Алюминиевые сплавы – это будущее судостроения?

 

Обработка алюминиевого корпуса судна  на подводных крыльях в ЦКБ по СПК им. Алексеева / Изображение: Корабел.ру

– В последнее время мировые лидеры алюминиевого судостроения активно тестируют алюминий-скандиевые сплавы. В России к ним относятся сплав 1570С и более дешевый 1580. Что их отличает от высокопрочного алюминий-магниевого АМг61 или дюралевого Д16?

– Скандийсодержащие сплавы, о которых вы спрашиваете, равно, как и сплав АМг61, относятся к алюминий-магниевой группе. Она занимает существенную нишу в

Рябов Д. К., директор по науке Института легких материалов и технологий (ИЛМиТ)

судостроении, благодаря нескольким очень важным характеристикам. Во-первых, эти сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью, что необходимо для использования на воде, особенно в условиях моря. Во-вторых, они хорошо свариваются. Это позволяет создавать на их основе сварные монолитные конструкции, которые существенно легче клепанных. Эти сплавы не требуют закалки, обладают хорошей технологической пластичностью и прочностью, что позволяет им успешно конкурировать со сталью.

Сплав Д16 стоит особняком, потому что его применение очень ограниченно из-за крайне низких показателей стойкости к коррозии. Д16 прочнее сплава АМг61, однако скандийсодержащие сплавы имеют аналогичные характеристики прочности, сохраняя при этом высокую свариваемость и коррозионную стойкость. Именно поэтому они – это будущее судостроения. Конечно, эти сплавы дороже аналогов, не имеющих в составе скандий, но сплав 1580 с пониженным содержанием этого дорогостоящего элемента был специально разработан компанией "Русал" для того, чтобы иметь рыночные преимущества.

– Где сегодня используются алюминий-скандиевые сплавы? Их частое сравнение с титаном – рекламный ход?

– Они легче титана, а по удельной прочности приближаются к обычным титановым сплавам. Новое поколение скандийсодержащих алюминиевых сплавов ниже титана по стоимости. Поэтому там, где не требуются запредельные прочности, алюминий может заменить титан. 

В целом, экономнолегированные алюминий-скандиевые сплавы могут использоваться в любых применениях, где требуются свариваемые материалы, стойкие к агрессивному климату, и где оправдано применение легкого металла. Это не только судостроение, но и космическая техника. Даже в мировой авиации есть примеры того, как сплавы Al-Mg-Sc успешно работают, заменяя традиционные материалы.

Конечно, универсального материала не существует и проводить прямые аналоги между различными материалами не совсем корректно. Решение об использовании того или иного варианта зависит от проектировщика изделия-конструктора, определяющего требования по весу, жесткости, типам соединений.

– Известны ли вам примеры использования алюминий-скандиевых сплавов на российских судах?

– История развития этих материалов началась с их адаптации под авиакосмическую технику, что было следствием дороговизны скандийсодержащих сплавов. Компания Airbus продемонстрировала их преимущества при создании сварных панелей фюзеляжа самолета. Судостроение – более консервативная отрасль и, в отличие от авиакосмической индустрии, где каждый килограмм веса является критичным, пока не готово использовать дорогие материалы. Значимого опыта применения данных материалов в судостроении пока не накоплено (один из лидеров алюминиевого судостроения – австралийская компания Austral в настоящее время активно тестирует скандийсодержащие сплавы – прим. ред.).

Скандием начинают в мире все сильнее интересоваться, видна положительная динамика по снижению стоимости данного металла. Это связано с выполнением крупных проектов по его извлечению из различного сырья как в России, так и за рубежом. Дальнейшее уменьшение стоимости сырья, наравне со снижением концентрации скандия в сплаве, позволит в ближайшей перспективе сделать данные материалы экономически привлекательными.

Сейчас, помимо созданного "Русалом" сплава 1580 с 0,1% скандия, ИЛМиТ ведет работы над сплавом 1581. Он будет содержать всего 0,03% этого дорогостоящего компонента. С таким низким содержанием скандия полуфабрикаты данного сплава могут вполне потеснить традиционные решения, а с учетом созданной "Русал" цепочки по извлечению скандия из красных шламов, мы рассчитываем на дальнейшее снижение стоимости готовых решений.

– Требуют ли новые сплавы особых способов сварки?

