От железа к алюминию и дальше

В начале нашего века запросы техники удовлетворялись железом, сплавами на его основе, а также медью и некоторыми другими металлами. «Железные» сплавы и сейчас не утратили своей ведущей роли. Их потребление из года в год увеличивается, и до последнего времени мировое производство стали в пять раз превосходит производство всех остальных металлов, вместе взятых. Однако развитие науки и техники требовало материалов с новыми, иными, чем у стали, качествами. Так, авиации нужен был столь же прочный, но куда более легкий металл, чем сталь. Этим качествам отвечал алюминий (порядковый номер в таблице Менделеева — 13) и его сплавы.

Плотность алюминия 2,7 г/см³, он примерно в три раза легче железа и меди. Алюминий обладает также высокой коррозионной стойкостью к воде. Правда, чистый алюминий имеет небольшую прочность — 6–8 кг/мм², поэтому в авиации применяются сплавы алюминия с другими металлами: медью, магнием, кремнием, цинком, марганцем, железом. Термически обработанные соответствующим образом, эти сплавы имеют прочность, сравнимую с прочностью среднелегированной стали, и применяются в качестве конструкционных материалов в авиа- и ракетостроении. Сплав алюминия с цинком, магнием и медью, например, имеет высокую прочность—70–80 кг/мм². Он широко применяется во всем мире на военных и пассажирских самолетах — в основном для той зоны конструкции, где повторные нагрузки практически не опасны. Для обшивки самолетов, которая работает в условиях вибраций и многократных переменных нагрузок, применяется другой алюминиевый сплав: алюминий — медь — магний — кремний.

Часто лопасти винтов вертолетов изготовляют из сплава алюминия с магнием и кремнием. Он может работать в условиях вибрационных нагрузок и обладает очень высокой коррозионной стойкостью.

Легкие конструкционные алюминиевые сплавы широко применяются в ракетной и космической технике. Так, самая мощная в США ракета «Сатурн-5», с помощью которой были запущены космические корабли «Аполлон», сделана из алюминиевого сплава (алюминий — медь — марганец). Огромные баки для горючего и окислителя на ракете также выполнены из этого легкого, прочного, хорошо сваривающегося, коррозионно стойкого сплава. Из алюминиевого сплава изготовляют корпуса боевых межконтинентальных баллистических ракет «Титан-2».

Совсем недавно, отмечала печать, появились сплавы алюминия с медью и литием. Этот высокопрочный, коррозионно стойкий материал сохраняет прочность при нагреве до температуры 150 градусов. Замечательные физико-химические и механические свойства алюминиевых сплавов открыли им широкую дорогу и в других областях военной техники — бронетанковой, инженерной, радиоэлектронной.

Огромные потребности в серебристом металле содействовали тому, что его мировое производство росло бурными темпами: за первые 43 года нашего столетия оно увеличилось примерно в 175 раз, тогда как выпуск меди лишь в пять раз, а чугуна в три раза. Мировое производство алюминиевых сплавов с середины XX века заняло второе место после стали.

И все же… алюминию пришлось в какой-то мере повторить судьбу железа. Пришло время, и элемент номер 13 из таблицы Менделеева уже не смог удовлетворять требования дальнейшего развития авиации. На место «самого лучшего» (до поры до времени, конечно!) материала встает элемент номер 22 — титан.

В чем же тут дело? А вот в чем.

Большие сверхзвуковые скорости полета поставили на пути авиации «тепловой барьер», то есть значительный нагрев обшивки самолета, в условиях которого прежние авиационные материалы успешно работать уже не могут. Полет со скоростью, в три раза большей скорости звука, приводит к нагреву обшивки до температуры свыше 300 градусов, а при скорости, в пять раз превышающей скорость звука, она достигает уже 1000 градусов!

