Будущее авиации — за алюминий-литиевыми сплавами

Алюминий-литиевые сплавы широко применяются в мировом авиастроении для создания перспективных летательных аппаратов с улучшенными техническими характеристиками. Об истории, уникальных характеристиках и перспективах алюминий-литиевых сплавов журналу «Редкие земли» рассказал Генеральный директор ВИАМ, академик РАН Евгений Николаевич Каблов.

РЗ: Евгений Николаевич, в чем заключаются основные преимущества применения алюминий-литиевых сплавов в авиации?

Литий придает уникальные свойства алюминиевым сплавам — повышение прочности и модуля упругости при снижении плотности. Но главное преимущество в том, что многие алюминий-литиевые сплавы можно сваривать, перейдя таким образом от заклепок к сварным соединениям. Кроме того, данные сплавы обладают наилучшим комплексом механических, эксплуатационных и коррозионных характеристик, позволяющих конкурировать с традиционными алюминиевыми сплавами и полимерными композиционными материалами. Считаю, что со временем эти сплавы полностью вытеснят традиционные алюминиевые и произойдет замена клепаных конструкций на сварные.

РЗ: Когда впервые возникла идея использования этих сплавов в авиации?

На протяжении многих лет конструкторы и технологи стремились создать цельносварные самолеты. Метод сварки значительно снижает себестоимость конструкции и ее массу за счет уменьшения трудоемкости работ и расхода материала. Однако для внедрения сварных конструкций в авиационную промышленность требовался новый материал, обладающий свариваемостью, низкой плотностью и повышенной удельной прочностью.

Первые работы по легированию алюминиевых сплавов литием относятся к 1924 году, когда в Германии был разработан сплав склерон, содержащий всего 0,1% лития и имеющий свойства несколько лучше, чем у уже известного на тот момент сплава дуралюмина. Однако склерон не нашел широкого применения из-за сложности изготовления и более высокой стоимости, несмотря на малое содержание лития.

Работы по легированию алюминиевых сплавов литием были продолжены лишь в 1950-х годах, когда практически одновременно были разработаны два близких по составу сплава, содержащие примерно 1,1% лития: ВАД23 в СССР и сплав 2020 в США. Эти сплавы нашли промышленное применение, однако из-за чрезвычайно сложной технологии производства листов, пониженной пластичности и вязкости разрушения полуфабрикатов специалистами американской фирмы ALCOA дальнейшие работы по алюминиевым сплавам, легированным литием, были признаны неперспективными и прекращены.

РЗ: Как обстояло дело в нашей стране, и какую роль в работе над алюминий-литиевыми сплавами сыграл ВИАМ?

В нашей стране продолжались исследования по разработке алюминий-литиевых сплавов применительно к летательным аппаратам и были достигнуты положительные результаты. Родоначальником серии таких сплавов пониженной плотности стал ВИАМ. Ученые института разработали совершенно новый вид материалов с содержанием лития, который в качестве легирующего элемента придавал алюминиевым сплавам уникальные свойства — высокие прочность и коррозионную стойкость при пониженной плотности.

Первым, кто обратил внимание на уникальные свойства алюминий-литиевых сплавов, был ученый ВИАМ, академик И.Н. Фридляндер. В 1965 году была опубликована статья И.Н. Фридляндера, В.Ф. Шамрая и Н.В. Ширяевой в журнале «Известия АН СССР» об открытии эффекта упрочнения при термической обработке обширной группы сплавов в тройной системе Al–Li–Mg. На этой основе был создан сплав 1420, содержащий 2% Li, 5,5% Mg и 0,1% Zr. Два процента лития занимают в алюминиевом сплаве около 11% объема, поэтому сплав 1420 оказался на 10–12% легче применявшихся для фюзеляжа сплавов типа дуралюминов. Одновременно была установлена новая особенность, поколебавшая установленную Н.С. Курнаковым закономерность аддитивности модуля упругости компонентов сплава. Легирование литием, имевшим меньший модуль, чем алюминий, не только не снизило, но даже повысило модуль упругости Al–Mg–Li сплавов. Это открытие, признанное Государственным комитетом по изобретениям, получило название «эффект Фридляндера». Таким образом, создавая сплав 1420, ВИАМ действительно оказался «впереди планеты всей».

