Одна из задач современного самолётостроения — облегчение конструкции летательного аппарата. Замена нескольких сотен тысяч заклёпок, используемых при изготовлении корпуса большого пассажирского самолёта, на сварные швы позволила бы значительно облегчить его, удешевить производство и существенно улучшить эксплуатационные характеристики. Но всё не так просто. Конструкция самолёта должна иметь все детали с одинаковой прочностью, то есть сварной шов должен обладать такой же прочностью, что и свариваемый материал, чего нельзя достигнуть традиционными методами сварки.

Сварной шов с дендритно-игольчатой структурой (слева) не столь прочен, как с мелкодисперсной (справа). Микрофотографии сделаны в Институте физики твёрдого тела РАН, г. Черноголовка.

Учёные Института теоретической и прикладной механики СО РАН имени С. А. Христиановича (ИТПМ СО РАН, г. Новосибирск) разработали технологию, которая может помочь в решении этой задачи. Они предложили лазерную сварку с применением нанопорошка, позволяющую получать сварной шов с существенно улучшенными прочностными свойствами.

Основная идея новой технологии — введение в сварной шов порошка тугоплавкого соединения (например, карбида или нитрида титана) с наноразмерными частицами. Это даёт возможность управлять процессом кристаллизации металла при сварке. Введение нанопорошка в сварной шов кардинальным образом изменяет процесс зародышеобразования, которое происходит на наноразмерных частицах на границе контакта трёх фаз (наночастица—зародыш—расплав) и резко изменяет строение и величину (морфологию и дисперсность) растущего зерна. Структура шва вместо игольчато-дендритной становится квазиравноосной и мелкодисперсной. Уменьшается размер неметаллических включений. Соответственно повышаются механические свойства (прочность и пластичность) металла шва, возрастает в несколько раз относительное удлинение, увеличиваются предел прочности и предел текучести.

Напомним, что 100—150 лет назад по морям ходил и суда с клёпаными корпусами. Затем была разработана технология сварки стали, обеспечивающая необходимую прочность, и все корабельные корпуса стали сварными. Так и клёпаные самолёты, возможно, скоро будут заменены на сварные. Тем более что опыт изготовления сварных самолётов, правда пока только военных, уже есть.

№4, 2008