термостойкого и нерасширяющегося, достигает 800 .. 1000 °С. Толстые изделия менее термостойки.

Температурная зависимость прочности стекол имеет минимум при 200 °С. Максимальная рабочая температура обычно не превышает 400 .. 500 °С, что примерно соответствует температуре стеклования. Кварцевое стекло допускает длительную эксплуатацию при 1100 ... 1200 °С (прочность повышена на 50 %) и кратковременное использование при нагреве до 1400 .. 1500 °С. Изделия из легированного кварцевого стекла массой до 50 кг можно кратковременно эксплуатировать в условиях высокого вакуума при нагревании до 1800 .. 2000 °С.

Термическое упрочнение (закалка) осуществляется быстрым и равномерным охлаждением стекла, нагретого выше температуры стеклования в потоке воздуха или в маслах. Упрочнение стекла закалкой связано с появлением в стекле значительных, но более или менее равномерно распределенных напряжений, которые в наружных слоях стекла вызывают напряжения сжатия, а во внутренних слоях — напряжения рас-

167

тяжения. Под влиянием внешнего изгибающего усилия такое стекло, по сравнению с обычным (отожженным), испытывает большее сжатие в верхнем слое и меньшее растяжение в нижнем. Предел прочности стекла при сжатии примерно в 10..15 раз больше, чем предел прочности при растяжении. Увеличение сжимающих усилий в верхнем слое закаленного стекла при его изгибе практически не влияет на его прочность, тогда как значительное уменьшение растягивающих усилий в нижнем слое существенно повышает его прочность и упругость. Термостойкость закаленного стекла более высокая, так как возникающие при резком изменении температуры усилия в наружных и внутренних слоях имеют противоположные знаки и взаимно компенсируются.

Термохимическое упрочнение основано на закалке стекла и, кроме того, на глубоком изменении самой структуры и свойств его поверхностного слоя. Такое упрочнение производится быстрым охлаждением стекла, нагретого выше температуры стеклования, в подогретых полимерных кремнийорганических жидкостях. Дополнительное упрочнение объясняется образованием на поверхности стекла полимерных пленок.

Закаленные стекла обладают в 3 .. 4 раза большей сопротивляемостью по отношению к статическим нагрузкам и в 2 .. 3 раза большей термостойкостью, чем отожженные стекла. Еще более высокую прочность и термостабильность имеют термохимически упрочненные стекла.

Классификация неорганических стекол, их свойства, применение

По содержанию модификаторов стекла бывают щелочными (до 15 % Na20, К20, СаО), «бесщелочными» с содержанием щелочных модификаторов до ~ 5 % и кварцевые.

Одним из самых распространенных высококачественных стекол, применяемых в авиационных конструкциях, является

168

алюмоборосиликатное (на основе системы А1203-В203-Si02) малощелочное стекло.

По назначению техническое стекло делят на оптическое, лабораторное, электротехническое, транспортное, приборное, защитное, теплозвукоизоляционное, светотехническое, стекловолокно и др. Плотность неорганических стекол колеблется от 2200 кг/м3 у легких щелочных силикатных кронов (показатель преломления n = 1,44) до 5200 (и даже до 8000) кг/м3 у тяжелых, содержащих до 65 % оксидов свинца, бария, висмута флинтов (n = 1,9); светопрозрачность неокрашенных стекол составляет в видимой части спектра до 92 %. Наиболее широкая полоса пропускания электромагнитных волн оптического спектра для кварцевого стекла простирается от жестких ультрафиолетовых лучей (λ = 160 нм) до инфракрасных (λ = 5,0 мкм). Легированные железом и фосфатами стекла задерживают тепловое излучение, легированные редкоземельными элементами — ультрафиолетовое излучение. Легированное легкими элементами (В, Ве, Li) стекло пропускает рентгеновские лучи, а тяжелыми (Pb) — поглощает.

Химическая и гидролитическая стойкость стекол в кислых средах (кроме фосфорной кислоты Н2РО3 и плавиковой НF, полностью растворяющей стекло) довольно высока. Растворимость составляет 0,01..0,1 %. В щелочных средах стойкость снижается и растворимость достигает 0,5 .. .2,0 %. Стекла, содержащие много щелочных модификаторов, наиболее подвержены коррозии. Силикатные стекла с содержанием ~ 20 … 30 % Na2O или LiO растворимы в горячей воде и образуют «жидкое стекло».

Недостатком закаленного стекла является чувствительность к ударам в края (у самой кромки) и в углах. При разрушении закаленное стекло покрывается густой сеткой трещин, сильно затрудняющих видимость.

Если два листа стекла склеить прозрачной гибкой и упругой полимерной пленкой, то получается так называемый

169

триплекс. При разрушении его образовавшиеся осколки удерживаются на полимерной пленке, к которой они прикреплены, и не высыпаются из рамы.

4.1.2. Ситаллы

Выдающимися свойствами обладают новые конструкционные материалы - ситаллы (термин образован из слов стекло и кристалл), получаемые путем кристаллизации неорганических стекол на основе некоторых оксидов [6].

По способу получения ситаллы разделяют на два класса: фотоситаллы (фотокерамы) и термоситаллы (термопирокерамы).

Фотоситаллы (сподуменовые) содержат в качестве катализаторов соединения светочувствительных металлов — меди, золота, серебра, платины, а также щелочных и щелочноземельных металлов в количестве 0,001.. 0,3 %. В отлитой из стекольного расплава детали эти соединения находятся в виде ионов. Для облегчения восстановления и выпадения (коагуляции) равномерно распределенных в детали металлических частичек (центров кристаллизации) ее подвергают облучению ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами. При последующей термообработке детали вокруг центров происходит равномерный рост поликристаллической структуры ситалла.

При получении термоситаллов, содержащих катализаторы - оксиды титана, фосфора, ванадия, хрома, фториды и сульфоселениды, происходит разделение исходного оксидного стекла на две фазы, причем одна из них с большим поверхностным натяжением, выпадает в виде коллоидных частиц. При ступенчатой термообработке (500 и 800 .. 1000 °С) отформованных изделий эти частицы кристаллизуются сами и вызывают полную кристаллизацию стекла.

Подбором химического состава исходного стекла, типа катализатора и изменением режима термообработки можно

170