Металлы для советских самолетов

Начать следует с предыстории. На стыке XIX и XX веков у немецких инженеров появилась идея о применении в авиации алюминия. Несколько десятилетий ученые из Германии пытались разработать технологию плавления алюминиевых сплавов. С появлением первого дюраля была решена главная основополагающая проблема алюминия - чрезмерная прочность. Но пластичность, легкость были сохранены. Впервые сплав задействовал в дирижаблях Фердинанд Цеппелин.

Дореволюционная Россия не имела собственного производства алюминия. Металл импортировался, хотя первые попытки по его выпуску были предприняты Латунного предприятии Кольчугина и Артиллерийском заводе Петербурга.

После прихода советской власти в стране начали исследовать "крылатые металлы". В начале 20-х годов прошлого века институт ВИАМ разработал сплав, состоящий из алюминия и меди с минимальным содержанием магния. Далее разработки продолжались в течение десятилетий. Создавались пластичные, прочные материалы, которые устойчивы к коррозии. В 1932 году ученый А.А. Бочвар создал теорию рекристаллизации. С помощью нее был получен легкий и прочный алюминиевый сплав, отличавшийся:

повышенной тепловой и электрической проводимостью;
устойчивостью к влаге и воздействию ультрафиолета;
простотой в обработке (штамповке, резке, ковке).

Каждый советский самолет соответствовал строгим стандартам качества, этому способствовала развитая металлургия. Великая Отечественная война заставила инженеров страны изменить подход к производству материалов. К началу первых сражений в СССР была несколько заводов по выпуску алюминиевых сплавов:

Ступинский (Московская область);
Кунцевский (Москва);
Ленинградский.

Также легкие сплавы производились в Орле, Кременчуге и рядом с Верх-Нейвинском. Из выпускаемого дюралюминия производились не только авиационные винты, но и даже цельнометаллические самолеты. В стране была сформирована полноценная производственная база. Особого внимания удостоился завод во Владимирской области, в небольшом пункте Кольчугино. Здесь производился гофрированный материал, обладающий повышенной прочностью.

Но для самолетов потребовались материалы с более высокими характеристиками. Понимая это, советские ученые разработали сплав Д-12, который использовался в самолетостроении вплоть до середины 80-х годов. В составе имеется медь, а также немного марганца и магния. Из получившегося материала модно было делать любые части самолета, к примеру, крылья, силовой набор, обшивку.

В 1941 году производства алюминиевого сплава на территории СССР существенно сократилось. Стране потребовалось время на переброску предприятий на восток. Можно было использовать цветные сплавы, но это сделало бы производство самолетов нерентабельным. В определенный промежуток времени дюралюминия осталось так мало, что пришлось производить кабины, хвосты и фюзеляж пришлось производить из древесины. Но со временем ситуация стала улучшаться.

Какие изменения произошли после войны?

ВИАМ продолжил заниматься разработкой новых сплавов. Самолетостроение - отрасль, которая в период Холодной войны начала стремительным образом развиваться. Но новые военные самолеты требовали прочных материалов, выдерживающих высокие нагрузки.

Очередной научный прорыв советскими учеными был совершен в середине 50-х годов. Тогда ведущий академик Фридляндер вместе со своей группой создал теорию легирования сплавов. Введение в определенных пропорциях магния и меди цинка позволило повысить прочность материала. Но материалы имели еще один недостаток - слабую стойкость к коррозии. Он был решен с помощью искусственного старения (этап включает 2 ступени).

Конечно, только выпущенный сплав не сразу получил признание в отрасли. В 50-е же годы Туполев занимался созданием нового идеального пассажирского лайнера (он получил наименование Ту-154). Но проект никак не вписывался в заявленные характеристики. Самолет получался чересчур тяжелым. Тогда Туполев обратился к Фридляндеру за помощью.

Тот же предложил ему свой новый сплав В-95. Он отлично подошел для прессованных панелей, верхней поверхности крыла. Это позволило снизить вес нового самолета до нужных значений. Далее будут перечислены особенности сплава.

Крайне высокая прочность. Его можно использовать даже в космической отрасли.
Свежезакаленный материал легко поддается сложной обработке.
Сплав имеет отличную защиту от коррозии.

В процессе эксплуатации крыло самолета подвергается неравномерным нагрузкам. Если в верхней части оно она работает на сжатие, то снизу - на растяжение. Самолеты продолжали производить из дуралюмина Д-16, выделяющего повышенной пластичностью и прочностью. При этом, материал модифицировался. Пассажирские транспортные самолеты стали крайне надежными.

