Опыт применения полуфабрикатов из алюминиево-бериллиевых сплавов в экспериментальных конструкциях (обзор)

Введение

Для обеспечения высокой жесткости конструкций, изготовляемых из промышленных легких высокопрочных сплавов, необходимо значительно увеличить их толщину и, следовательно, существенно утяжелить.

В этом случае выгодно использовать легкие высокомодульные сплавы типа АБМ, которые благодаря удачному сочетанию свойств, высокой надежности и значительной весовой эффективности позволяют создавать жесткие и легкие конструкции. Использование этих материалов наиболее целесообразно и экономически оправдано в таких областях техники, как ракетно-космическая, авиационная, телескопы и оптические системы.

В 60–80 гг. ХХ века в СССР под руководством акад. И.Н. Фридляндера и д.т.н. К.П. Яценко созданы высокомодульные деформируемые свариваемые конструкционные сплавы системы Al–Be–Mg на двухфазной алюминиево-бериллиевой основе. При разработке и исследованиях сплавов установлен механизм действия легирующих элементов, вызывающих аномальный рост модуля упругости при одновременном повышении прочности и пластичности сплавов, получивший статус открытия. Разработанные сплавы алюминия с бериллием не только лишены главного недостатка бериллия – хрупкости, но и выгодно отличаются от промышленных алюминиевых сплавов более высокими модулем упругости, усталостной прочностью и меньшей скоростью роста усталостных трещин [1–4].

В США алюминиево-бериллиевые сплавы были созданы методами порошковой металлургии. Эти сплавы первоначально разрабатывали для фирмы Lockheed и назывались Lockalloy, а ныне они известны под торговой маркой AlBeMet.

Преимущества сплавов системы Al–Be–Mg (AБМ) перед алюминиевыми сплавами вызвали большой интерес у конструкторов авиационной и космической техники. Наибольшее применение получил сплав АБМ1 (Al–30Be–5Mg). Работы по освоению технологий производства полуфабрикатов (слитки, листы, прутки, трубы) из сплавов типа АБМ первоначально начаты в ВИАМ и были продолжены в ВИЛС, ЦНИИМВ, Ульбинском металлургическом заводе (УМЗ, г. Усть-Каменогорск).

Особенности создания конструкций из высокомодульных сплавов типа АБМ нашли отражение при разработке рекомендаций, промышленных технологий и инструкций по их применению, гигиене труда и технике безопасности при работе с бериллиевыми сплавами. В ВИАМ разработана производственная инструкция по применению высокомодульных сплавов системы Al–Be–Mg и изготовлению изделий из них [5].

В 1978 г. были начаты работы по бериллиевым сплавам, расширению производства и изготовлению изделий из сплавов типа AБМ под научным руководством акад. И.Н. Фридляндера и д.т.н. К.П. Яценко в введенном в эксплуатацию Воскресенском филиале ВИАМ с целью внедрения их в изделия авиационной и космической техники.

Были поставлены задачи по увеличению массы слитков из сплавов типа АБМ до 80–100 кг для изготовления крупногабаритных листов, по получению деформированных полуфабрикатов (профили стесненного изгиба), а также по разработке технологий сварки (ААрДС, ТКС, ЭЛС) и антикоррозионных защитных покрытий, которые решали совместно с головными лабораториями ВИАМ. Проводили также анализ и изучение опыта предприятий (ВИЛС, ЦНИИМВ, УМЗ), работавших по этой тематике [6–8].

Рис. 1. Отсек из сплава АБМ1, изготовленный для КБ им. А.С. Яковлева

Совместно с киевским КБ им. О.К. Антонова в Воскресенском филиале ВИАМ были проведены экспериментальные работы по изготовлению обшивки интерцептора крыла из сплава АБМ1 для самолета АН-72. Совместно с КБ им. А.С. Яковлева был создан отсек фюзеляжа из этого же сплава для проведения испытаний (рис. 1). В ЦНИИМВ (ныне ОАО «Композит») были изготовлены сварные конструкции из труб (сплавы типа АБМ), используемые в КБ им. С.А. Лавочкина для изготовления кронштейнов солнечных батарей космических аппаратов серий «Венера» (с 5 по 16) и «Вега» (рис. 2). Применение сплава АБМ1 рассматривали в Институте космических исследований – при разработке конструкции наземного радиотелескопа и во ФГУП ГКНПЦ им. М.В. Хруничева – при создании разгонного блока «Бриз» для вывода полезного груза на геостационарную орбиту ракетой-носителем «Протон».

Рис. 2. Кронштейны солнечных батарей КА «Венера» и «Вега»,

изготовленные в ОАО «Композит»

При создании ВКС «Буран» предложено использовать обладающий высоким модулем упругости сплав АБМ1 в сварных раскосах крыла и ферменных конструкциях шпангоутов фюзеляжа, работающих в области упругих деформаций при растяжении–сжатии при напряжениях, достигающих предела пропорциональности (s_пц). В Воскресенском филиале ВИАМ совместно с ТМЗ и НИАТ разработаны технологии изготовления и сварки (ААрДС) раскосов для ферменной конструкции из труб, прутков и листа из сплава АБМ1 (рис. 3) с использованием присадочных материалов из сплавов Св.АМг6 и АБМ1 [9, 10].