Тем не менее, многие металлурги были ярыми противниками алюминий-литиевых сплавов. В частности, по воспоминаниям И.Н. Фридляндера, директор ВИЛС академик А.Ф. Белов настолько не хотел заниматься созданием соответствующего оборудования и технологий, что сообщил в органы госбезопасности о намерении ВИАМ погубить советскую военную авиацию с помощью нового сплава 1420.

В дальнейшем, основываясь на опыте применения сплава 1420, специалистами ВИАМ был разработан целый класс алюминий-литиевых сплавов второго поколения на базе систем Al–Cu–Mg–Li и Al–Cu–Li: сплавы 1441, 1450, 1460. Они обладали улучшенным комплексом механических свойств по сравнению со сплавами первого поколения, однако имели ряд недостатков, в том числе неудовлетворительную свариваемость.

Развитию данного направления, как и многих других, помешала «перестройка». В СССР именно авиастроению придавалось первостепенное значение в поддержании обороноспособности государства, благодаря чему разработки советских инженеров и конструкторов являли собой образец передовой научно-технической мысли. Но развал Советского Союза и наступивший экономический кризис привели к упадку отрасли. Многие разработки советских ученых были оставлены «до лучших времен».

РЗ: Что представляют собой алюминий-литиевые сплавы третьего поколения?

За последние годы наши ученые разработали современные высокопрочные и высокоресурсные алюминий-литиевые сплавы третьего поколения: В-1461, В-1469, В-1480 и В-1481, которые по своим характеристикам превосходят зарубежные аналоги и являются альтернативой основным конструкционным алюминиевым сплавам 1163 и В95, широко применяемым в отечественном авиастроении. Третье поколение алюминий-литиевых сплавов лишено недостатков своих предшественников благодаря подбору оптимальных концентраций легирующих элементов и разработке технологий деформации и термической обработки, которые обеспечивают повышенную пластичность и улучшенную структуру полуфабрикатов. Например, сплавы В-1469 и В-1480 по удельной прочности превосходят на 7–15% все существующие алюминиевые деформируемые сплавы и обладают при этом высокими характеристиками коррозионной стойкости, трещиностойкости и усталостной долговечности. Сплав В-1481 имеет очень высокие характеристики вязкости разрушения и трещиностойкости, превосходящие на 10–15% свойства традиционно применяемого для обшивки фюзеляжа сплава 1163.

РЗ: В каком состоянии сейчас находится производство алюминий-литиевых сплавов в России? Кто их производит?

Единственным металлургическим предприятием в России, имеющим необходимое для производства алюминий-литиевых сплавов плавильно-литейное оборудование, является Каменск-Уральский металлургический завод (ОАО «КУМЗ»). Сегодня КУМЗ продолжает серийно выпускать алюминий-литиевые сплавы для ракетно-космической техники, в первую очередь – самый легкий алюминий-литиевый сплав 1420, а также для авиационной техники – например сплав 1441, примененный в гидросамолетах Бе-103 и Бе-200.

Для обеспечения в будущем отечественной авиационной техники качественными алюминий-литиевыми сплавами в необходимом объеме надо провести техническое перевооружение КУМЗа с созданием нового участка плавки и литья слитков из алюминий-литиевых сплавов. Имеющееся на предприятии плавильно-литейное оборудование находится в эксплуатации в течение более 50 лет. Неудовлетворительное состояние литейных агрегатов приводит к повышенному браку из-за наличия примеси кремния, что негативно сказывается на характеристиках трещиностойкости полуфабрикатов и приводит к повышенному трещинообразованию при литье.

Сейчас на заводе вводится в эксплуатацию оборудование нового прокатного комплекса, по своим характеристикам не имеющее аналогов за рубежом, что позволит в ближайшее время начать производство высококачественной катаной продукции уникальных габаритов, так необходимой нашей авиационной промышленности. Это длинномерные (до 30 м) плиты и широкие (до 3200 мм) обшивочные листы. Эту работу ОАО «КУМЗ» проводит за счет собственных средств, объем вложений составляет 23 миллиарда рублей.

