Иосиф Фридляндер
Академик РАН, ГНЦ РФ «Всероссийский институт авиационных материалов»

    Авиация стала великим инженерно-техническим достижением во многом благодаря алюминию. Использование сплавов, разработанных на его основе, открыло пути к созданию совершенной аэродинамики, легких и прочных конструкций, к повышению надежности и безопасности летательных аппаратов.
    Деформируемые алюминиевые сплавы и сегодня остаются основным конструкционным материалом для авиаракетной промышленности. В современном самолете, например, на их долю приходится до 70 % общей массы конструкции планера. При этом рост скорости и дальности полета, увеличение размеров авиалайнеров, высокая весовая эффективность, эксплуатационная надежность и экономичность – все это выдвигает новые, повышенные требования к алюминиевым сплавам.

С п р а в к а     За более чем полувековую деятельность Иосифа Наумовича Фридляндера во Всероссийском институте авиационных материалов (ВИАМ) им создана всемирно известная научная школа металловедения легких сплавов. Под его руководством разработаны теоретические основы легирования алюминиевых сплавов, определены основные направления снижения их плотности и повышения надежности, предложены промышленные сплавы систем Al – Li и Al – Be. Создание новых высокоэффективных сплавов и композиций, а также методов их термомеханической обработки обеспечили реализацию смелых научно-инженерных идей в области авиакосмической техники. Сегодня в России нет ни одного военного или гражданского самолета, вертолета или космического объекта, в которых бы не использовались сплавы, созданные И. Фридляндером и его учениками. Достижения научной школы ВИАМ были представлены академиком И.Н. Фридляндером в докладе на 8-й Международной конференции по алюминиевым сплавам в Лондоне в июле 2002 года.

    За 70 лет существования Всероссийского института авиационных материалов разработаны фундаментальные основы принципиально новых направлений в металловедении алюминиевых сплавов, на базе которых созданы высокоэффективные композиции для конкретных образцов гражданской и военной техники. Результаты исследований, проводимых в содружестве с металлургическими предприятиями, позволили существенно повысить удельную прочность сплавов, их трещиностойкость, сопротивление усталости, коррозионную стойкость и технологичность. При этом коллективу института приходилось зачастую решать сложнейшие металловедческие и технологические задачи.
    Еще в начале 60-х годов при создании «Антея» – крупнейшего в мире военно-транспортного самолета АН-22 – возникла проблема изготовления силового каркаса, который должен был состоять из крупногабаритных штампованных деталей сложной формы из высокопрочного алюминиевого сплава. При этом требовалось обеспечить минимальные закалочные напряжения и изотропность механических свойств. Для решения этой задачи использован ковочный сплав В93 повышенной чистоты (В93пч), в составе которого было существенно снижено содержание примесей железа и кремния (природные вредные примеси алюминия) с 0,5 % до 0,3 % и 0,15 % соответственно. Кроме того, при использовании обычного набора легирующих добавок – Mn, Cr, Zr, Sc, которые препятствуют рекристаллизации зерна, не удавалось избежать появления вытянутой структуры и анизотропии свойств в различных направлениях. Чтобы исключить это явление, требуется резкое охлаждение при закалке, что в свою очередь вызывает большие закалочные напряжения и поводку деталей при последующей обработке. Оптимальное, в какой-то степени парадоксальное, решение было найдено за счет использования «вредного» железа в качестве антирекристаллизационной добавки. При этом удалось снизить температуру закалки до 80^оС, что позволило резко уменьшить закалочные напряжения, получить равноосную структуру и одинаковые свойства по толщине и ширине изделия (табл.1). Для штамповки крупногабаритных деталей использовался вертикальный пресс мощностью 75 тыс. т Самарского металлургического завода (СМЗ).