– Так как основа скандийсодержащих сплавов та же, что и у традиционного АМг61, с точки зрения технологических подходов по сварке эти материалы очень похожи. Необходимо отметить, что скандий в сплавы вводится в крайне малых количествах – не более нескольких десятых долей процента, поэтому он не оказывает существенного влияния на свариваемость. Более того, за счет эффекта модифицирования скандий может даже улучшать технологичность при сварке. Это означает, что данные материалы можно варить теми же самыми технологиями, необходимо только правильно подобрать присадочную проволоку при сварке плавлением и оптимизировать режимы процесса. Эти сплавы также хорошо свариваются трением с перемешиванием, что позволяет получать практически равнопрочные основному металлу соединения.

– Сварка трением позволяет не только обойтись без тепловых деформаций шва, но и способна сваривать все алюминиевые сплавы, алюминий со сталью, титан. Но всегда ли ее можно использовать из-за большого сжатия поверхностей?

– Сварка трением с перемешиванием –  технология относительно молодая, но за последнее десятилетие она продвинулась далеко вперед. Отсутствие плавления делает данную технологию очень привлекательной для алюминия, так как не приводит к окислению и пережогу материала. Конечно, она имеет свои особенности, которые связаны в первую очередь с необходимостью обеспечить качественное прижатие инструмента и свариваемых кромок. Но мировой опыт свидетельствует, что использование оригинальных подходов к проектированию инструмента и применения скоростных режимов вращения, позволяет применять достаточно скромные усилия при сварке тонких сечений. В конечном итоге, все зависит от конечного облика конструкции и возможности адаптации данных технологий под стапельную сборку. Поэтому сейчас сварка может применяться для получения достаточно простых швов, но в будущем, возможно, мы увидим, как данные технологии будут находить свою более широкую нишу.
 

В России пока чаще встречаются традиционные методы сварки алюминия / Изображение: Корабел.ру

– Какие основные типы алюминиевых сплавов сегодня используются в судо- и кораблестроении?

– Перечень сплавов, разрешенных к применению в судостроении, определяют морские и речные регистры. Первостепенным требованием, учитывая особенности эксплуатации изделий, является коррозионная стойкость материалов. Соленая вода может быть губительна для ряда высокопрочных алюминиевых сплавов, поэтому в мировой практике основные алюминиевые сплавы для судостроения разработаны на основе систем легирования алюминий-магний и алюминий-кремний-магний. Первые (Al-Mg) обладают очень хорошей коррозионной стойкостью, их характеристики прочности растут с повышением содержания магния. Сплавы, как уже было сказано, являются свариваемыми, и не требуют проведения упрочняющей термической обработки.

Для внешних обшивок судов за рубежом обычно применяют материалы с ограниченным содержанием магния для предотвращения межкристаллитной коррозии и коррозионного растрескивания, которая может развиваться в процессе длительной эксплуатации и солнечных нагревов.

К типичным сплавам для судостроения можно отнести такие материалы как АМг61, 5083, 5086, АМг5 и др. Небольшая добавка кремния и магния в алюминий (менее чем по 1%) изменяет фазовый состав и структуру материала, и, в отличие от сплавов алюминий-магний, сплавы с магнием и кремнием нуждаются в закалке и последующем старении. Эта дополнительная операция приводит к получению более высоких характеристик прочности, что позволяет создавать из них конструкции меньших сечений.

Эти сплавы чуть менее стойки к коррозии, чем Al-Mg, но все равно отлично показали себя для внутренних элементов и палубных надстроек. По свариваемости они уступают алюминий-магниевым сплавам, но зато из них можно получать прессованием сложные формы. Типичными сплавами данной группы являются АД31, АД33, 6060, 6061.

Надстройки судов на воздушной подушке компании "Ховеркрафт" изготавливаются из  сплава 6061 миллиметровой толщины  / Изображение: ООО "Ховеркрафт"

– Что такое сплавы 6082 и 6063, где они используются?

– Это типичные представители сплавов алюминий-кремний-магний. Данные материалы включены в зарубежные морские регистры, и из них делают различные внутренние элементы судов. В России аналогами данных сплавов являются сплавы АД31 и АД35.

Сплав 6063 легирован меньшим количеством добавок (он содержит всего около 0,4% кремния и 0,65% магния), поэтому обладает чуть более высокой коррозионной стойкостью по сравнению со сплавом 6082 (который содержит уже по 1% магния и кремния, а также малую добавку марганца), но при этом менее прочный. Эти сплавы хорошо прессуются, поэтому сплав 6063 широко применяется, например, для изготовления различных оконных профилей, а сплав 6082 используется при изготовлении мостов.

– Многие крупные верфи мира стараются не строить больших алюминиевых судов, к примеру, компания Damen только сейчас решилась построить скоростное однокорпусное судно длиной 70 м. Это предельный размер для судов из алюминиевых сплавов?

