Алюминий меняет профессию

В небе и в космосе

Впервые алюминий "полетел" в 1900 году — в виде каркаса и винтов огромного дирижабля LZ-1 Фердинанда Цеппелина. Но мягкий чистый металл годился только для медлительных летательных аппаратов легче воздуха. По-настоящему "крылатый" алюминий  был уже прочнее в пять раз, поскольку содержал в своём составе марганец, медь, магний, цинк в разных процентных соотношениях — небо и космос покоряли разновидности дюралюминия, сплава, изобретённого ещё в начале ХХ века немецким инженером Альфредом Вильмом.

Материал был перспективным, но имел и немало ограничений — требовал так называемого старения, то есть набирал заложенную в него прочность не сразу, а лишь со временем. Да и сварке не поддавался… И тем не менее покорение космоса началось именно с дюраля, из которого в том числе выполнен и шар знаменитого первого искусственного спутника Земли.

Гораздо позже, в разгар космической эпохи, начали появляться сплавы и материалы на основе алюминия с куда более замечательными свойствами. К примеру, дружба алюминия с литием позволила сделать детали самолётов и ракет значительно легче, не снижая прочности, а сплавы с титаном и никелем обладают свойством "криогенного упрочнения": в космическом холоде пластичность и прочность их только возрастают. Из тандема алюминия и скандия была выполнена обшивка космического челнока "Буран": алюминиево-магниевые пластины стали гораздо прочнее на разрыв, сохранив при этом гибкость и вдвое повысив температуру плавления.

Более современные материалы — не сплавы, а композиты. Но и в них основой чаще всего является алюминий. Один из современных и перспективных авиакосмических материалов называется "бороалюминиевый композит", где волокна бора прокатываются сэндвичем со слоями алюминиевой фольги, образуя под высокими давлениями и температурами крайне прочный и лёгкий материал. К примеру, лопатки турбин продвинутых авиационных двигателей представляют собой бороалюминиевые несущие стержни, одетые в титановую "рубашку".

В автопроме и на транспорте

Сегодня у новых моделей Range Rover и Jaguar доля алюминия в конструкции кузова составляет 81%. Первые же эксперименты с алюминиевыми кузовами принято приписывать компании Audi, презентовавшей A8 из лёгких сплавов в 1994 году. Однако ещё в начале ХХ века этот лёгкий металл на деревянном каркасе был фирменным стилем кузовов знаменитых британских спорткаров Morgan. Настоящее "алюминиевое вторжение" в автопром началось в 1970-е, когда заводы массово принялись использовать этот металл для блоков цилиндров двигателей и картеров коробок передач вместо привычного чугуна; чуть позже распространение получили легкосплавные колёса вместо штампованных стальных.

В наши дни ключевой тренд автопрома — электричество. И лёгкие сплавы на основе алюминия приобретают особую актуальность в кузовостроении: "энергосберегающий" металл делает электромобиль легче, а значит, увеличивает пробег на одном заряде батарей. Алюминиевые кузова использует марка Tesla — законодатель мод на рынке автомобилей будущего, и этим, собственно, всё сказано!

Отечественных автомобилей с алюминиевыми кузовами пока нет. Но нержавеющий и лёгкий материал уже начинает проникать в российскую транспортную сферу. Характерный пример — ультрасовременные скоростные трамваи "Витязь-М", чьи салоны полностью выполнены из алюминиевых сплавов, практически вечных и не нуждающихся в постоянной подкраске. Стоит отметить, что на создание одного трамвайного интерьера требуется до 1,7 тонны алюминия, который поставляет Красноярский алюминиевый завод "Русала".

"Потолок, стены, стойки — всё алюминиевое. И это не просто обшивка листами, детали сложные, совмещающие в себе и отделочные, и несущие элементы, и туннели для вентиляции и проводки, — рассказывает Виталий Деньгаев, гендиректор компании "Красноярские машиностроительные компоненты", где были созданы алюминиевые салоны "Витязя". — Плюс помимо эстетики мы получаем ещё и высочайшую безопасность: в отличие от пластиков и синтетики алюминиевый салон не выделяет вредных веществ, если возникло возгорание!"