    Как известно, «Антей» может перевозить до 1000 солдат с полным вооружением, а также принимать на борт танки и самоходную артиллерию. Проведенный сравнительно недавно осмотр самолетов АН-22, имеющих срок эксплуатации более 30 лет, показал, что все детали из сплава В93пч находятся в удовлетворительном состоянии. Хорошие механические и технологические свойства обеспечивают широкое применение этого сплава и в настоящее время.
    Важнейшей характеристикой конструкционных алюминиевых сплавов является вязкость разрушения. Чем выше этот показатель, тем меньше вероятность хрупкого разрушения элементов конструкции при внезапных резких перегрузках в реальных условиях эксплуатации. Разработанный в ВИАМ ковочный сплав 1933 при сравнительно одинаковой прочности и пластичности существенно превосходит по этому параметру американский сплав 7050 аналогичного назначения. В отечественных самолетах Туполева и Антонова практически весь силовой каркас изготавливается из сплава 1933.
    В 1998 году СМЗ в содружестве с ВИАМ по заказу известных европейских компаний «Аэроспасиаль» и «Эрбас» изготовил из сплава 1933 крупногабаритный фитинг очень сложной конфигурации, соединяющий крыло самолета с центропланом. На основании хороших результатов, полученных в процессе всесторонних испытаний в ВИАМ и в компании «Эрбас», эти изделия приняты для использования в самолетах серии А300, в том числе в проектируемом самом большом в мире самолете А380 на 555 пассажиров. Еще более высокие характеристики получены ВИАМ для нового экспериментального сплава 01981, который по показателю вязкости разрушения превосходит сплав 7050 почти в полтора раза.
    Специально для корпусов твердотопливных ракет в институте авиационных материалов был разработан высокопрочный и высокотехнологичный сплав В96ц-3. Он был получен в процессе сложных металловедческих исследований четверной системы Al-Zn-Mg-Cu. Как известно, повышение прочности алюминиевых сплавов достигается за счет термической обработки – закалки и старения, причем последняя операция имеет решающее значение. Проблема обычно состоит в том, чтобы при упрочнении металла не потерять необходимый уровень пластических характеристик. Было установлено, что при определенных соотношениях цинка и магния можно получить положительный эффект вследствие перехода меди в твердый раствор при старении сплава. При этом он в равной степени упрочняется за счет старения и закалки. Высокий эффект закалки ведет к заметному повышению вязкости разрушения при росте прочности и коррозионной стойкости, увеличению пластичности, снижению роста скорости усталостной трещины и других важнейших параметров. Благодаря высокой технологичности сплава за один рабочий ход пресса можно изготовить корпус ракеты.
    Интересно, что химический состав сплава В96ц-3, разработанного в 1970 году, был опубликован в журнале «Металловедение и термообработка», а через два десятка лет почти полностью воспроизведен в американском сплаве 7055, который в настоящее время с успехом используется для производства верхних панелей корпуса крыла пассажирских самолетов Боинг-777. Мы считаем, что этот материал может найти аналогичное применение для отечественных пассажирских и военных самолетов, при этом за счет высокой прочности может быть получено заметное снижение веса конструкции по сравнению с используемым ныне сплавом В95пч.

    Создание дисперсно-упрочняемых алюминиево-литиевых сплавов можно смело считать подлинным прорывом в авиационном металловедении. Эти материалы обладают высокой прочностью и стойкостью к коррозии под напряжением. Литий давно привлекал внимание ученых-металловедов как очень легкий металл. Однако длительное исследование системы алюминий-литий-магний не давало практических результатов: полученные сплавы не упрочнялись при термообработке. В конце 60-х годов группа исследователей ВИАМ (И.Н. Фридляндер, В.Ф. Шамрай, Н.В. Ширяева) установила, что в системе Al-Li-Mg имеется концентрационная область сплавов, обладающая большим эффектом термического упрочнения. На основании результатов этих исследований был создан алюминиево-литиевый сплав 1420, обладающий выдающимся комплексом физических и механических свойств (табл. 2).

