HomeАлюминий › Алюминий: любимец авиаторов и астронавтов

Алюминий: любимец авиаторов и астронавтов

Алюминий: любимец авиаторов и астронавтовЗнаете ли вы, что оболочка первого отечественного спутника была сделана из алюминиевого сплава? Из различных его модификаций изготовляют теперь детали на космических аппаратах — кронштейны, крепления, шасси, футляры и корпуса для многих инструментов и приборов. Эти сплавы применяют и для изготовления корпусов метеорологических ракет. С их помощью изучают изменения, происходящие в верхних слоях атмосферы, служба погоды составляет свои прогнозы.

Издавна наша ближайшая соседка — Луна — привлекала внимание человека. Поэты сочиняли в ее честь стихи, астрономы высказывали различные гипотезы о ее строении, писатели-фантасты описывали полеты на Луну. На экранах телевизоров мы видели \»будничное чудо\»: по Луне, объезжая воронки, ловко спускаясь по скатам, выбирая более удачный путь, словно наделенный \»собственным мышлением\», двигался советский луноход.

 

На самом деле луноход потому так \»умен\», что каждый шаг его контролировался с Земли. Внимательно следили на Земле люди за удивительной машиной, послушно выполняющей в Космосе их команды. Каким же надежным и вместе с тем легким должен быть материал, из которого сделан луноход!

И здесь конструкторы не обошлись без алюминиевых сплавов. Если когда-то предрекали наступление алюминиевого века на Земле, то появление замечательной машины, кажется, говорит, что для алюминиевого века настала очередь и на Луне.

16 июля 1969 года с мыса Кеннеди в штате Флорида был запущен космический корабль \»Аполло-11\», которым командовал Нил Армстронг. Спустя три дня после запуска космический корабль вышел на орбиту вокруг Луны, а еще через день лунный отсек опустился на Луне — в Море Спокойствия. Астронавты пробыли на Луне всего несколько часов, провели ряд научных экспериментов и наблюдений, собрали образцы лунного грунта.

Успех   лунной   экспедиции,   которую   готовили почти  десять лет, обязан не только тщательности подготовки, мастерству и выдержке космонавтов, но и … алюминиевым сплавам. Для запуска космического корабля и лунного отсека была построена ракета \»Сатурн\» массой около 3000 тонн, которая создает огромное тяговое усилие за счет взаимодействия жидкого кислорода (температура минус 181 °С) и жидкого водорода (температура минус 252 °С).

 

Громадные размеры и масса ракеты зависят от величины баков для горючего, которые должны быть большой емкости. К материалу для их изготовления предъявляются особые, весьма жесткие требования. Это должен быть легкий, очень прочный сплав, который к тому же не боится коррозии. Есть и еще одно важное условие: сплав должен хорошо свариваться и не изменяться со временем. Ведь если в баках, в их сварных швах появятся трещины, то может произойти преждевременное взаимодействие между водородом и кислородом. И тогда взрыв гигантской силы уничтожит и ракету, и все вокруг.

Положение осложняется еще тем, что таких швов в баках много, к тому же они часто пересекаются. Поскольку оба вида ракетного топлива имеют низкую температуру, необходимо, чтобы сплав, выбранный для изготовления днищ и стенок баков, не становился хрупким в таких условиях.
Выбирая материалы, соответствующие комплексу этих требований, конструкторы остановились на алюминиевом сплаве, в состав которого входят еще медь и марганец.

Именно этот сплав обладал требуемыми свойствами и к тому же был \»равнодушен\» к солнечной радиации. Из подобного сплава были изготовлены баки для американских ракет \»Тор\» и \»Титан\» для запуска на орбиту Земли первых американских спутников. Более полувека назад алюминий прочно связал свою судьбу с авиацией, помог превратить появившиеся на заре авиации летающие \»этажерки\» в громадные лайнеры.

 

Ему мы обязаны покорением воздушной стихии, и потому его называют \»крылатым металлом\». В 1919 году в воздух поднялись первые самолеты из дуралюмина — сплава, содержащего, кроме алюминия, не более 5 % меди, 1,7 % магния и 1,2 % марганца. В СССР дуралюмин был выпущен в 1922 году Кольчугин-ским заводом по обработке цветных металлов и назван в честь завода — кольчугалюминием. Из него было изготовлено много деталей первого отечественного цельнометаллического самолета АНТ-2.

