Путь к уникальному сплаву (статья)

Эффект старения был открыт Вильмом случайно, знаю это совершенно определенно. Об этом рассказывал мне бывший технический директор исследовательского авиационного центра в Берлине профессор фон Бок, с сестрой которого был помолвлен Вильм. Дело было так. В одну из суббот Вильм, поручив техникам испытать закаленные образцы, уехал на дачу к фон Бокам. Техники знали, что в этот день он уже не вернется, и отложили испытания на понедельник, решив провести их до прихода Вильма на работу. Но за субботу и воскресенье произошло естественное старение, прочность образцов повысилась, и это, конечно, стало известно Вильму. Замечу тут же, что вскоре после того Вильм ушел из науки. Он открыл в Берлине ювелирный магазин и, разбогатев, нарушил уже оглашенную помолвку с сестрой фон Бока.

Вильм назвал явление роста прочности сплава в результате вылеживания после закалки старением. Вероятно, более удачен в этой ситуации был бы иной термин, может быть, «возмужание». Но так или иначе, этот термин привился и сегодня фигурирует во всей мировой литературе по легким сплавам.

Еще Вильм понял, что процесс старения можно ускорить подогревом. Такое старение называют искусственным, в отличие от естественного, протекающего при комнатной температуре.

Сплавы алюминия с медью и магнием, упрочняемые старением, приобрели известность под названием дуралюминов. Появление приставки «дур» имеет двоякое объяснение— либо от латинского durus — «твердый», либо от названия заводов «Дюрепер-металлверке», где впервые стали получать в промышленном масштабе сплавы Вильма.

Открытие Вильмом упрочнения сплавов алюминия с медью и магнием в результате старения оказало огромное влияние на развитие алюминиевой промышленности. Из дуралюминов были сделаны первые цельнометаллические самолеты фирмы Юнкере и цеппелины. Из классического дуралюмина Вильма — сплава, который теперь обозначают маркой Д1,— до сих пор изготовляют лопасти воздушных винтов. Первый советский цельнометаллический самолет конструкции А. Н. Туполева АНТ-2 был сделан из кольчугалюминия, отечественной разновидности дуралюмина, выплавленной на Кольчугинском заводе.

Сплавы этой группы и сейчас не утратили значения. В частности, из дуралюмина с повышенным содержанием магния — сплава Д16 — делают нижние плоскости на крыльях самолетов. Жаропрочную модификацию дуралюмина — сплав АК4-1, дополнительно легированный железом и никелем, использовали в конструкциях сверхзвуковых пассажирских лайнеров — советского ТУ-144 и англо-французского «Конкорда». Упрочнение старением характерно не только для сплавов системы AI — Cu — Мg. Еще в 1915 г. был открыт эффект упрочнения старением у сплавов AI — Мg—Si. Правда, прочность этих сплавов существенно ниже, чем у дуралюминов, но зато они обладают превосходной коррозионной стойкостью и выглядят достаточно красиво. Из них делают оконные рамы, окантовку дверей, ювелирные безделушки «под золото» и — лопасти винтов вертолетов, поскольку эти сплавы очень хорошо противостоят вибрационным нагрузкам.

В 1 923—1924 годах немецкие металловеды обнаружили эффект старения в сплавах AI — Zn — Mg. Это было важным открытием; новые сплавы имели очень высокие пределы прочности — 55—60 кг/мм2 (вместо 40—45 кг/мм2 у дуралюминов). Но у них вскоре обнаружилась своя ахиллесова пята — низкая   стойкость   против   коррозии

под напряжением, чувствительность к надрезам. Потребовались десятилетия упорной работы, чтобы преодолеть эти недостатки. К успеху пришли, регулируя режимы старения и введя в эти сплавы добавки меди и микродобавки переходных элементов, в частности марганца и хрома.

В СССР эти работы проводились Б. Е. Воловиком, С. М Вороновым,. В. И. Добаткиным, Е. И. Кутайцевой и И. Н. Фридляндером. В результате их исследований был создан высокопрочный алюминиевый сплав В95, широко используемый в разнообразных силовых конструкциях. Позднее под руководством И. Н. Фридляндера был разработан самый прочный в мире алюминиевый сплав В96ц. Впервые в отечественной и зарубежной практике в этом сплаве было применено легирование цирконием. Тот же коллектив разработал и сплав В93, в котором есть железо (в строго регламентированных пределах). Из В93 сделан силовой каркас знаменитого «Антея» конструкции О. К. Антонова.

