§2. Используемые сплавы. Алюминиевые сплавы

Основным конструкционным материалом для планера остаются алюминиевые сплавы. В 2000-2010 годах их доля в структуре применения остается на уровне 50%.

Алюминиевые сплавы – это сплавы, отличающиеся высокими, сравнимыми с легированными сталями значениями удельной прочности σ_доп/ρ (отношение допустимых напряжений к плотности) и удельной жесткости Е/ρ (отношение модуля упругости материала к его плотности), высоким сопротивлением усталости и хорошими технологическими характеристиками.

Задача повышения надежности, улучшения характеристик трещиностойкости, повышения усталостных свойств сплавов для фюзеляжа, крыла и силового набора решалась за счет значительного повышения чистоты сплавов от примесей кремния и железа и соответственно ограничения избыточных фаз, разработки новых режимов термообработки, улучшения качества полуфабрикатов.

Вместе с тем были созданы новые высокопрочные алюминиевые сплавы, по прочности значительно превосходящие существующие, в первую очередь, для сжатых зон (крыло) и силового набора. Это особо прочный сплав В96ц-3пч, ковочные сплавы 1933, В1963 системы Al-Zn-Mg-Cu с добавкой Zr. Также создан уникальный слоистый алюмополимерный материал класса СИАЛ, который обладает чрезвычайно высоким сопротивлением развитию усталостных трещин и более высокими показателями малоцикловой усталости (МЦУ).

Для верхних обшивок фюзеляжа рассматривается возможность применения слоистого алюмостеклопластика СИАЛ-3-1. По сравнению с монолитными листами их алюминиевых сплавов СИАЛ-3-1 имеет повышенную прочность, чрезвычайно низкую скорость развития усталостных трещин, повышенную долговечность, а также пониженную плотность.

Преимущества:

1. Пониженная до 8% плотность, что значительно повышает весовую эффективность;

2. Повышенный на 10% модуль упругости, что обеспечивает увеличение жесткости конструкции.

Еще один способ повышения весовой эффективности – уменьшение плотности алюминиевых сплавов, который реализуется путем создания рецептур сплавов, легированных литием. Создана серия сплавов средней (1420, 1421, 1441) и высокой (1461, 1464, 1469) прочности. Высокопрочные свариваемые сплавы предназначены для эксплуатации в широком интервале температур от +175 ⁰С до -253 ⁰С.

Титановые сплавы

Титановые сплавы обладают высокой удельной прочностью, жаропрочностью, хорошей коррозиционной стойкостью (поверхностная окисная пленка устойчива до +550 ⁰С).

Объем применения титановых сплавов в конструкциях планера и шасси составляет ≈ 4-10%.

Взамен сталей в конструкции планера и шасси рекомендованы к применению высокопрочные титановые сплавы ВТ-22И, ВТ-23И, ВТ-43 и ВТ-41,имеющие высокую пластичность и прочность, низкую скорость роста трещины усталости, пониженную плотность. Преимуществом использования титановых сплавов является их пониженная плотность по сравнению со сталями, высокая коррозионная стойкость, в том числе в контакте с полимерными композиционными материалами (ПКМ).

Высокопрочные сплавы

Стали – сплавы железа с углеродом.

Основное назначение сталей – использование их в конструкциях, требующих высоких значений жесткости, удельной прочности, усталостной долговечности, теплопрочности, коррозионной стойкости и ряда других параметров.

До недавних пор наиболее распространенной в самолетостроении являлась высокопрочная сталь 30ХГСН2А с уровнем прочности 1600-1850 МПа. Благодаря новым разработкам удалось повысить прочность до 1950 МПа при сохранении значений пластичности. В последнее время созданы новые экономнолегированные высокопрочные конструкционные свариваемые стали ВСК-8 (σ_в = 1800-2000 МПа) и ВКС-9(σ_в = 1950 – 2150 МПа) , которые по значениям трещиностойкости не уступают, а в ряде случаев и превосходят сталь 30ХГСН2А.

Одним из перспективных направлений легирования коррозионно-стойких сталей является использование в их составе азота. Легирование азотом дает возможность снизить или исключить содержание в стали дорогостоящих легирующих элементов, таких как кобальт, молибден, при сохранении прочности стали.