Из дуралюмина делают лопасти пропеллера, элементы крыла, кронштейна, волноводы и множество других деталей самолетов. В наше время значительно увеличилась скорость и особенно дальность полетов воздушных лайнеров. Чтобы самолет мог лететь длительное время без посадки, он должен брать с собой достаточно большой запас горючего, которое хранится в баках, размещенных в крыльях и фюзеляже.

 

Изготовляют их также из алюминиевых сплавов (а не из стали): они легче, дешевле и не боятся коррозии. На соединение различных деталей — листов, плит, балок — в современном самолете среднего размера требуется почти полмиллиона заклепок из дуралюмина или других новых специальных сплавов, которые в момент обработки должны быть пластичными, а с течением времени становились твердыми и прочными.

{PAGEBREAK}

Почему же дуралюмин больше всего полюбился конструкторам самолетов? Какими замечательными свойствами он их пленил? Прежде всего потому, что он легко поддается любой механической обработке: прокатывается в листы, вытягивается в трубы, прессуется в виде балок различного сечения и формы. Но пожалуй, главное его достоинство в том, что он становится тверже и прочнее, если полежит несколько дней при комнатной температуре. И, что самое интересное, он не теряет при этом пластичности. Так, спустя семь суток после закалки дуралюмин становится в три раза прочнее.

 

Это позволяет изготовлять из него различные сложные детали. Такая способность дуралюмина к \»старению\» (присущая и другим алюминиевым сплавам) была впервые обнаружена немецким ученым А. Вильмом.

Еще древним металлургам Кому обязаны? было известно, что если к железу добавить другие металлы, то его прочность повысится во много раз. В средние века особенно славились дамасские булатные клинки. Они были тверды, как камень, упруги, как резина, остры, как бритва. Булатным клинком можно было рубить кости и гвозди, рассекать тончайшую шелковую ткань.

Дамасскую саблю можно согнуть, но нельзя сломать, она со звоном распрямляется. Долгое время не удавалось раскрыть тайну получения булатной стали. Лишь в конце прошлого века установили, что древние оружейники добавляли к железу графит и немного вольфрама. А в двадцатых годах прошлого века выдающийся английский физик и химик Фарадей обнаружил в клинках из древней индийской стали алюминий. Когда алюминий в 90-х годах XIX столетия вышел на промышленную арену, металлурги занялись поисками способов его упрочнения, вернее, подбором металлов, с помощью которых можно было бы получить прочные и легкие сплавы.

Шесть лет под Берлином проработал немецкий химик А. Вильм, пытаясь создать такой алюминиевый сплав, который удовлетворял бы требованиям придирчивых заказчиков. Какие только металлы не пробовал он добавлять к алюминию. Были среди них не только медь, магний, цинк, титан, но даже такие редкие метал-лы, как бериллий, молибден, вольфрам. Он изготовил тысячи разных сплавов, но все они не имели желаемой прочности.

И вот однажды, после бесконечных неудач, пришел наконец долгожданный успех. Изготовив несколько образцов алюминиевого сплава с добавками меди, магния, марганца, он определил их прочность на разрыв. Они разрушались при более высокой нагрузке, чем стержни из чистого алюминия. Спустя несколько дней он решил повторить испытания. Каково же было его удивление, когда образцы сплава разорвались лишь при почти вдвое большей нагрузке. \»Что за чудо? — подумал Вильм. — Сплав лежал без движения и вдруг стал гораздо крепче и прочнее…\» Произошло это в начале 1909 года.

 

В чудеса уже никто не верил, тем более ученые. Доискиваясь причины этого необычного явления, Вильм сначала усомнился в исправности своей испытательной машины и в точности собственных измерений. Однако прибор оказался в полном порядке, а тщательная проверка измерений не оставляла сомнений в их правильности. Оставалось признать, что сплав обладает способностью к \»старению\», то есть чем он дольше вылеживается при комнатной температуре, тем становится тверже и прочнее. Сам Вильм не смог раскрыть сущность этого явления (это сделали позднее.другие ученые), но, подобрав опытным путем композицию сплава и разработав режим его термической обработки, он взял на него патент.

 

Вскоре он продал патент одной немецкой фирме, которая в 1911 году начала изготовлять этот сплав под названием дуралюмин (от города Дюренс, где находился завод, или от французского слова — \»дюр\» — твердый, прочный).

