материалы для авиационных конструкций Приступая к

материалы для авиационных конструкций

Приступая к проектированию конструкции самолёта, прежде всего, надо выбрать материал или группу материалов, из которых будут созданы основные силовые элементы. Как правило в современных усло- виях жестокой конкуренции, новый самолёт, превосходящий по своим характеристикам имеющиеся на сегодня типы самолётов, предполагает использование более совершенных материалов, чем на пред- шественниках. Слава Богу, разработчики материалов не спят и усиленно продвигаются вперёд. Наука о материалах – авиационное материаловедение для каждого следующего поколения самолётов готовит либо улучшенные старые, либо совершенно новые материалы. Стадии применения материалов для самолётов: 1. Дерево и шёлковые ткани, стальные трубы 2. Чистый алюминий, стальные трубы и профили. 3. Сплавы алюминия с медью – дюралюмины, магниевые сплавы, легированные стали. 4. Сплавы алюминия с цинком – высокопрочные материалы, Высокопрочные и нержавеющие стали. 5. Сплавы алюминия с литием – облегчённый алюминиевый сплав, Титановые сплавы. 6. Композиционные материалы – стеклопластики, боропластики, углепластики и органопластики. На сегодняшний день алюминиевые сплавы уже исчерпали резервы улучшения и основное внимание материаловеды уделяют усовершенствованию композиционных материалов. Перспективы у композитов ещё очень и очень большие и им есть куда развиваться. Приступая к выбору материала, конструктор интересуется, прежде всего, его пределом прочности σв и одновременно его удельным весом или плотностью материала. Желательно, чтобы прочность была максимальной, а вес минимальный. Именно так можно добиться высокого весового совершенства конструкции самолёта. Но одной прочности недостаточно. Важно знать предел пропорциональности, предел текучести материала, его модуль упругости, максимальное удлинение и коэффициент Пуассона, характеристики усталостной прочности и трещиностойкости. Немалое значение имеет стоимость материала и его технологические характеристики – стоимость обработки резанием, возможность прессования, свариваемость, штампуемость, возможность закаливания и требования к хранению.

Важнейшие свойства материалов • Статическая прочность – Растяжение, сжатие, сдвиг • Долговечность – Сопротивление усталости • Устойчивость к повреждениям – Остаточная прочность (критический размер трещины), – скорость роста трещины • Устойчивость к условиям эксплуатации, коррозионная стойкость – Точечная или межслоевая коррозия, коррозия под напряжением • Вес/стоимость – Плотность, стоимость материала, стоимость производства

Доля конструкционных материалов для пассажирских самолетов (по весу) Материалы, применяемые в конструкции самолета Boeing 787 Dreamliner

Критические параметры для кессона крыла Upper Wing Skin • Compression Strength Upper Wing Stringers • Damage Tolerance • Compression Strength • Corrosion resistance Lower Wing Stringers Lower Wing Skin • Fatigue • Damage Tolerance • Tension Strength

Конструкция фюзеляжа Pressurized Skins • Fatigue • Damage tolerance • Corrosion resistance Stringers • Fatigue • Compression Strength Frames • Fatigue • Stiffness • Compression Strength

Отчего зависят свойства? Базовые характеристики Микроструктура Статика • Растяжение Усталость • Сжатие • Сдвиг Сплав ть ос Ви йк д по то лу ос ф рм аб живучесть ри те • вязкость ка та • Рост трещин Коррозионная стойкость • Коррозия под напряжением • расслоение • очаговая

Виды полуфабрикатов прокат • листы и плиты • профили • стержни, прутки, проволока прессование • профили и прутки волочение Литье в форму • трубы и проволока ковка • поковки • глубокая штамповка

Литьё • В песчаную форму Risers Выпор Cope • По выплавляем Sprue ым моделям Drag Flask Песчаная Core вставка • В кокиль литок деталь

Переработка сплавов листы и плиты заливка Термическая обдирка прокат гомогенизация Проверка, упаковка отгрузка Снятие остаточных напряжений Искусственное старение закалка Thermo-mechanical work produces enhanced properties and consistency of product

Последствия переработки сплавов, направленность свойств • Свойства в основном изометрические, но различие может наблюдаться от ориентировки зерна, от формы полуфабриката и от семейства сплавов Прессованные профили Листы, плиты, Глубокая штамповка прутки Стержни, профили

Алюминиевые сплавы Характеристики • легкость • Можно получать очень высокую прочность (до 60 кг/кв. мм) • Технологичность, мех. обработка, штамповка, прессование, формование • Может обладать высокой коррозионной стойкостью • электропроводность • Относительно низкая стоимость (сырого материала и обработки)

Алюминиевые сплавы Wrought (обработанные) Семейства алюминиевых сплавов Alloy Family Major Alloying Element 1 XXX Unalloyed aluminum Чистый алюминий Д 16, 1163 2 XXX Copper АМц 3 XXX Manganese Марганец 4 XXX Silicon 5 XXX Magnesium АМГ 6 XXX Magnesium and silicon 7 XXX Zinc В 95