    Плотность сплава 1420 на 12 – 16 % меньше, чем у других авиационных алюминиевых материалов (например, дуралюмина Д16), он обладает повышенным модулем упругости, высокой коррозионной стойкостью, отлично сваривается. С начала 70-х годов сплав отлично зарекомендовал себя при серийном производстве самолетов вертикального взлета Як-36 и Як-38 морской авиации.
    В 1985 году из сплава 1420 был создан первый в мировой практике сварной истребитель МиГ-29. Фюзеляж самолета представлял три топливных бака, изготовленных из штампованных и прессованных алюминиевых панелей с ребрами жесткости, соединенных между собой при помощи сварки, то есть без использования традиционных заклепок, болтов, герметиков. В результате вес машины удалось снизить на 24 %, причем половину этого выигрыша дало использование сплава 1420. К сожалению, истребитель МИГ-29 оказался невостребованным для массового производства в связи с изменением политической и экономической обстановки в стране. Однако опыт производства и эксплуатации сварного самолета имел большой резонанс в мире, и под его влиянием в настоящее время ведутся активные работы по созданию сварных фюзеляжей больших пассажирских и транспортных самолетов в Европе и США. Причем в этих работах принимают участие российские специалисты и используются отечественные алюминиевые сплавы.
    Сплавы системы Al-Li в процессе холодной деформации быстро упрочняются, что создает определенные проблемы при непрерывной рулонной прокатке ленты. За счет оптимального соотношения в химическом составе лития, магния и меди сотрудникам алюминиевой лаборатории ВИАМ удалось создать высокотехнологичный сплав 1441, который обладает хорошей пластичностью при холодной рулонной прокатке до толщин 0,3 – 0,5 мм и имеет высокие ресурсные характеристики (табл. 3). Этот сплав показал более высокую прочность по сравнению со сплавом 2024 в циклических испытаниях, проведенных в нашей стране (КБ Туполева) и США (НАСА). При этом следует учесть, что сплав 1441 на 6 – 10 % легче сплава 2024. Именно эти его преимущества реализуются в серийных гидросамолетах Бе-200 и Бе-300 известного КБ Бериева, в которых для изготовления фюзеляжа применяются тонкие плакированные листы 0,5 – 0,8 мм из сплава 1441.

    Рост мощности ракетоносителей и переход на более эффективное ракетное топливо потребовал создания новых материалов для топливных баков, имеющих более высокие механические свойства при температурах жидких газов – кислорода, водорода, азота (до минус 253^оС). Основой этих материалов также явились сплавы алюминий-литий, разработанные ВИАМ, – например сплав 1469.
    Бериллий, обладающий малой плотностью и чрезвычайно высоким модулем упругости, давно привлекал внимание металловедов-алюминщиков как легирующий материал. Серьезным препятствием обычно являлась низкая пластичность бериллия. В результате исследований системы Al-Be-Mg в ВИАМ удалось создать группу сплавов, имеющих хорошее соотношение модуля упругости и плотности при достаточно высоких характеристиках пластичности. Уже в конце 50-х годов применение этих промышленных сплавов типа АБМ для создания экспериментального истребителя конструкции Цыбина позволило снизить массу самолета почти на 40 % (табл. 4).