Как известно, металлы нерастворимы ни в воде, ни в спирте, ни в любых органических растворителях, но в расплавленном виде растворяются друг в друге, образуя сплавы. Когда сплавляют разные металлы, то они либо просто смешиваются друг с другом, либо вступают между собой в химическое взаимодействие, образуя одно или даже несколько интерметаллических соединений (например, Na4Zn, NaZn, NaZn2). Нередко при этом выделяется большое количество тепла. Так, если алюминий опустить в расплавленную медь, то вся масса раскалится добела.

 

Следовательно, сплав представляет собой смесь чистых металлов и каких-то их химических соединений. Если расплавленные медь и алюминий смешать вместе, то при застывании получится-однородный сплав, то есть твердый раствор обоих металлов неопределенного состава. Такой же твердый раствор получается, если металлы в сплаве образуют одно определенное химическое соединение. Но обязательно, чтобы атомы смешиваемых металлов замещали друг друга, не нарушая структуры кристаллической решетки; иначе говоря, должны образоваться однородные кристаллы, состоящие из обоих металлов.

 

В этом нетрудно убедиться, если рассмотреть под микроскопом образчик сплава — тончайшую его пластинку, предварительно отполированную и протравленную кислотой или щелочью. Любопытно, что, если добавка меди не превышает 5,5 %, микроструктура сплава не отличается от чистого алюминия. При более высоком содержании меди в сплаве нарушается однородность твердого раствора — появляются кристаллики нового химического соединения — из двух атомов алюминия  и одного атома меди.

{PAGEBREAK}
Глядя на шлиф сплава в микроскоп, мы увидим белый кружок, разграфленный темными изогнутыми линиями на участки причудливых форм. Это — зерна металла, которые столь тесно расположены, что не смогли вырасти в кристаллы правильной формы. В светлых зернах твердого раствора явственно видны мельчайшие ( черные точки — частицы CuAI2. Характер их распределения и величина оказывают значительное влияние на прочность и твердость медноалюминиевого сплава. Он будет тем прочнее, чем мельче и равномернее распределены в нем частицы нового химического соединения.

Если такой сплав нагреть до 500 °С, а затем постепенно охлаждать   (с разной скоростью)  до комнатной температуры, то изменится характер распределения в сплаве частиц CuAI2. Любопытно, что с помощью подобной термической обработки можно даже регулировать их количество и размер. Такая закалка, так же как и при обработке стали, придает алюминиевому сплаву новые свойства.

 

При медленном охлаждении происходит более полное разложение твердого раствора и превращение растворенной меди в CuAI2 (остается не более 0,3 %). Наоборот, если сплав, нагретый до 500 °С, быстро охладить — вылить в холодную воду, то получится пересыщенный твердый раствор меди в алюминии. Если такой сплав полежит пять — семь дней, то резко меняются его свойства. Непрочный и пластичный, спустя несколько часов после закалки он станет прочным и твердым, не теряя способности к деформации. Это явление получило название естественного старения.

 

Какова же причина перемен, происходящих при этом? Еще когда Вильм заметил, что полученный им алюминиевый сплав с медью (дуралюмин) стареет, он предположил, что из пересыщенного твердого раствора меди в алюминии выделяются кристаллики CuAI2. Эти кристаллики и повышают прочность сплава почти в пять-шесть раз по сравнению с чистым алюминием. Казалось, что нет оснований сомневаться в правильности этой гипотезы, и можно считать, что механизм старения сплавов раскрыт. Однако нашлись скептики, которые стали ее опровергать.

 

\»Во-первых, — говорили они, — мы не смогли обнаружить с помощью оптического микроскопа частицы CuAI2, а во-вторых, если бы медь выделялась из твердого раствора, то снижалось бы электросопротивление сплава, а оно, наоборот, росло\». Много лет продолжались бесплодные споры. Сторонники и противники выделения меди из твердого раствора в процессе старения неизменно оставались при своем  мнении. 

 

Однако  попытки раскрыть механизм загадочного явления продолжались. Всем было ясно, что старение изменяет не только структуру, но и многие важные свойства алюминиевых сплавов — механические, физические, химические, устойчивость к коррозии. Следовательно, раскрытие тайны этого процесса сулило возможность создавать новые алюминиевые сплавы со значительно лучшими свойствами, чем сплав Вильма.