Алюминиевые сплавы Специфические свойства • Al-Cu сплавы –Heat treatable закаливаемые –High static and fatigue strength-высокая статическая и усталостная прочность –Good damage tolerance properties (fracture toughness, crack growth) живучесть, трещиностойкость • Al-Zn сплавы –Heat treatable закаливаемые –Very high static strength –очень высокая статическая прочность –Good fatigue strength удовлетворительная усталостная прочность –Good corrosion resistance with overaged tempers (-T 7 X) хорошая коррозионная стойкость(особенно после перестаривания)

Алюминиевые сплавы Alloy & Temper Designations наименование и обозначение термообработки В 95 оч-Т 2 Обозначение материала термообработки

Aluminum Alloys Alloy & Temper Designations наименование и обозначение термообработки 7075 -T 6 Material Temper designation 7150 -T 77511 7055 -T 7751 2524 -T 3 2324 -T 39

Алюминиевые сплавы Американские обозначения режимов термообработки • T 3 Нагрев, холодная обработка, естественное старение • T 4 Нагрев, естественное старение • T 6 Нагрев, искусственное старение (peak aged) • T 73 Нагрев, искусственное перестаривание (для повышения коррозионной стойкости • T 81 Искусственное старение после. T 3

Алюминиевые сплавы Российские обозначения режимов термообработки • T 1 Нагрев, холодная обработка, естественное старение • T 2 Нагрев, искусственное старение (peak aged) • T 3 Нагрев, искусственное перестаривание (для повышения коррозионной стойкости)

Алюминиевые сплавы –Виды коррозии Очаговая коррозия вокруг отверстия Расслаивающая коррозия

Алюминиевые сплавы Влияние термообработки Peak Aged Temper Over-aged Temper Выводы теории межзерновой коррозии – Первичная коррозия возникает из-за разности электрохимических потенциалов на границе зерен - Перестаривание снижает разность потенциалов и тем самым повышает коррозионную стойкость на границах зерен

Алюминиевые сплавы Коррозионная стойкость-зависимость от направления зерен в полуфабрикате ST LT

Алюминиевые сплавы Applications on 777 Upper Wing Skins 7055 -T 7751 Fuselage Stringers 7150 -T 77511 • Comp. Strength • Shear Strength • Fatigue • Corrosion Resistance • Stiffness • Damage Tolerance • Corrosion resistance Fuselage Skins 2524 -T 3 • Fatigue • Damage Tolerance Lower Wing • Tension Strength • Shear Strength • Fatigue • Damage Tolerance 2324 -T 39

Стали Общие характеристики • Для высоконагруженных и ограниченных в объеме деталей • Модуль в 3 раза больше, чем для алюминия, и примерно в 2 раза больше, чем у титана • Наивысшая прочность среди металлов – до 275 -300 KSI -190 -210 кг/кв. мм (легированные стали) • Нержавеющие стали (CRES) обладают отличной коррозионной стойкостью • Высокопрочные стали крайне чувствительны к технологии и требуют защиты от коррозии в эксплуатации – В процессе производства и в ходе эксплуатации требуются спец мероприятия очень дорогостоящие по сравнению с нержавеющими сталями

Стали Classification • Carbon steels углеродистые стали • Alloy steels легированные стали • Ultra-high-strength steels сверхпрочные стали • Stainless steels – нержавеющие стали

Углеродистые стали Обозначение материала 4340 Главные легирующие элементы (Ni, Cr, Mo) Процент углерода (0. 40)% 30 ХГСА %углерода, хрома, марганца, кремния 40 ХНМА %углерода, хрома, никеля, молибдена

стали специфические свойства • Сверхпрочность сталей – Закалка до 275 -300 KSI(190 -210 кг/кв. мм) – Специальные марки сталей. – Пониженная ударная вязкость за исключением некоторых специальных сортов, имеющих повышенную ударную вязкость и температуростойкость – Высокая усталостная прочность – Низкая коррозионная стойкость – требуется особая защита поверхности – Чувствительность к качеству производственного процесса • Ударные повреждения(производство и эксплуатация) • Чувствительность к наводораживанию

стали специфические свойства • Нержавеющие стали –Закалка до 240 -260 KSI –Высокая статическая и усталостная прочность –Пониженная ударная вязкость –Хорошая коррозионная стойкость, необходимо лишь гальваническое протравливание – уменьшенная чувствительность к качеству производственного процесса, по отношению к высокопрочным сталям

Чувствительность к ударным повреждениям& Стали появление трещин • Высокопрочные стали – 4340 M, 4330 M • Высокая термостойкость сплавов с улучшенной ударной вязкостью 9 Ni-4 Co-0. 3 C Custom 465 CRES Nickel Alloy 718

