Сверхлегкие сплавы

Особенности сверхлегких сплавов. Применение сверхлегких магниевых сплавов

К особенностям сверхлегких сплавов относятся: повышенная обрабатываемость давлением при температурах существенно ниже, чем обычных магниевых сплавов, высокий предел текучести при сжатии, незначительная анизотропия механических свойств, хорошие механические свойства при криогенных температурах, высокая удельная жесткость, высокая теплоемкость и низкая плотность, составляющая от 1350 до 1600 тонн на кубометр.

Большинство магниевых сверхлегких сплавов используется в авиастроении. Из них изготавливаются насосы, двери кабин, фонари и корпуса приборов. Фюзеляжи вертолетов Сикорского почти полностью сделаны из сверхлегких магниевых сплавов. В ракетостроении такие сплавы используются для изготовления топливных баков, обтекателей, корпусов ракет и стабилизаторов. Из литейных сверхлегких сплавов изготавливаются элементы крепления, элероны, детали хвостового оперения, кронштейны, а из деформируемых – стрингеры, лонжероны, опорные конструкции тормозов, волноводы, обшивки корпусов.

Сверхлегкие алюминий-литиевые сплавы. Microlattice

Сплавы алюминий-литий обладают высокой удельной прочностью и высоким удельным модулем упругости, благодаря чему они способствуют снижению веса и стоимости готовых изделий, особенно авиационных. Помимо очень токсичного бериллия, литий является единственным легирующим элементом, содержание которого в сплаве снижает его плотность и увеличивает модуль упругости. Один процент лития в сплаве уменьшает его плотность на 2 % и увеличивает модуль упругости на 6 %. Типичный сплав алюминий-литий на 10 % более жесткий и на 10 % более легкий, чем традиционный сплав алюминия, но его стоимость выше в среднем в 2,5 раза. В будущем такие сплавы заменят почти все сплавы, которые сейчас используются в самолетостроении, также существует перспектива, что они смогут заменить некоторые композиционные материалы.

Первые сверхлегкие сплавы алюминий-литий были разработаны в Российской Федерации (ВАД23, содержание лития в котором составляло около 1,1 %). Но данный сплав обладал либо недостаточными прочностными характеристиками, либо низкими значениями вязкости разрушения и пластичности. Сейчас сплавы алюминий-литий получают посредством литья, при котором легирующие элементы растворяются в расплаве алюминия, а из полученного сплава льются слитки. Такой способ производства ограничивает содержание лития, составляющее максимум 3 %. Его более высокое содержание достигается при помощи методов порошковой металлургии. Данные методы позволяют достичь содержания лития порядка 5 %, что снижает плотность сплава на 14 %, при этом в нем сочетаются высокая прочность, коррозионная стойкость и способность работать при температуре 250 градусов по Цельсию. Согласно равновесной диаграмме состояния системы алюминий-литий, растворимость последнего в твердом состоянии в алюминии при температуре 600 градусов по Цельсию достигает 6%, а при комнатной температуре 1 %.

Добавление к сплаву алюминий-литий циркония измельчает зерно и увеличивает коррозионную стойкость. Марганец, как и цирконий, измельчает зерно и увеличивает коррозионную стойкость, но эффект менее значительный, чем при добавлении циркония. Кремний способствует увеличению предела текучести сплава алюминий-литий и уменьшает склонность к охрупчиванию. Сплав 01420, в котором может содержаться от 0,1 до 2 % лития, является самым легким из алюминиевых сплавов, его плотность не превышает 2500 килограмм на кубометр, а модуль упругости составляет порядка 76000 мегапаскалей. Данный сплав обладает хорошей коррозионной стойкостью, он поддается всем видам сварки. Прочность сварного соединения, в сравнении прочностью основного материала около 84 %. Повторная термическая обработка гарантирует 100 % прочность. Алюминий-литиевые сплавы очень технологичны, они:

• хорошо деформируются в горячем состоянии,
• быстро упрочняются,
• хорошо прессуются, обрабатываются резанием и штампуются.

Относительно недавно американскими учеными был создан сверхлегкий металл - Microlattice. Данный материал практически невесомый, если его положить на одуванчик, то цветок останется невредимым. При этом он способен выдерживать огромные нагрузки. Причина такого явления состоит в том, что он полый почти на 100 %. Его основу составляют переплетенные друг с другом трубки, толщина которых в несколько тысяч раз меньше человеческого волоса, они сами внутри полые. Первые образцы этого материала были сделаны из сплава никеля и фосфора, нанесенного на полимерную губчатую основу. Его применение в авиастроении позволит сократить массу лайнеров в несколько раз, что поспособствует сокращению объема потребления ими топлива.