В 1987 году в США был открыт эффект упрочнения при старении сплавов AI — Cu — Li. Эти сплавы по прочности близки к материалам системы А. I — Zn — Mg, к тому же они сохраняют ее до сравнительно высоких температур. Однако такие сплавы нашли лишь ограниченное применение. Они имеют немалые преимущества (в частности, высокую пластичность), но и явные недостатки, прежде всего малую вязкость при разрушении. От этих материалов можно ожидать значительного прогресса, но пока это дело будущего. До недавнего времени было лишь три широко используемых, технологичных и притом упрочняющихся старением системы: AI — Cu — Mg, AI — Mg—Si и AI — Zn — Mg.

Плотность всех подобных сплавов примерно одинакова и близка к плотности алюминия.   Между   тем   конструкторам   ну жен был металл, пусть той же прочности, но более легкий.

В шестидесятых годах И. Н. Фридляндер, ныне член-корреспондент Академии наук СССР, предпринял систематические поиски новых систем, упрочняемых старением. При этом предполагалось, что потенциальной склонностью к старению обладают те тройные системы на основе алюминия, в которых оба добавочных элемента растворимы в основном и образуют между собой (и с алюминием) двойное или тройное интерметаллическое соединение. Поиски привели к важным результатам. Вместе с А. АЛ Захаровым Фридляндер обнаружил эффекты старения у систем алюминий — магний — серебро и алюминий — магний — германий, а вместе с В. Ф. Шамраем и Н. В. Ширяевой им был открыт эффект старения в системе AI — Li — Mg. И если первые две системы имели лишь теоретическое значение, ибо у них не было каких-либо выдающихся свойств, которые оправдали бы использование в конструкционных сплавах таких дорогих металлов, как серебро и германий, то система AI — Li — Mg обладает, как оказалось, уникальным сочетанием свойств. На основе этой системы и был предложен сплав, получивший обозначение 01420. Кроме алюминия, магния и лития в нем присутствуют микродобавки циркония, марганца, хрома.

Сплав обладает примерно той же прочностью, что и дуралюмины, но легче их примерно на 12% и имеет на 7—8% больший модуль упругости. К тому же ему свойственны высокая коррозионная стойкость и способность свариваться плавлением. Правда, сварка плавлением требует некоторых особых технологических приемов, которые были разработаны в Институте электросварки имени Е. О. Патона и в лаборатории, в которой работает автор этих строк.

Впрочем, и плавка, и литье, и деформация сплава 01420 отличаются четко выраженным своеобразием. Многие ученые разных специальностей работали, чтобы выявить, а иногда и преодолеть это своеобразие. Всех имен в короткой статье не перечислить, назову лишь некоторые — В. А. Засыпкин, О. Е. Грушко, А. Н. Кузнецов, А. Н. Чеканов, В. М. Баранчиков, Н. Д. Винокуров, Г. С. Сафаров, Н. А. Сорокин — и заранее прошу извинения у тех коллег,   имена   которых   здесь   не   названы.

Легок сплав оттого, что один из его ком-

понентов — литии — намного легче алюминия и, кроме того, межатомные взаимодействия привели к «разбуханию» кристаллической решетки. И что важно, при этом не теряется прочность.

Сплав 01420 позволяет снизить вес конструкций более чем на 10%. Это колоссальный выигрыш. Уже многолетняя практика эксплуатации конструкций из этого сплава, в том числе в сложных климатических условиях, подтвердила их высокую коррозионную стойкость и надежность. На сплав 01420 взяты патенты в США, Англии, ФРГ и других   капиталистических странах.

На основе той же системы AI — Li — Mg разрабатываются варианты сплава 01420 различного назначения, например сплав специально для фольги. Механизм старения сплава 01420 изучен достаточно глубоко. И здесь оказалось много своеобразного. В частности, выяснилось, что в процессе старения у подобных сплавов сразу же начинает снижаться электросопротивление. Это означает, что в них ни при какой температуре не образуются так называемые зоны Гинье-Престона — микроскопически малые диски диаметром около 100 А. Упрочнение сплавов Al — Li — Mg вызвано частицами состава Ah Li. Как они выглядят на микрофотографии, показано на стр. 23.

Открытие советскими учеными эффекта старения алюминиевых сплавов с магнием и литием и разработка ультралегкого сплава 01420 получили широкое признание. Не будет преувеличением сказать, что система Al — Li — Mg вписала новую страницу или даже, если хотите, главу в историю легких сплавов. Получен материал с плотностью меньшей, чем плотность основы — чистого алюминия.

Конечно, и сегодня в этих материалах «есть что поискать» и физикам, и металловедам Например, профессор Ю. М. Вайн-блат считает, что многое в свойствах сплава    01420 зависит от микропримеси натрия.

Одним словом, этот уникальный практически важный сплав продолжает оставаться интересным и для науки.