стали Чувствительность к коррозии • Стали, в том числе высокопрочные • Поверхностная защита может истираться, после чего возможна потеря материала • Значительная стоимость сборки, чувствительная для потребителей • Нержавеющие стали снимают большинство проблем

стали Валы и Использование на 777 оси Пилон Fuse Pins CRES • Strength Mod. Temp. Strut Structure 15 -5 PH • Corrosion Resistance • Strength CRES • Fatigue • Mod. Temp Resistance 180 -200 KSI 15 -5 PH • Fatigue • Corrosion Resistance 180 -200 KSI Балка шасси подкосы MLG Beam Stabilization Brace • Strength • Corrosion Resistance Alloy Steel 4340 M CRES 275 -300 KSI Landing Gear Cylinders Custom 465 • Strength • Stiffness Цилиндры шасси 240 -260 KSI • Fatigue

Typical Ferrous Alloy Application Midspar fitting, aft engine mount Inboard flap linkages Main landing gear Slat tracks Стойка главного рельсы шасси Nose landing gear предкрылка носовое шасси

Титановые сплавы Главные свойства • Высокая прочность при небольшом весе • Плотность 60% от стали • Высокая стойкость к коррозии • Повышенная термостойкость • Более дорогой, чем сплавы алюминия или железа • Требуется защитное покрытие для повышения износостойкости

Титановые сплавы Специфические свойства альфа сплавов и приближающихся к ним в основном не закаливаются – Средняя прочность (up to 130 KSI) – Отличная коррозионная стойкость – Трещиностойкость

Титановые сплавы Специфические свойства Beta сплавов • высокая прочность (up to 170 KSI) и низкая плотность всех титановых сплавов – Lower ductility and toughness-хрупкое поведение – Excellent corrosion resistance – Can possess good formability

Титановые сплавы Специфические свойства • Альфа-бета сплавы –Может быть применена термообработка для : • Максимальной прочности (160 KSI) – STA • живучести – BA • Прочности/надежности - MA –Прекрасная коррозионная стойкость –Более низкие температуро- и трещиностойкость, чем Альфа сплавы

Титановые сплавы Применение в конструкции 777 Alpha-Beta Alloy Ti-6 Al-4 V (ELI) Near Alpha Alloy Пилон Фитинги стабилизатора BA Ti-6 Al-2 Sn-4 Zr-2 Mo • Temp. Resistance • Damage Tolerance MA • Strength to Weight • Corrosion Resistance • Fatigue • Corrosion Resistance • Creep Resistance Противопожарная перегородка Фитинги основного шасси Beta Alloy • Strength to Weight • Temp. Resistance Ti-10 V-2 Fe-3 Al • Corrosion Resistance STA • Fatigue Alpha Alloy Ti-C. P MA

Typical Titanium Alloy • Core cowl and thrust Application Inboard flap support reverser hinge fittings links (2 places) • Precooler hinge fittings • Forward upper link fitting (GE engine only) Elevator actuator fittings (3 places) APU firewall Windowsill and posts Outboard flap support links (4 places) Hydraulic tubing Main landing gear-actuator support fitting (2 places) • Forward landing-gear trunnion bearing housing • Springs

Заключение Главное при выборе металла: • Понимание важнейших требований для проектной детали • Понимание базовых характеристик/общих признаков для всех металлов • Понимание общих признаков, которые позволяют различать семейства сплавов • Различия, базирующиеся на составе сплава, закаливаемости, формах полуфабрикатов внутри семейства • Использование опыта эксплуатации

Задачи раздела: 1. Получить базовое представление о ключевых параметрах выбора материалов 2. Понять какие свойства металлов являются критическими 3. Понять, что отличает одно семейство от другого и где какое семейство предпочтительней в том или ином месте авиаконструкции 4 Понять сбалансированное сочетание свойств, которое важно для прoектирования авиаконструкции 5. Физические свойства – плотность, модуль и т. д. механические свойства с учетом условий применения- - статическая прочность, долговечность, сопротивляемость развитию трещин и развитию коррозии 6. Разобраться, что есть первичные и вторичные элементы конструкции 7. Влияние условий поставки допускаемые характеристики 8. Учёт стоимости деталей 9. Различия внутри семейств на основе состава сплава, его термообработки и вида полуфабриката. 10. Учёт опыта по применению различных материалов

Алюминиевые сплавы Heat Treatment Terms 1, 000 50 min. закалка 910 -930 отжиг 2 hr Temperature (°F) 750 -760 6 hr 500 (furnace cooled) старение Room temperature 96 hr O condition W condition T 4 condition охлаждение Time

стали Высокотемпературная термообработка 1100 0. 5 -2. 5 hr 1000 -1100 Temperature (°С) 1. 5 -3. 0 hr 600 -700 2. 0 -4. 0 hr 350 -600 Room temperature нормализация отжиг аустенизация 1 -я закалка 2 -я закалка Time