С 17 марта этого года 13 трамваев "Витязь-М" начали ходить по Москве и к 5 апреля уже перевезли первую сотню тысяч пассажиров! Этот быстрый и бесшумный городской транспорт с салонами на 260 человек, с Wi-Fi, климат-контролем, местами для инвалидов и детских колясок и прочими элементами комфорта, рассчитан на срок службы в 30 лет, что вдвое больше, чем у составов прошлых моделей. В ближайшие три года столица получит 300 "Витязей", 100 из которых встанут на рельсы уже в этом сезоне.

В принтерах будущего

Элементарными любительскими 3D-принтерами, печатающими из пластиковой нити, уже никого не удивишь. Сегодня начинается эра полноценной серийной 3D-печати деталей из металла. Алюминиевый порошок — едва ли не самый распространённый материал для технологии, называемой AF (от Additive Fabrication, "аддитивное производство"). Additive по-английски — "добавка", и в этом глубокий смысл названия технологии: деталь производится не из болванки, от которой в процессе обработки отрезается лишний материал, а наоборот — добавлением материала в рабочую зону инструмента.

Металлический порошок выходит из дозатора AF-машины и послойно спекается лазером в единую прочную массу монолитного алюминия. Детали, которые делаются цельными по методу AF, поражают воображение своей пространственной сложностью; выполнить их классическими методами даже на самых современных металлообрабатывающих станках — невозможно! За счёт ажурной конструкции детали, созданные на машинах аддитивной печати из порошков алюминиевых сплавов, имеют прочность, как у монолита, будучи при этом в несколько раз легче. Производятся они безотходно и быстро — такие металлические "кружева" незаменимы в биомедицине, авиации и космонавтике, в точной механике, при изготовлении пресс-форм и так далее.

Ещё недавно все технологии, связанные с Additive Fabrication, были иностранными. Но сейчас активно развиваются отечественные аналоги. Например, в Уральском федеральном университете (УрФУ) готовится к запуску экспериментальная установка по производству металлических порошков для AF-3D-печати. Установка работает на принципе распыления расплавленного алюминия струёй инертного газа, такой метод позволит получать металлические порошки с любыми заданными параметрами размерности зерна.

В строительстве и освещении

Алюминий может быть также фасадным и кровельным материалом, срок службы которого не ограничивается парой лет и который крайне удобен для дизайнеров и монтажников! Для строительства разработаны особые патентованные сплавы и композиты с самыми разными свойствами — Alclad, Kal-Alloy, Kalzip, Dwall Iridium. Из алюминия можно штамповать детали, в которых кровельная плоскость составляет единое целое с несущими элементами. Это необходимо, к примеру, для создания раздвижных крыш стадионов.

Покрытые специальной разновидностью фторполимера, родственной тефлону, алюминиевые детали крыш выдерживают огромные нагрузки от ветра и осадков. А при сооружении кровель огромных размеров, где общая длина листа от края до края может достигать нескольких десятков метров, используют особую технологию, разработать которую также позволила пластичность алюминия. Чтобы избежать ненадёжного соединения множества небольших листов, на стройплощадку подвозят алюминиевую ленту шириной в несколько метров, свёрнутую в огромный рулон, и прямо на стройплощадке пропускают через специальную машину, делающую ровную ленту профилированной, а значит жёсткой. По специальным направляющим с роликами алюминиевый профиль подают на крышу здания. Эту технологию разработала британская Corus Group, один из мировых лидеров в области производства кровельных алюминиевых листов (ныне в составе Tata Steel).

В нашей же стране алюминиевая архитектура по-настоящему разворачивается только сейчас, с отставанием от мировых темпов, но бодро их нагоняя, — из последних примеров внедрения можно назвать крышу стадиона "Зенит-Арена" в Санкт-Петербурге, объекты казанской Универсиады, сочинский аэропорт, строящийся сейчас в Нижнем Новгороде уникальный легкосплавный мост и другие объекты.