Рис. 3. Сварные раскосы из алюминиево-бериллиевого сплава АБМ1:

а – из трубы с прутком; б – из листа с прутком

Проведенные в ОАО «НПО „Молния”» испытания сварных раскосов показали, что сварные соединения выдержали расчетные нагрузки при статических испытаниях при растяжении и сжатии. Однако характеристики предела пропорциональности для сплава АБМ1, полученные на трубах, оказались недостаточными и имели значительный разброс значений. В ЦАГИ проведены испытания сварных раскосов, изготовленных из листа толщиной 2 мм, и сварных конструктивных элементов, вырезанных из этих раскосов, где также подтвердили разброс значений предела пропорциональности для сплава АБМ1. Сплав АБМ1 предлагали использовать также в конструкции балансировочного щитка и трансмиссионных валов, работающих при кручении.

В Воскресенском филиале ВИАМ совместно с НИАТ разработана технология изготовления стрингеров из сплава АБМ1 методом стесненного изгиба, а также изготовлены клепаные и сварные панели из этого сплава (рис. 4). Испытания панелей со стрингерами из сплава АБМ1 показали возможность снижения массы конструкций на 30% в сравнении с панелями из алюминиевого сплава Д16.

Рис. 4. Панель из сплава АБМ1 со стрингерами, полученными методом стесненного изгиба

По результатам испытаний выявлена необходимость разработки деформируемого сплава пониженной плотности системы Al–Be–Mg с бо́льшим содержанием бериллия (40%) и повышенными механическими характеристиками для применения в космической технике. В ВИАМ были проведены разработка и паспортизация нового сплава АБМ4, обладающего более благоприятным сочетанием физико-механических характеристик.

В связи с токсичностью сплавов типа АБМ при механической обработке и для исключения его обработки при сборке конструкций в общецеховых условиях разработана технология сварки сплава АБМ1 с алюминиевыми сплавами АМг6 (1560) и 1201. Технология сварки труб из сплава АБМ1 с законцовками из сплава АМг6 и нанесения защитного покрытия была использована во ФГУП ГКНПЦ им. М.В. Хруничева при создании макета орбитального телескопа [11–13].

Уникальные свойства алюминиево-бериллиевых сплавов не остались без внимания зарубежных фирм. Для зарубежных заказчиков были изготовлены рамы для спортивных гоночных велосипедов (рис. 5).

 Рис. 5. Рама спортивного велосипеда из сплава АБМ1, изготовленная
в ОАО «Композит» по заказу фирмы Brush Wellman (США)

Окончание «холодной войны», распад СССР и последующая экономическая нестабильность привели к резкому падению спроса на изделия из бериллия и его сплавов в высокотехнологичных отраслях промышленности. Металлургический завод по производству бериллия (АО «УМЗ») оказался на территории другого государства – в республике Казахстан (г. Усть-Каменогорск), хотя рудная сырьевая база оказалась на территории России. Возрождение спроса на бериллиевую продукцию началось только в 2004–2005 гг., причем по показателям качества продукция заметно уступала продукции советского периода. При этом цены на бериллиевую продукцию выросли до уровня мировых [14].

В этих условиях возникла необходимость пересмотра концепции развития этого направления и были начаты исследования в области создания сплавов, содержащих меньшее количество бериллия и легированных другими элементами.

Многолетний опыт применения бериллиевых бронз, содержащих до 4% бериллия и обладающих уникальным комплексом свойств, позволил применить алюминиево-литиевые сплавы, содержащие до 3% бериллия, в конструкции планера. Наличие в структуре сплавов бериллия наряду с литием и магнием обеспечивает более низкое значение плотности по сравнению с традиционными алюминиевыми сплавами средней прочности, что позволяет заметно снизить массу конструкции [15].

На основе системы Al–Be–Mg–Li–Cu разработан деформируемый, термоупрочняемый конструкционный сплав ВАБ-1 пониженной плотности, содержащий 2,5% бериллия. За базовый аналог был принят сплав 1441, но в предложенном сплаве лития и магния в 2 раза больше, а меди – в 4 раза меньше. Полуфабрикаты из сплава, содержащего в 10 раз меньше бериллия, чем АБМ1, не уступают ему по прочности и обладают жесткостью (модуль упругости) Е=85 ГПа (термообработанные по режиму: закалка и двухступенчатое старение), что превышает значения жесткости для сплавов системы Al–Mg–Li–Cu–Zr (см. таблицу) [16–20].

Механические свойства сплавов

Дальнейшая работа будет направлена на получение стабильных прочностных характеристик полуфабрикатов из сплава ВАБ-1, соответствующих паспортным данным.