История получения и применения алюминия и его сплавов
История получения и применения алюминия и его сплавов
Аннотация
Код статьи
S020596060008100-2-1
DOI
10.31857/S020596060008100-2
Тип публикации
Обзор
Статус публикации
Опубликовано
Авторы
Васина Мария Анатольевна 
Должность: аспирант
Аффилиация: Кафедра обработки металлов давлением, Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Адрес: 119049, Российская Федерация, г. Москва Ленинский проспект, д. 4
Выпуск
Страницы
560-575
Аннотация

В статье рассматривается история получения и применения в различных сферах человеческой деятельность алюминия и его сплавов начиная с момента открытия этого элемента и до сегодняшнего дня. Человек начал использовать алюминий позднее, чем многие другие металлы – он был выделен в чистом виде лишь в первой половине XIX в. Однако благодаря своим свойствам он довольно быстро нашел применение в хозяйстве и настоящее время задействован практически во всех сферах человеческой деятельности: этот металл широко используется в транспортной, электротехнической и пищевой промышленности. Большое распространение получили алюминиевые сплавы, характеризующиеся сочетанием особых физических и механических свойств, а именно невысокой плотности с отличной теплопроводностью и высокой коррозионной стойкостью. К тому же они могут быть переработаны и повторно использованы, что несомненно является большим экологическим и экономическим преимуществом. Автором проведены анализ и обобщение материалов по истории алюминия и его сплавов, в том числе зарубежных, и выделены наиболее важные события в этой сфере.

Ключевые слова
алюминий, алюминиевые сплавы, история алюминия, история алюминиевой промышленности, история открытия алюминия, история техники, история материаловедения, история химии, история металлов
Классификатор
Получено
02.01.2020
Дата публикации
29.09.2020
Всего подписок
12
Всего просмотров
212
Оценка читателей
0.0 (0 голосов)
Цитировать Скачать pdf 100 руб. / 1.0 SU

Для скачивания PDF необходимо авторизоваться

Полная версия доступна только подписчикам
Подпишитесь прямо сейчас
Подписка только на эту статью
100 руб. / 1.0 SU
Подписка на весь выпуск
880 руб. / 16.0 SU
Все выпуски за 2020 год
2816 руб. / 56.0 SU
1

История использования и изучения соединений алюминия

2 В отличие от других распространенных металлов, таких как золото, серебро, медь, свинец и железо, которые уже применялись в Древнем мире, алюминий был открыт только в XIX в. Тем не менее соединения этого металла начали использоваться человеком намного раньше. В частности, упоминание о них можно найти в книге греческого историка Геродота, жившего в V в. до н. э. Он пишет о минеральной породе, которую называет στυπτηρία. Предположительно, Геродот имеет в виду квасцы1. Также сведения об использовании квасцов (alumen) можно найти в книге «Естественная история» римского ученого Плиния Старшего2.
1. The Egypt of Herodotus: Being the Second and Part of the Third Books of His History. With Notes and Preliminary Dissertations, by John Kenrick. London: B. Fellowes, 1841. P. 222–223.

2. Плиний Старший. Естествознание. Об искусстве / Пер. Г. А. Тароняна. М.: Ладомир, 1994. С. 44–46.
3 Квасцы – гидратированная двойная сульфатная соль алюминия и щелочного металла – химическое соединение, встречающееся в природе3. Уже в Античности они использовались как вяжущее и красящее средство4, а в медицинской книге Древнего Египта (около 1550 г. до н. э.) описываются различные заболевания и их лечение с помощью квасцов5.
3. Например, квасцы алюмокалиевые (KAl(SO4)2 · 12H2O) или алюмонатриевые (NaAl(SO4)2 · 12H2O).

4. Rabinovich, D. The Allure of Aluminium // Nature Chemistry. 2013. Vol. 5. No. 1. P. 76.

5. Osborn, E. L. From Bauxite to Cooking Pots: Aluminum, Chemistry, and West African Artisanal Production // History of Science. 2016. Vol. 54. No. 4. P. 429.
4 Лишь в XVI в. немецкий врач и естествоиспытатель Парацельс (Филипп Ауреол Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм), исследуя различные вещества и минералы, в том числе квасцы, установил, что они «есть соль некоторой квасцовой земли», в состав которой входит окись неизвестного металла, впоследствии названная глиноземом6.
6. Maxwell-Stuart, P. G. Alchemy // Encyclopedia of Toxicology. 3 rd ed. / Ph. Wexler (ed.). Amsterdam: Elsevier, 2014. P. 118.
5 Примерно к VIII–IX вв. относятся первые упоминания об изготовлении квасцов в Древней Руси, где их также использовали для окраски тканей и приготовления сафьяновых кож. В Средние века в Европе уже действовало несколько заводов по производству квасцов7.
7. Lopez, R., Raymond, I. Medieval Trade in the Mediterranean World: Illustrative Documents Translated with Introductions and Notes. New York: Columbia University Press, 2001. P. 355.
6 В труде «О горном деле и металлургии в двенадцати книгах» (De re metallica), опубликованном в 1556 г., немецкий ученый Георгий Агрикола описывает процессы добычи квасцов из минералов8 . Стоит отметить, что до XVIII в. соединения алюминия (квасцы и окись) не умели отличать от других, похожих по внешнему виду соединений9. Глинозем (Al2O3) был получен в 1754 г. из раствора квасцов (действием щелочи) немецким химиком Сигизмундом Маргграфом и получил название «квасцовая земля»10. Немного позднее это название трансформировалось в «алюмина» (alumina)11.
8. Агрикола Г. О горном деле и металлургии в двенадцати книгах. 2-е изд. / Ред. С. В. Шухардин. М.: Недра, 1986. С. 252–255.