– Технологии и методы, доступные сегодня для алюминиевого судостроения, позволяют предполагать замену в будущем стали, как основного конструкционного материала корабля. Например, чудо кораблестроения, самый большой алюминиевый парусник в мире – яхта Sea Eagle II, построенная на нидерландской верфи Royal Huisman, имеет длину 81 метр. А производитель алюминиевых катамаранов – австралийская компания INCAT в настоящий момент строит самое большое алюминиевое судно в мире – скоростной паром длиной 130 метров.

– Каков сегодня расчетный срок эксплуатации судов из алюминия? 

– Для современных алюминиевых судов он может составить и 20,  и 30 лет. Не стоит забывать, что многие действующие скоростные пассажирские суда были построены еще в советские годы и имеют срок службы 35-40 лет и более. И это при нормативе в 18 лет.

– Как изменились за последние десятилетия технологии обработки алюминия?

– В целом алюминиевая металлургическая отрасль сложилась достаточно давно, и все подходы по обработке давлением, литью и пр. на текущий момент достаточно совершенны. Конечно, вместе с разработкой новых сплавов, совершенствуются и производственные технологии.

В настоящее время в мире существует большое количество состояний поставки полуфабрикатов с особым комплексом свойств для одного и того же материала. Это стало результатом создания особых режимов деформации и термической обработки. Получается своего рода "программирование" сплава. Конечно, нельзя заявлять о том, что характеристиками можно варьировать в широком диапазоне, но с учетом специфики применения можно получать один и тот же материал с отличающимися свойствами.

Если говорить о литейном переделе, то неизменно растет качество слиткового литья, что обусловлено постоянно улучшающимися практиками – введением новых систем фильтрации, использованием более совершенных кристаллизаторов. Слиток во многом определяет качество продукции, поэтому очень важно соблюдать и совершенствовать технологии производства морского алюминия с самого начала.

Необходимо отметить, что развиваются технологии соединения и защиты металлических конструкций. Если еще несколько десятков лет назад алюминий варили плавлением по технологии TIG, то сейчас, напомню, в мире успешно освоена сварка трением, обеспечивающая более прочные соединения. Большой прогресс наблюдается и в лазерной сварке, которая позволяет получать тонкие сварные соединения с минимальной зоной термического воздействия.

Далеко не все эти технологии нашли свое применение в российским судостроении, но, безусловно, стоит ждать, что скоро они будут освоены и в отечественной практике. В любом случае, научная и технологическая мысль не стоит на месте, и технологии адаптируются под современные требования. Ученые и исследователи постоянно разрабатывают новые типы защитных покрытий, которые обеспечивают надежную и длительную эксплуатацию в экстремальных условиях.

– Еще один важный момент – контроль усталостных характеристик алюминия. Какие методы используются сегодня для этого?

– Усталость – ключевая характеристика для материалов, работающих в условиях динамических нагрузок. Алюминиевые сплавы по своему поведению несколько отличны от сталей, тем не менее, для испытаний на усталость существует единый ГОСТ, согласно которому проводятся все исследования. С этой точки зрения, при применении нет никаких подводных камней: проектировщики точно знают, какая база проведения испытаний нужна, а существующие используемые алюминиевые сплавы в судостроении хорошо изучены и включены во все необходимые разрешительные документы.

– Какие предприятия сегодня производят в России морской алюминий, и в каких видах он выпускается?

– Практически все прокатные предприятия России, такие как "Алюминий Металлург Рус", "Арконик СМЗ" или Каменск-Уральский металлургический завод, производят "морской" алюминий. Это и алюминиевые плиты, алюминиевые листы толщиной от 0,5 до 10 мм, различные прессованные и горячекатаные профили, оребренные прессованные панели.

Использование экструдированных алюминиевых панелей ускорило строительство лайнера "Мустай Карим"  / Изображение: Корабел.ру

Новый продукт – это сварные крупногабаритные облегченные панели (СКО-панели) толщиной от 2 до 6 мм, которые применяются для строительства корпусов и надстроек. Все полуфабрикаты и панели имеют сертификаты Российского морского и речного регистров судоходства и удовлетворяют требованиям части XIII "Материалы" Правил классификации и постройки морских судов (под наблюдением Регистра).

– Импортируются ли сегодня какие-нибудь виды алюминиевого проката для судостроения?

– Весь необходимый сортимент алюминиевых полуфабрикатов производится на отечественных металлургических предприятиях, и, что самое главное, в соответствии с требованиями Российского морского и речного регистров судоходства. Поэтому нет необходимости импортировать прокат для нашего судостроения.

Материал на тему:

Что знали об алюминии на "Красном Сормове"? И как им это помогло.