- Статьи
- Наука и техника
- Алюминиевые образцы: ученые создадут из лома высокопрочные детали для самолетов
Алюминиевые образцы: ученые создадут из лома высокопрочные детали для самолетов
Российские ученые разработали сплав нового поколения, который найдет применение в авиации. Он представляет собой соединение, которое, кроме алюминия, включает в себя железо, кальций и медь. За счет этого промышленность получит возможность производить детали из лома, что удешевит стоимость готовых изделий. Полученный материал может применяться для изготовления панелей обшивки, а также для 3D-печати сложных деталей. Также он перспективен для применения в машиностроении и других высокотехнологичных отраслях, отмечают эксперты.
Как ученые получили более прочный материал
Ученые из университета науки и технологий МИСИС создали сплав для самолетов будущего. Он представляет собой четырехкомпонентное соединение, которое, кроме алюминия — традиционного авиационного металла, включает в себя железо, кальций и медь. Об этом рассказали в пресс-службе Минобрнауки РФ.
Особенность внутренней структуры сплава — в аккуратной кристаллической решетке, в которой отдельные атомы плотно упакованы друг с другом. Это дает возможность создавать заготовки без трещин и иных дефектов. Кроме того, в нем подавлено вредное влияние примесей железа. Этот элемент вместо того, чтобы портить материал, делая его ломким, объединяясь с другими добавками, образует особые прочные частицы, которые, наоборот, укрепляют весь сплав.
В результате новый материал легко прокатывается в листы, не трескается при высокой температуре и после специальной обработки становится очень твердым.
— Железо — неизбежный компонент в алюминиевых сплавах. Оно может попадать в него как из первичного алюминия, так и в процессе изготовления переработки вторичного сырья. Когда в сплаве появляется железо, оно образует острые, игольчатые кристаллы, которые делают металл хрупким. Добавление кальция формирует особую эвтектическую фазу (равномерную однообразную смесь. — «Известия») и обеспечивает устойчивую структуру, — пояснил один из разработчиков, доктор технических наук, старший научный сотрудник кафедры обработки металлов давлением НИТУ МИСИС Торгом Акопян.
Старший научный сотрудник кафедры обработки металлов давлением НИТУ МИСИС Торгом Акопян
Как объяснили ученые, в результате полученный материал сочетает в себе легкость и прочность, которая характерна для авиаконструкций. Это делает сплав перспективным для изготовления обшивочных панелей летательных аппаратов. Кроме того, новое соединение при застывании образует равномерную, без внутренних напряжений и трещин структуру. Благодаря чему разработка подходит для применения в процессах 3D-печати сложных деталей.
Авиационный сплав нового поколения
По словам разработчиков, новый материал может заменить АК4-1 — классический жаропрочный деформируемый сплав, который уже в течение нескольких десятилетий используют в авиационной и космической промышленности.
— Основной недостаток традиционного сплава — необходимость использования дорогостоящей добавки никеля в относительно больших количествах. В новой разработке в качестве альтернативы использована добавка гораздо более дешевого и легкого элемента — кальция в совокупности с железом, который также присутствует и в промышленном сплаве, — пояснил Торгом Акопян.
Он добавил, что строгое ограничение концентрации железа в первичном алюминии приводит к высокой стоимости материала. Это так называемый алюминий высокой чистоты. Предложенная же формула позволяет задействовать для изготовления авиационных изделий алюминий технической чистоты, а также металл, полученный в процессе переработки лома и отходов.
Главный научный сотрудник кафедры обработки металлов давлением НИТУ МИСИС Николай Белов
Вместе с тем, как отметил один из разработчиков, доктор технических наук, главный научный сотрудник кафедры обработки металлов давлением НИТУ МИСИС Николай Белов, однородная структура нового сплава предотвращает появление трещин при 3D-печати больших деталей.
— Новый материал содержит в структуре достаточно большое количество составляющей под названием «эвтектика», он может быть перспективен для технологий 3D-печати, основанных на появлении жидкой фазы. Мы ожидаем, что формирующаяся в процессе 3D-печати тонкая структура эвтектики позволит достичь как высокой технологичности материала при изготовлении изделий данным методом, так и высоких механических характеристик (прочность, износостойкость и т.д.) готового изделия, — пояснил специалист.
Внедрение в производство
При внедрении на промышленные предприятия разработка позволит существенно удешевить производство, считают эксперты. Кроме авиации, предложенный материал также перспективен в машиностроении и других высокотехнологичных отраслях.
В дальнейшем ученые планируют добавить в состав сплава марганец, кремний и микродобавку циркония. Это улучшит устойчивость материала к экстремальным температурам и образованию коррозии.
— Предложенная разработка — сплав нового поколения, поскольку традиционно кальций в алюминиевых сплавах считался вредной примесью, и стандарты строго ограничивали его содержание. Однако сейчас ученые рассматривают целенаправленное добавление этого элемента как способ создания принципиально новых материалов, — объяснил «Известиям» ведущий научный сотрудник Института цветных металлов и материаловедения Сибирского федерального университета Александр Безруких.
В частности, кальций позволяет модифицировать структуру сплава, делая ее более мелкозернистой и однородной. А также он позволяет связывать вредные примеси (например, тоже железо), что предотвращает образование хрупких частиц и улучшает пластичность, отметил специалист.
В настоящее время производство авиаконструкций из лома не распространено, но разработка ученых, возможно, позволит шагнуть в этом направлении. Вовлечение лома в производственный цикл удешевит стоимость готовых изделий.
— Проблема хрупкости, особенно для материалов аэрокосмического назначения, сохраняет свою актуальность. При этом повышение трещиностойкости должно быть неразрывно связано с сохранением или улучшением других ключевых свойств материала, например, прочности, — поделился мнением начальник лаборатории «Моделирование композиционных материалов и конструкций» передовой инженерной школы МАИ Николай Турбин.
Вместе с тем необходимо понимать: для допуска материала к применению в ответственных конструкциях в обязательном порядке проводят так называемую специальную квалификацию, подчеркнул он. В ее рамках устанавливают принципиальную пригодность материала-кандидата для работы в предельных эксплуатационных условиях — под воздействием заданных температур, влажности и других факторов.
При этом разработка и внедрение нового материала всегда дороже, чем проектирование самой конструкции. Это связано с необходимостью проведения огромного комплекса испытаний, отработки технологических процессов и создания полного пакета конструкторской и технологической документации, добавил он.