    Хотя по ряду причин этот самолет не пошел в серийное производство, сплавы АБМ нашли широкое применение в конструкциях самолетов КБ Яковлева, Туплева, Антонова и особенно в различных проектах и изделиях космическолй техники. Так, под руководством Мишина, который возглавил КБ после Королева, был создан проект лунного корабля из сплава АБМ-3. Такие сплавы с успехом работали на межпланетных автоматических станциях «Венера» в качестве силовых ферм крепления солнечных батарей, а также для силовых корпусов, откосов, переходных отсеков, радиоантенных устройств и других элементов конструкций объектов ближнего и дальнего космоса. Например, из сплавов этого типа изготовлены ответственные элементы конструкции знаменитого «Бурана», в том числе раскосы шпангоутов, тонкостенные стрингерные наборы, щитки и панели фюзеляжа.
    Для использования в сверхзвуковых пассажирских самолетах в институте был разработан жаропрочный сплав 1215, легированный германием, который по своим свойствам существенно превосходит сплав 2618, использованный в самолете «Конкорд», и аналогичный сплав АК4-1, примененнный в ТУ-144. Так, показатель вязкости разрушения К1с сплава 1215 превосходит аналогичный показатель для сплава АК4-1 почти в 1,5 раза при более высоких механических свойствах и жаропрочных характеристиках. Примерно в таких же соотношениях находятся показатели предела длительной прочности этих материалов при испытаниях в течение 1000 часов при 175^оС.
    Относительно новым и весьма перспективным направлением исследований явилось создание спеченных алюминиевых сплавов (САС), вызванное необходимостью получения физических свойств алюминиевых материалов с коэфициентом линейного расширения (к.л.р.), близким к показателю стали для использования в гироскопах. В этом случае не подходят традиционные технологии плавки и литья. Получение тонкодисперсных порошковых материалов с величиной зерна от 50 до 400 микрон оказалось весьма сложной задачей, для решения которой была разработана специальная комплексная многостадийная технология, а затем на ее базе создано по существу новое прецизионное производство точнейших авиаприборов.
    В конструкциях современных широкофюзеляжных самолетов типа Боинг-747 и А300 при выборе конструкционных материалов используется так называемая концепция безопасной повреждаемости. Суть идеи состоит в допущении при эксплуатации самолета трещин в конструкции, однако они не должны быть опасными и во всех случаях гарантировать требуемый ресурс безопасности. Такой подход позволяет проектировать самолет меньшей массы и соответственно более высокой экономической эффективности. Проблема решается в значительной степени путем создания и использования материалов с высокой вязкостью, малой скоростью роста усталостной трещины и высокой усталостной прочностью.
    В последние годы в этой области появились новые радикальные решения – слоистые композиционные материалы – СИАЛы, ГЛЕРы и КАСы. ГЛЕР – зарубежный композит алюмостеклопластик. В нашей стране имеется аналог с улучшенными характеристиками СИАЛ (СИ – кремний, т.е. стекло, АЛ – алюминий). Эти композиции представляют собой слоистый материал, в котором между тонкими 0,3 – 0,5 мм пластинами алюминиевого сплава проложены слои стеклопластика. Возникшая трещина прорывает одно его волокно и как бы затухает. Появление новой трещины требует значительных усилий и времени. Структура материала сформирована таким образом, что суммарная скорость роста трещин крайне мала. Эти материалы нашли применение в фюзеляже строящегося крупнейшего в мире самолета А380. Накладки из ГЛЕРа, в которых использован сплав 2024 типа дуралюмин, помещаются в критических точках фюзеляжа, где появление трещин наиболее вероятно. В отечественных СИАЛах применяются листы из алюминиево-литиевого сплава 1441, который имеет более низкую плотность, более высокие модуль упругости и прочность (табл. 5).

    Композиционный слоистый материал КАС, который также предупреждает возникновение и развитие трещин, представляет собой листы из алюминиевых сплавов, уложенные вдоль стальной проволоки или сетки, что существенно повышает его прочность. Этот материал рекомендован для изготовления стрингеров, панелей, для окантовки окон и дверей самолета.
    За многие годы металловедческая школа ВИАМ создала широкий спектр алюминиевых материалов различного назначения и завоевала в мире авторитет. Вместе с тем мы понимаем, что сегодня, когда ужесточаются требования к авиационной технике и резко обостряется борьба за рынки новых технологий, необходимы принципиально новые подходы к созданию конструкционных материалов, которые могут гарантировать стабильный экономический рост страны и ее безопасность. Очевидно эти принципы будут определять стратегию научного поиска ВИАМ в ближайшей перспективе.