РЗ: Для производства алюминий-литиевых сплавов необходим металлический литий. Имеется ли в России собственное производство этого металла?

Проблема производства лития и его соединений, необходимых для изготовления алюминий-литиевых сплавов, в России действительно существует. Единственным отечественным производителем чистой литиевой продукции является ОАО «Новосибирский завод химконцентратов», который осуществляет поставки лития как на отечественный рынок, так и за рубеж.

В 1960-х годах на предприятии было создано масштабное литиевое производство, представляющее собой технологический комплекс, способный перерабатывать исходное сырье, получая максимально чистый литий и его соли, которые использовались во многих отраслях народного хозяйства. Создание на ОАО «НЗХК» производства лития совпало с освоением его в промышленности на ОАО «КУМЗ» и с началом широкого применения алюминий-литиевых сплавов ВАД23 и 1420 в авиакосмической и ракетной технике.

Следует отметить, что в России на данный момент отсутствует развитая сырьевая база для производства лития, сырье импортируется из Чили. Сейчас объемы производства металлического лития и соединений лития на ОАО «НЗХК» составляют соответственно около 280 тонн и около 300 тонн в год. Из них на производство алюминий-литиевых сплавов (1420, 1441) расходуется металлического лития примерно 30–40 тонн в год (10–15% от общего производства). Остальные 85–90% металлического и хлористого лития поставляются за рубеж.

РЗ: Расскажите об успешных примерах внедрения алюминий-литиевых сплавов ВИАМ.

В середине 1960-х годов выдающийся советский авиаконструктор Ростислав Беляков использовал сплав 1420 при создании самолета МиГ-29М — для кабины пилота и для центроплана. При сварке крупных массивных штамповок с листом возникли сложности, но их удалось решить. В результате было создано девять таких самолетов, продемонстрировавших уникальные характеристики как по аэродинамическим качествам, так и по энерговооруженности. Эти самолеты существенно превосходили по своим параметрам западные аналоги — F-16 и F-18. МиГ-29М, в конструкции которого использовался сварной вариант алюминий-литиевого сплава, был построен по схеме падающего листа. Подъемная сила самолета была разнесена с центром тяжести, и он имел достаточно высокую маневренность.

В начале 1970-х годов в Советском Союзе из сплава 1420 впервые были изготовлены клепаные фюзеляжи палубных самолетов вертикального взлета ЯК-36 и ЯК-38, что снизило массу конструкции до 10%. Также детали из сплава 1420 использовались в пассажирских самолетах Як-40 и Як-42.

В 2005–2010 годах ВИАМ активно сотрудничал с компанией Airbus, специалисты которой из нашего сплава 1424 сделали листы, а из них целый отсек фюзеляжа, прошедший испытания — 75 тысяч циклов — без существенных замечаний. Реализация нашего проекта подтолкнула компанию Boeing к активной работе в данном направлении.

В России постепенно идет внедрение алюминий-литиевого сплава 1441 системы Al–Cu–Mg–Li. Высокотехнологичный среднепрочный высокомодульный алюминий-литиевый сплав 1441 обладает наилучшей из всех отечественных алюминий-литиевых сплавов технологической пластичностью при прокатке, что позволяет получать тонкие листы (толщиной до 0,3 мм). Сплав обладает высокими характеристиками усталости и трещиностойкости и рекомендуется в качестве альтернативы сплаву 1163АТ для обшивки фюзеляжа центральной части изделия (листы), стрингерного набора (прессованные профили), а также для элементов внутреннего набора. Листы из сплава 1441 широко используются с начала 1990-х годов в гидросамолетах ТАНТК им. Г.М. Бериева Бе-103 и Бе-200.

Специалистами ВИАМ совместно с ПАО «Туполев» разработана концепция сварной панели верха крыла из высокопрочного алюминий-литиевого сплава В-1469. Для этого были изготовлены промышленные прессованные панели, которые сваривались с использованием высокоэффективной сварки трением с перемешиванием. В результате были получены фрагменты панели крыла с высоким уровнем механических и коррозионных свойств. Проведенные в ЦАГИ испытания показали, что применение панелей из сплава В-1469-Т1 взамен базового сплава В95о.ч.-Т2 благодаря повышенной удельной прочности сплава позволяет снизить массу крыла на 15%, а также — повысить устойчивость и несущую способность.

