Aluminium lotnicze: charakterystyka

2025 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2025-01-24 13:23

Ze względu na swoją lekkość, ciągliwość i odporność na korozję, aluminium stało się niezbędnym materiałem w wielu gałęziach przemysłu. Aluminium lotnicze to grupa stopów charakteryzujących się podwyższoną wytrzymałością z dodatkiem magnezu, krzemu, miedzi i manganu. Dodatkowa wytrzymałość jest nadawana stopowi za pomocą tzw. "efekt starzenia" - specjalna metoda utwardzania pod wpływem agresywnego środowiska atmosferycznego przez długi czas. Stop został wynaleziony na początku XX wieku, zwany duraluminium, obecnie znany również jako „avial”.

Definicja. Wycieczka historyczna

Za początek historii lotniczych stopów aluminium uważa się rok 1909. Niemiecki inżynier metalurgiczny Alfred Wilm eksperymentalnie ustalił, że jeśli stop aluminium z niewielkim dodatkiem miedzi, manganu i magnezu po hartowaniu w temperaturze 500 ° C i szybkim schłodzeniu utrzymuje się w temperaturze 20-25 stopni przez 4-5 dni, stopniowo staje się twardszy i mocniejszy bez utraty ciągliwości. Procedura została nazwana „starzeniem” lub „dojrzewaniem”. W procesie takiego utwardzania atomy miedzi wypełniają sięwiele małych stref na granicach ziaren. Średnica atomu miedzi jest mniejsza niż aluminium, dlatego pojawia się naprężenie ściskające, w wyniku którego wzrasta wytrzymałość materiału.

Po raz pierwszy stop został opanowany w niemieckich fabrykach Dürener Metallwerken i otrzymał znak towarowy Dural, stąd nazwa „duraluminium”. Następnie amerykańscy metalurdzy R. Archer i V. Jafris poprawili skład, zmieniając zawartość procentową, głównie magnezu. Nowy stop został nazwany 2024, który jest szeroko stosowany w różnych modyfikacjach nawet teraz, a cała rodzina stopów nosi nazwę Avial. Stop ten otrzymał nazwę „aluminium lotnicze” niemal natychmiast po jego odkryciu, ponieważ całkowicie zastąpił drewno i metal w konstrukcjach lotniczych.

Główne typy i cechy

Istnieją trzy główne grupy:

• Rodziny aluminium-mangan (Al-Mn) i aluminium-magnez (Al-Mg). Główną cechą jest wysoka odporność na korozję, niewiele gorsza od czystego aluminium. Takie stopy dobrze nadają się do lutowania i spawania, ale są słabo cięte. Nieutwardzany przez obróbkę cieplną.
• Odporne na korozję stopy systemu aluminium-magnez-krzem (Al-Mg-Si). Utwardza się je poprzez obróbkę cieplną, czyli hartowanie w temperaturze 520°C, a następnie szybkie schładzanie wodą i naturalne starzenie przez około 10 dni. Charakterystyczną cechą tej grupy materiałów jest ich wysoka odporność na korozję podczas pracy w normalnych warunkach i pod naprężeniem.
• Strukturalne stopy aluminiowo-miedziowo-magnezowe (Al-Cu-Mg). Ich podstawą jest aluminium stopowe z miedzią, manganem i magnezem. Zmieniając proporcje pierwiastków stopowych, uzyskuje się aluminium lotnicze, którego właściwości mogą się różnić.

Materiały z ostatniej grupy mają dobre właściwości mechaniczne, ale są bardziej podatne na korozję niż pierwsza i druga rodzina stopów. Stopień podatności na korozję uzależniony jest od rodzaju obróbki powierzchni, którą należy jeszcze zabezpieczyć farbą lub anodowaniem. Odporność na korozję jest częściowo zwiększona przez wprowadzenie manganu do składu stopu.

Oprócz trzech głównych rodzajów stopów, istnieją również stopy kuźnicze, żaroodporne, wysokowytrzymałe strukturalne i inne, które mają właściwości niezbędne do konkretnego zastosowania.

Oznakowanie stopów lotniczych

W normach międzynarodowych pierwsza cyfra oznaczenia aluminium lotniczego wskazuje główne składniki stopowe stopu:

• 1000 - czyste aluminium.
• 2000 - duraluminium, stopy stopowe z miedzią. W pewnym okresie - najczęstszy stop lotniczy. Coraz częściej zastępowane przez stopy serii 7000 ze względu na wysoką podatność na pękanie korozyjne naprężeniowe.
• 3000 - pierwiastek stopowy - mangan.
• 4000 - pierwiastek stopowy - krzem. Stopy są również znane jako silumin.
• 5000 - pierwiastek stopowy - magnez.
• 6000 to najbardziej ciągliwe stopy. Pierwiastki stopowe to magnez i krzem. Może być utwardzony termicznie, aby zwiększyć wytrzymałość, ale toparametr jest gorszy od serii 2000 i 7000.
• 7000 - stopy utwardzane termicznie, najtrwalsze aluminium lotnicze. Głównymi pierwiastkami stopowymi są cynk i magnez.

