Сегодня - 13.11.2019

Сшивая металл

16 марта 2016

Древнеиндийские божества, отечественная Баба-Яга или ближневосточные герои легенд вряд ли задумывались над тем, как сделать свои летающие средства передвижения более легкими и экономичными — в воздух и виманы, и ступу, и ковер-самолет поднимала неисчерпаемая магическая сила. Людям повезло меньше, и с самого начала развития авиации нам требовались все новые и новые технологии, способствующие дальности и надежности полета, а также потреблению меньшего количества топлива.

XII Международный авиационно-космический салон (МАКС-2015)
 
Каждый из нас, кто хоть раз сидел на месте у крыла самолета, видел и длинные ряды заклепок, соединяющих элементы между собой. Такой способ изготовления «летучих кораблей» зарекомендовал себя много лет назад — эта, безусловно, надежная технология используется до сих пор, потому что лучшей пока не придумали. 
 
Однако клепать, как говорит научный сотрудник Института теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН кандидат технических наук Александр Геннадьевич Маликов — во-первых, долго. А во-вторых — дорого: увеличивает вес самолета, соответственно, и расход топлива. Выход, казалось бы, очевиден — нужно варить, но если бы все было так просто, то и мы бы не считали заклепки в долгом полете над облаками, когда считать уже надоело, а до приземления в точке В еще долго. Проблема в следующем — прочность сварного шва должна не уступать такому же показателю основной части металла. Добиться этого достаточно сложно: самый незатейливый путь — увеличить объем самого шва, но тогда можно попрощаться с экономией веса. 
 

Стоит напомнить, что к 2025 году, согласно принятой государственной программе,  Россия намерена утвердиться на высоких позициях мирового рынка авиапромышленности, а основная точка роста самолетостроения — создание специальных материалов, легких и надежных. Как правило, это алюминиевые сплавы, и вот их как раз, по признанию специалистов, варить не так уж просто. 

 
Тем не менее, у Александра Маликова есть идеи на этот счет: на помощь людям придут редкоземельный элемент скандий, упрочняющий алюминиевые сплавы, а также метод сварки лазером, развивающийся в ИТПМ СО РАН. На отработку предложенной технологии молодой ученый получил грант Президента Российской Федерации.
 
Как уже говорилось выше, на сегодняшний момент изделия соединяются при помощи клепок, а это процесс не быстрый «Его скорость — 0,2 метра в минуту, — комментирует Александр Маликов. — У лазерной сварки же — 6 метров в минуту, то есть, производительность повышается в 30 раз. К тому же, если варить, то экономия металла получается около тонны на самолет. В среднем машина эксплуатируется 25 лет, соответственно, за эти годы на топливо понадобится потратить примерно на 10 миллионов долларов меньше». 
 
Эти расчеты вызывают энтузиазм, и для того, чтобы приблизиться к их практическому воплощению, нужно, на первых взгляд, совсем немного: добиться высокой прочности сварного шва, не увеличивая его объемы, а улучшив свойства. 
 
Александр Маликов рассказывает школьникам о лазерной сварке
 
«Одна из идей, которую я предложил, — говорит Александр Маликов, — добавить скандий. Он известен давно, применяется при изготовлении алюминиевых сплавов и повышает их надежность. Правда, этот элемент очень дорогой: если вы хотите получить лист такого металла, вам нужно 0,2 процента Sc, и стоимость готового материала увеличивается в несколько раз. Собственно, я подумал: мы нанесем скандий только на место будущего сварного шва, попробуем пройтись лазером, посмотреть изменение структуры и узнать, повышается ли прочность».
 
В этом процессе, по словам ученого, очень важно отработать методику нанесения добавки, а также энергетические режимы лазера (мощность, скорость, положение фокуса). Последний создает так называемую ванну расплава (ту самую «кастрюльку», в которой перемешиваются различные частицы). «Мы еще называем ее маленькой доменной печью, — улыбается Александр Маликов. — Вот в ней-то, где все кипит и бурлит, скандий равномерно распределяется на всю толщину листа. Дальше мы уже изучаем сварное соединение на разрыв». 
 
Еще один значимый момент — рассчитать количество Sc, нужного для определенного объема сварочной ванны, ведь избыток элемента действует обратным образом: соединение становится хрупким, а не пластичным. Оптимальный объем скандия ученые будут подбирать экспериментально. Кроме того, шов должен пройти различные виды обработки, которые применяются на авиазаводах, а потом, опять же, проверку крепости. 
 
«В нашем институте есть проект по титановым сплавам — показано, что для них применение определенных наночастиц позволяет увеличить прочность сварного участка, причем, ее показатели получаются выше, чем у основного материала, — рассказывает Александр Маликов. —Опираясь на тот опыт, мы хотим получить нечто похожее и на алюминиевых сплавах».
 
Дальше полученные сварные соединения должны пройти аттестацию во Всероссийском институте авиационных материалов. Он уже дает сертификацию и дальше продвигает технологию в самолетостроение. Собственно, программа гранта включает лишь научные исследования, в результате которых должны получиться высокопрочные швы. «Работа предстоит тяжелая, но интересная. Здесь стараешься быть и химиком, и металлургом, и механиком, хотя моя специализация — лазерное воздействие на вещество», — заключает Александр Маликов. 
 
Екатерина Пустолякова 
 
Фото Юлии Кратовой, ИТПМ СО РАН 
 
Ваша оценка: Нет Средняя: 5 (5 votes)
Поделись с друзьями: 
 

comments powered by HyperComments

Система Orphus