Развитие рентгеноструктурного анализа и появление в последние годы мощного электронного микроскопа, позволяющего увидеть молекулы и просматривать насквозь тончайшую\’ металлическую пленку, открыли новую страницу в изучении процесса старения сплавов. Оказалось, что оба \»враждующих\» лагеря неправы, а истина находится где-то посередине.

 

Медь не выделяется из твердого раствора и не остается внутри него, а собирается в дискообразных участках толщиной в один — три атомных слоя и диаметром 90 А. Эти участки образуют зоны Гинье — Престона, названные по именам первых исследователей, открывших их независимо друг от друга с помощью рентгеноструктурного анализа. \»Они имеют искаженную кристаллическую структуру твердого раствора, искажается также прилегающая к зоне область твердого раствора. Число таких образований огромно — оно выражается единицей с 16—18 нулями для 1 см2 сплава\», — пишет И.Н. Фридляндер. Механизм образования зон можно представить себе следующим образом.

{PAGEBREAK}

В закаленном состоянии атомы меди имеют более или менее равномерное рассеяние в кубической решетке алюминия, замещая отдельные атомы. При комнатной температуре этот раствор (матрица) неустойчив и из него должно выделиться химическое соединение (фаза). CuAI2 обладает своей собственной кристаллической решеткой, существенно отличающейся от решетки алюминия.

 

Естественно, что образование новой решетки происходит с большими трудностями. Необходимо, чтобы решетка алюминия была достаточно податлива и атомы меди обладали бы высокой подвижностью. Реально соединение CuAI2 может возникнуть только при достаточно высоких температурах и после длительного нагрева. При резком охлаждении (закалке) сплава сохраняется первоначальный твердый раствор. При комнатной температуре решетка алюминия слишком жестка, а поэтому у атомов меди остается лишь одна возможность — в пределах этой решетки сгруппироваться по двум — трем плоскостям, образовав зоны Гинье — Престона (зоны Г.П.). Так осуществляется первый этап по пути распада пересыщенного раствора меди и алюминия.

 

Изменения и искажения кристаллической решетки сплава, которые происходят в процессе образования зон Г.П., обусловливают повышение его прочности и электрического сопротивления. Или иными словами частички в зонах Г.П. располагались на плоскостях кристаллической решетки при сжатии, растяжении или изгибе сплава как бы заклинивают ее. Тем самым мешают перемещению одной плоскости по другой и упрочняют сплав.

Можно ускорить процесс старения, если выдерживать быстро охлажденный (с 500 °С) неустойчивый твердый раствор сплава не при комнатной температуре, а, например, при 100—150 °С. Чтобы добиться максимально возможной при старении твердости и прочности, в этом случае достаточно будет всего 10—12 часов вместо 5— 7   суток.   При   искусственном   старении   вместо зон, структура которых лишь незначительно отличается от структуры чистого алюминия, появляются метастабиль-ные частицы, имеющие собственную кристаллическую решетку.

 

 

Благодаря такому изменению структуры сплава резко повышается его упругость. \»Можно без преувеличения сказать, — пишет И.Н. Фрид-ляндер, — что крылья самолетов удерживаются в воздухе зонами или метастабильными частицами, и если в результате нагрева вместо зон и частиц появятся стабильные выделения, крылья потеряют свою прочность и согнутся\».
Тем не менее у сплавов естественного старения имеется ряд достоинств — более высокие пластичность и электросопротивление по сравнению с искусственно состаренными сплавами.

Не только медноалюминиевые сплавы становятся тверже и прочнее после термической обработки. Такой же способностью обладают сплавы алюминия с добавкой магния, кремния, марганца, циркония, хрома. Все эти элементы могут, подобно меди, образовывать химические соединения между собой и алюминием. Весомый вклад в развитие теории старения алюминиевых сплавов внесли советские ученые металловеды — академик А.А. Бочвар, профессора Д.А. Петров, Ю.А. Батарицкий, Н.Н. Буйнов.

Вот эти-то химические соединения и представляют собой фазы-упрочнители. Алюминиевые сплавы, которыми пользуются в авиа-, судо- и автомобилестроении, а также в других областях промышленности, изготовляют, добавляя к алюминию несколько других элементов.

Article Global Facebook Twitter Myspace Friendfeed Technorati del.icio.us Digg Google StumbleUpon Eli Pets

Comments are closed.