Здание построено, кровля возведена, теперь нужен свет! И тут алюминий снова в тренде. Это не только "крылатый" металл, но ещё и "металл света". Сейчас в мире горят миллиарды LED-ламп и число их ежесекундно растёт. В каждой лампе установлен алюминиевый радиатор, отводящий лишнее тепло от кристаллов светодиодов, не дающий им перегреться. Но куда более важную роль алюминий играет при изготовлении основы самих светодиодов — лейкосапфира. Так называется искусственный кристалл из особо чистого оксида алюминия. Сейчас тонны сырья для кристаллов в основном завозятся из-за границы, однако недавно в Набережных Челнах при поддержке Ростеха запущена первая в стране линия по производству особо чистого оксида алюминия для выращивания монокристаллов лейкосапфиров. В Алюминиевой ассоциации убеждены, что в течение 2–3 лет наши предприятия смогут полностью заместить импорт в Россию особо чистого оксида алюминия, что резко стимулирует отечественное светодиодное производство.

В нашей жизни — повсюду…

…Просто мы не всегда об этом знаем! Практически все качественные гаджеты сделаны на основе алюминиевых сплавов: рамки и крышки смартфонов, планшетов, ноутбуков, корпуса "пауэрбанков" и многое другое. Спортивный инвентарь, детские коляски, кулинарная посуда, батареи отопления, мебельная фурнитура — список сфер, где задействован лёгкий металл, безграничен. Но почему мы не всегда об этом знаем? Дело в том, что алюминий и его сплавы в "голом виде", как та, всем известная, но безнадёжно устаревшая алюминиевая ложка, в наши дни почти не встречается. Сегодня бал правит технология анодирования, которая позволяет покрывать детали из алюминия и его сплавов прочной износостойкой плёнкой оксида. Анодирование не пачкает рук и может получить практически любой цвет и текстуру.

Одно из перспективнейших бытовых алюминиевых направлений — велосипедные рамы. Алюминиевая рама очень лёгкая, поэтому и поднимать велосипед, и ездить на нём очень удобно. Рама не ржавеет при повреждениях краски, легирующие добавки делают металл очень прочным, а технологии под названиями "баттинг" и "гидроформинг" позволяют производить трубы с переменной толщиной и с любыми изгибами, облегчая и усиливая раму именно там, где это нужно.

Миллионы велосипедов — огромный рынок! Однако пока рамы всех продаваемых и собираемых в нашей стране двухколёсников — импортные… "Впрочем, в этой сфере наметилась небольшая революция: инженеры "Русала" разработали особый новый сплав, идеально подходящий для велорам, и ведут работу по развитию производства рам в нашей стране, — рассказывает заместитель редактора журнала "Металлоснабжение и сбыт" Леонид Хазанов. — Проект поддерживают "Русал", как единственный российский производитель алюминия, расположенный в Набережных Челнах завод алюминиевых профилей "Татпроф", готовый делать трубы для рам, и отечественная компания — сборщик велосипедов "Веломоторс". Если задуманные масштабы производства будут реализованы, наши рамы должны стать дешевле китайских и при этом куда выше по качеству".

Россия — мировой алюминиевый лидер, входящий в первую тройку производителей этого металла. СССР начал строить алюминиевые заводы в начале тридцатых годов ХХ века, к середине десятилетия полностью избавившись от импорта. Однако по-настоящему в "алюминиевую эру" мы вступаем, как ни странно, только сейчас. Основной владелец "Русала" Олег Дерипаска неоднократно заявлял, что уровень потребления алюминия в России гораздо ниже общемирового и сегодня наконец настало время сломить этот тренд и приложить максимум усилий и средств для создания перерабатывающих мощностей на территории страны и вытеснить импортную продукцию, к качеству которой зачастую возникает масса вопросов.

Долгие годы инженеры-проектировщики избегали использования алюминия, поскольку в устаревших нормативных документах алюминиевые сплавы и композиты просто не фигурировали — сегодня же нормативы, ГОСТы и СНИПы пересматриваются и обновляются в духе времени. И практически все сферы промышленности ждут открытия для себя новых областей использования этого металла.