Druga cyfra oznaczenia to numer seryjny modyfikacji stopu aluminium po oryginalnej - cyfra „0”. Ostatnie dwie cyfry to numer samego stopu, informacja o jego czystości przez zanieczyszczenia. Jeśli stop jest doświadczony, do oznaczenia dodawany jest piąty „X”.

Obecnie najczęściej spotykane gatunki aluminium lotniczego: 1100, 2014, 2017, 3003, 2024, 2219, 2025, 5052, 5056. Charakterystyczne cechy tych stopów to: lekkość, ciągliwość, dobra wytrzymałość, odporność na tarcie, korozja i duże obciążenia. W przemyśle lotniczym najczęściej stosowanymi stopami są aluminium lotnicze 6061 i 7075.

Skład

Głównymi pierwiastkami stopowymi aluminium lotniczego są: miedź, magnez, krzem, mangan, cynk. Procent wagowy tych pierwiastków w stopie określają takie cechy jak wytrzymałość, elastyczność, odporność na naprężenia mechaniczne itp. Podstawą stopu jest aluminium, głównymi pierwiastkami stopowymi są miedź (2,2-5,2% wagowo), magnez (0,2-2,7%) i mangan (0,2-1%).

Rodzina lotniczych stopów aluminium z krzemem (4-13% wagowo) z niewielką zawartością innych pierwiastków stopowych - miedzi, manganu, magnezu, cynku, tytanu, berylu. Służy do wykonywania skomplikowanych części, znanych również jako silumin lub odlewany stop aluminium. rodzina stopów aluminiowo-magnezowych(1-13% masy) wraz z innymi elementami mają wysoką ciągliwość i odporność na korozję.

Rola miedzi w aluminium lotniczym

Obecność miedzi w składzie stopu lotniczego przyczynia się do jego utwardzenia, ale jednocześnie ma zły wpływ na jego odporność na korozję. Miedź wypadająca na granicach ziaren podczas procesu hartowania sprawia, że stop jest podatny na wżery, korozję naprężeniową i korozję międzykrystaliczną. Obszary bogate w miedź są bardziej galwanicznie katodowe niż otaczająca je osnowa aluminiowa i dlatego są bardziej podatne na korozję galwaniczną. Wzrost zawartości miedzi w masie stopu do 12% zwiększa właściwości wytrzymałościowe dzięki wzmocnieniu dyspersji podczas starzenia. Przy zawartości miedzi powyżej 12% stop staje się kruchy.

Obszary zastosowań

Stopy aluminium są najbardziej poszukiwanym metalem na sprzedaż. Niewielka waga aluminium lotniczego i jego wytrzymałość sprawiają, że stop ten jest dobrym wyborem dla wielu branż, od samolotów po artykuły gospodarstwa domowego (telefony komórkowe, słuchawki, latarki). Stopy aluminium są stosowane w przemyśle stoczniowym, motoryzacyjnym, budowlanym, kolejowym i nuklearnym.

Szeroko poszukiwane są stopy o umiarkowanej zawartości miedzi (2014, 2024 itd.). Profile wykonane z tych stopów charakteryzują się wysoką odpornością na korozję, dobrą skrawalnością i spawalnością punktową. Służą do wykonywania krytycznych konstrukcji dla samolotów, ciężkich pojazdów, sprzętu wojskowego.

Cechy połączeń z aluminium lotniczego

Spawanie stopów lotniczych odbywa się wyłącznie w środowisku ochronnym gazów obojętnych. Korzystnymi gazami są: hel, argon lub ich mieszanina. Hel ma wyższą przewodność cieplną. Decyduje to o korzystniejszych wskaźnikach temperatury środowiska spawania, co umożliwia dość wygodne łączenie grubościennych elementów konstrukcyjnych. Zastosowanie mieszaniny gazów ochronnych przyczynia się do pełniejszego usuwania gazu. W takim przypadku prawdopodobieństwo powstawania porów w spoinie jest znacznie zmniejszone.

Zastosowania lotnicze

Stopy aluminium lotniczego zostały pierwotnie stworzone specjalnie do budowy sprzętu lotniczego. Z nich wykonane są kadłuby samolotów, części silników, podwozia, zbiorniki paliwa, elementy złączne itp. We wnętrzu kabiny zastosowano lotnicze części aluminiowe.

Stopy aluminium serii 2xxx są używane do produkcji części narażonych na działanie wysokich temperatur. Części jednostek lekko obciążonych, układów paliwowych, hydraulicznych i olejowych wykonane są ze stopów 3xxx, 5xxx i 6xxx. Alloy 7075 znalazł najszersze zastosowanie w przemyśle lotniczym. Wykonywane są z niego elementy do pracy pod dużym obciążeniem, w niskich temperaturach z wysoką odpornością na korozję. Podstawą stopu jest aluminium, a głównymi pierwiastkami stopowymi są magnez, cynk i miedź. Profile mocy konstrukcji lotniczych, z których wykonane są elementy poszycia.