Без значительного увеличения веса конструкции самолета алюминиевые сплавы могут использоваться только до скорости, соответствующей примерно 2,5 скорости звука. Это можно видеть на примере нового американского тактического истребителя F-111, у которого в качестве конструкционного материала еще широко применяются алюминиевые сплавы и лишь на участках, где развивается высокая температура, используются сталь и другие жаростойкие материалы. А вот большая часть конструкции создаваемого в США сверхзвукового истребителя-перехватчика YF-12 уже выполнена из титановых сплавов. Титан — металл серо-стального цвета; сплавляясь с алюминием, оловом, молибденом, ванадием, хромом, железом, вольфрамом и другими металлами, он образует сплавы, отличающиеся большой прочностью при высокой температуре, относительно малым удельным весом, стойкие к коррозии.

По мере развития авиации применение титана из года в год увеличивается. Сообщалось, что в конструкции нового военно-транспортного самолета фирмы Локхид С-5А будет использоваться не менее 13,5 тонны титана. Из титановых сплавов выполнены топливные баки на посадочной ступени лунной кабины космического корабля «Аполлон», корпус одной из ступеней стратегической ракеты «Минитмэн».

В 1966 году в США было продано потребителям 13 750 тонн собственного титана и его сплавов и 300 тонн импортированного из Японии. Этот титан, как сообщала печать, использовался следующим образом: в производстве турбореактивных двигателей — 47 процентов, на изготовление планеров самолетов — 28, в производстве реактивных снарядов и космической технике—15 и 10 процентов в других отраслях промышленности. Предполагалось, что в 1970 году производство титана в США достигнет 22 700 тонн.

Титан используется для изготовления брони танков, для бронирования самолетов и вертолетов. Он находит широкое применение в артиллерии, судостроении, машиностроении, в атомной, химической промышленности и других отраслях техники и индустрии.

По жаропрочности титановые сплавы занимают промежуточное место между алюминиевыми сплавами и нержавеющими жаропрочными сталями и применяются в интервале температур 300–500 градусов. При температурах свыше 500 градусов приходится обращаться уже к другим жаропрочным металлам — нержавеющим высокопрочным сталям. Сообщалось, что они основные конструкционные материалы, например, для экспериментального американского самолета-бомбардировщика ХВ-70. Как видно, внимание исследователей к клеткам номер 13 и 22 периодической таблицы элементов оказалось не вечным. Пришлось вернуться снова к элементу с порядковым номером 26 — железу. Но что поделаешь? Свойства стали хорошо изучены; она прочна, жароустойчива, поддается механической обработке, устойчива против коррозии. Правда, жаропрочную сталь приходится применять в ущерб весу конструкции самолета, но иного выхода пока нет.

Читатель может спросить: а дальше? Как будет обстоять дело, когда начнется переход от сверхзвукового самолета к гиперзвуковому, летающему при скоростях, в пять раз больших скорости звука? Действительно, на пути этих самолетов встает гигантский тепловой барьер. В печати приводились расчеты температуры на поверхности самолета, летящего с крейсерской скоростью, равной восьми скоростям звука на высоте 27 000 метров. При этом температура на большей части поверхности такого гиперзвукового самолета достигает 760—1100 градусов, то есть значений, при которых прочностные характеристики авиационных металлов и сплавов резко ухудшаются. На некоторых же участках температура приближается к точке плавления тугоплавких металлов. Выход из положения специалисты ищут в использовании совершенно новых жаропрочных материалов на основе никеля, кобальта и тугоплавких металлов — молибдена, ниобия, тантала и вольфрама.

Как указывается в иностранной печати, сплавы на основе никеля могут работать до температуры примерно 700 градусов. Сплавы же на основе тугоплавких металлов могут быть использованы в интервале температур — от 980 до 2200 градусов. Сейчас внимание зарубежных исследователей привлекают новые виды жаропрочных сталей: например, сплав железо — никель — титан или железо — никель — титан — кобальт — молибден. Сделаны, таким образом, новые «ходы» в периодической таблице. И хотя в дело идут и известные, уже применявшиеся в технике химические элементы, их новые сочетания, соединения сулят другие качества материалам, призванным обслуживать современный этап научно-технического прогресса.