Хотел бы отметить, что дополнительное снижение массы изделия в целом возможно благодаря применению гибридной конструкции на основе металлических и металлополимерных материалов, в которых методом чередования слоев достигаются более высокие механические свойства, характеристики трещиностойкости и малоцикловой усталости, а пониженная плотность позволяет экономить до 10–20% массы по сравнению с монолитной конструкцией.

Можно сказать и еще об одной работе. На базе высокопрочного алюминий-литиевого сплава В-1469 и высокоресурсного алюминий-литиевого сплава 1441 была реализована концепция гибридной панели крыла с использованием слоистых металлополимерных композиционных материалов. Испытания показали возможность использования данных конструкций для повышения весовой эффективности изделия при сохранении остальных эксплуатационных характеристик.

РЗ: В каких современных отечественных самолетах планируется использовать эти сплавы в настоящее время?

В настоящее время Правительством Российской Федерации поставлена задача восстановления производства пассажирского самолета Ил-114 и создания транспортных самолетов Ил-112 и Ил-276, а также принципиально нового пассажирского самолета SSJ-75. В конструкциях всех без исключения перечисленных авиалайнеров планируется широкое применение алюминий-литиевых сплавов, а для самолета SSJ-75 прорабатывается вопрос изготовления сварных отсеков фюзеляжа из алюминий-литиевых сплавов с использованием прогрессивных технологий лазерной сварки и сварки трением с перемешиванием.

РЗ: Насколько широко используются алюминий-литиевые сплавы в зарубежных моделях самолетов?

За рубежом сварные конструкции из этих сплавов применяются в основном для топливных баков космических аппаратов. Из сплава 2198 с использованием сварки трением с перемешиванием изготовлены баки для топлива и окислителя первой и второй ступеней изделия SpaceX Falcon 9. Из листов сплава 2195, заменившего сплав 2219, изготавливают внешние топливные баки для ракетно-космической техники NASA Space Shuttle, первый запуск которого был осуществлен в 1998 году. Благодаря применению легких алюминий-литиевых сплавов, масса изделия была снижена примерно на 3000 кг.

За рубежом алюминий-литиевые сплавы третьего поколения (с добавками скандия) нашли широкое применение и в современных самолетах. Канадская компания Bombardier создала проект семейства пассажирских узкофюзеляжных двухмоторных реактивных самолетов средней дальности
С-серии, в конструкции которых широко применяются алюминий-литиевые сплавы, составляющие до 25% от всех материалов планера. Кроме этого, алюминий-литиевые сплавы находят применение в современных модификациях самолетов компании Airbus (А-380, А-350).

РЗ: Есть ли понимание необходимых объемов производства в России алюминий-литиевых сплавов и готова ли существующая производственная база обеспечить эти объемы?

Объем потребления данных сплавов за рубежом достигает 75 тысяч тонн в год, в России же этот показатель не превышает 1500 тонн. В связи с этим крайне необходимы приобретение соответствующего оборудования и организация на территории ОАО «КУМЗ» современного высокопроизводительного плавильно-литейного цеха по производству слитков алюминий-литиевых сплавов.

РЗ: Насколько перспективно использование в таких сплавах редкоземельных металлов? Как РЗМ влияют на качественные показатели сплавов?

Современные отечественные алюминий-литиевые сплавы содержат в своем составе малые добавки РЗМ (в частности, скандия), что позволяет повысить их прочность и надежность изготавливаемых конструкций. Однако увеличение содержания РЗМ в таких сплавах приведет к значительному росту их стоимости и, как следствие, падению конкурентоспособности относительно широко используемых в авиации алюминиевых сплавов других систем легирования.

В целом легкие свариваемые сплавы — крайне важное направление для авиационной промышленности. Их применение обеспечивает при существенном снижении массы рост весовой эффективности, а использование для легирования сплавов различных добавок типа РЗМ позволяет повысить прочность и надежность конструкции.

Я уверен, что алюминий-литиевые сплавы, наряду с другими материалами нового поколения, позволят России создать конкурентоспособные авиалайнеры, не уступающие по своим летным характеристикам зарубежным аналогам.