Какие еще металлы и сплавы использовались в отечественном самолетостроении?

Титан, подобно алюминию, также заслуживает звание "небесного" или "крылатого" материала. Лаборатория титановых сплавов была основана в 1951 году профессором С. Г. Глазуновым. Он соорудил оборудование для литья титана и создал первый сплав на основе этого материала. Вторая аналогичная установка была построена ВИАМом в специализированном институте, и ученые вместе внедряли новейшие технологические процессы на металлургическом комбинате, расположенном в Верхней Салде. Сегодня он является главных изготовителей титановой продукции в стране.

Во времена СССР комбинат производил более 100 тысяч тонн подобной продукции. После распада СССР объем сократился более чем на 50%. Новому руководителю предприятия Тютюхину понадобилось приложить колоссальные усилия, чтобы не допустить критической ситуации. Завод начал подниматься после огромного спада поставок. На данный момент выпуск титановой продукции доходит до 25 тысяч тонн в год. Большая часть продукции (около 80%) поставляется в другие государства по заказам передовых самолетостроительных организаций. В связи с возрождением авиационной промышленности в России возникла потребность в создании альтернативного производства.

Для столь крупного предприятия, каким является рассматриваемый комбинат, невыгодно производить малые партии продукции. Однако объемы заказов отечественных авиапроизводителей на данный момент невелики - не более 5 тонн, а период производства крайне длительный и достигает года. Такое производство может быть реализовано на базе ВИАМа, ВИЛСа и комбината в Ступино, где и происходит переработка слитков, которые получают из Верхней Салды. В ВИАМе было разработано более пятидесяти титановых сплавов, отличающихся по назначению, из которых на данный момент серийно задействуется около 60%. Процент титановых сплавов в самолетах варьируется от 4 до 10-12%, в зависимости от типа и назначения. Отличающиеся высокой прочностью сплавы из титана, например ВТ-22, используются уже более четверти века для создания шасси Ил-76 и Ил-86. В западных странах такие сложные и массивные детали начали делать из титана относительно недавно. В ракетной технике доля титана значительно выше - до 30%. Разработанные в ВИАМе технологичные сплавы ВТ-32 и ВТ-35 очень пластичны в отожженном состоянии. Из них можно создавать сложные компоненты, которые после искусственного старения приобретают повышенную прочность. Когда в начале 1970-х годов в Центральном конструкторском бюро имени Туполева разрабатывался стратегический бомбардировщик модели Ту-160, на заводе "Опыт" в Москве был создан обособленный цех для производства деталей центроплана из титана. Эти самолеты все еще находятся в эксплуатации, хотя в России осталась всего одна полноценная эскадрилья.

Практически каждый вертолет в СССР производился с использованием сплава АВ. Он представляет собой сочетание Al-Mg-Si. Немного более простой вариант - АД33. Он более стойкий к коррозии, но имеет меньшую механическую прочность. Авиация располагалась всеми необходимыми материалами. При этом, непрерывно велась разработка новых.

Современные материалы, которые используются в отрасли

Нынешние истребители, вертолеты и самолеты должны соответствовать самым актуальным стандартам. Они ведут воздушные бои повышенной интенсивности. ВИАМ сыграл ключевую роль в развитии авиастроения, став пионером в создании различных сплавов и материалов, которые успешно применяются и в настоящее время. В 1960-х годах были разработаны алюминиево-литиевые материалы с низкой плотностью. Они отличаются легким весом и могут быть сварены, что позволяет уменьшить количество болтовых и заклёпочных креплений в конструкции и значительно облегчить вес летательного аппарата. После войны наладился выпуск титановые сплавы, которые применяются для изготовления сложных и мощных сварных деталей самолетов, таких как:

шасси для грузовых авиалайнеров;
фюзеляжей;
прецизионных приборов.

В авиации также нашли применение сплавы, содержащие алюминий и бериллий, которые имеют более высокий модуль упругости по сравнению со сталью. Также в авиастроительстве задействуются алюмостеклопластики, такие как сиал. Этот материал является особенно интересным для инженеров, поскольку благодаря слоистой структуре трещина в нём развивается существенно медленнее, чем в металлоконструкциях. Задействование композиционных материалов, в частности углепластиков, является одним из главных направлений развития авиастроения. Эти материалы отличаются небольшим весом, повышенной прочностью, превосходным ресурсом и механическими характеристиками при эксплуатации. Сейчас все больше и больше металлических деталей в самолетах заменяются углепластиком.