9. Фигуровский Н. А. Открытие элементов и происхождение их названий. М.: Наука, 1970. С. 51.

10. Ashkenazi. How Aluminum Changed the World… P. 102.

11. Фигуровский. Открытие элементов… С. 51.
7 В 1783 г. французский химик Антуан Лоран Лавуазье предложил новую кислородную теорию горения, которая заменила господствующую тогда теорию флогистона. В рамках этой теории он выдвинул свою идею о том, что оксид алюминия является оксидом металла с сильным сродством к кислороду12. В 1789 г. в «Таблице простых тел» Лавуазье поместил «алюмину» (alumine) среди «простых тел, солеобразующих, землистых». Здесь же приведены синонимы названия «алюмина»: аргила, квасцовая земля, основание квасцов13.

Алюминиевая революция XIX в.

12. Rabinovich. The Allure of Aluminium… P. 76.

13. Фигуровский. Открытие элементов… С. 51.
8 Хотя доля алюминия в земной коре составляет около 8 %, высокое сродство этого металла к кислороду, а также стабильность оксидов и силикатов алюминия препятствовали его выделению в течение длительного времени. По этой причине алюминий стал широко использоваться только в конце XIX в.14
14. Ashkenazi. How Aluminum Changed the World… P. 102.
9 В 1800 г. итальянский физик и химик Алессандро Вольта обнаружил возникновение электрического тока между парой разнородных металлических электродов, разделенных электролитом. Наполеон был так впечатлен достижением Вольты, что приказал Политехническому институту в Париже построить большую батарею для исследовательских целей15. Также мощная батарея была построена в Королевском институте в Лондоне. В 1807 г. английский химик Гемфри Дэви, используя эту батарею, смог выделить как калий, так и натрий, но металлический алюминий из глинозема ему получить не удалось16. Год спустя Дэви объявил, что глинозем, вероятно, является оксидом земли необнаруженного металла, и дал ему название «алюмиум» (alumium) или «алюминум» (aluminum). С тех пор последнее название используется в США, а в Англии и других странах принято использовать предложенное им же позднее название «алюминиум» (aluminium)17. Впоследствии многие исследователи приложили большие усилия для получения металлического алюминия.
15. Habashi, F. The Beginnings of the Aluminum Industry // Nano Studies. 2013. Vol. 8. P. 333.

16. Ibid.

17. Фигуровский. Открытие элементов… С. 52.
10 В 1825 г. датским химиком Хансом Кристианом Эрстедом в процессе восстановления хлорида алюминия амальгамой калия было впервые получено небольшое количество чистого алюминия. Эрстед производил хлорид алюминия несколькими годами ранее, нагревая вместе глинозем и древесный уголь в потоке хлора18.
18. Habashi. The Beginnings of the Aluminum Industry… P. 333.
11 В 1827 г. немецкий химик Фридрих Велер повторил эксперименты Эрстеда и успешно изготовил алюминиевый порошок. И Эрстед, и Велер отделили металлический алюминий от его хлорида, однако использование дорогостоящего калия в этом процессе не позволяло развернуть промышленное производство алюминия, поэтому цены на него превышали цены на золото19.
19. Eskin, D. G. Physical Metallurgy of Direct Chill Casting of Aluminum Alloys. New York: CRC Press, P. 1–2.
12 В 1854 г. французский химик Анри Сент-Клер Девиль сообщил о начале промышленного производства алюминия с использованием натрия в качестве восстановителя. Ученый получил глинозем из бокситовой руды (глинистый минерал, богатый оксидом алюминия) и использовал натрий вместо калия в качестве восстановителя для производства металлического алюминия. Полученный металл имел чистоту менее 95 %. Хотя процесс Девиля значительно снизил стоимость производства алюминия (с 500 до 40 долларов за килограмм), все же этот металл оставался очень дорогим20.
20. Ibid.
13 Благодаря открытию Девиля алюминий был впервые представлен широкой публике на Всемирной выставке в Париже в 1855 г. и вызвал большой интерес: алюминиевый слиток с названием «серебро из глины» был показан в стеклянном футляре, лежащем поверх темной бархатной ткани. В том же году Наполеон III, чтобы произвести впечатление на своих самых выдающихся гостей, на государственных обедах использовал алюминиевую посуду. Уже к парижской Всемирной выставке 1867 г. французские ученые смогли изготовить из алюминия листы, фольгу и проволоку, а также полноценные товары – шлемы и телескопы21. К этому времени для многих ученых стало ясно, что метод Девиля не имеет перспектив, и основной задачей была разработка экономически выгодного метода получение алюминия. В 1865 г. известный русский ученый Николай Николаевич Бекетов предложил интересный способ, который быстро нашел применение на алюминиевых заводах Франции и Германии. Он проводил реакцию взаимодействия между криолитом (Na3AlF6) и магнием. Способ Бекетова не сильно отличался от метода Девиля, но был проще. В немецком городе Гемелингене в 1885 г. был построен завод, использующий способ Бекетова, и за пять лет здесь было получено 58 т алюминия22.
21. Ashkenazi. How Aluminum Changed the World… P. 102.

22. Беляев А. И. Николай Николаевич Бекетов – выдающийся русский физико-химик и металлург. М.: Государственное научно-техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии, 1953. С. 101–103.
14 Наконец, в 1886 г. американским инженером Чарльзом Мартином Холлом и французским инженером Полем Эру независимо друг от друга был разработан современный способ производства чистого алюминия, известный как процесс Холла – Эру23. Он был основан на электролизе глинозема, растворенного в криолите (Na3AlF6), и полностью заменил метод Девиля. Открытие этого процесса можно по праву считать одним из ключевых событий, сделавших алюминий доступнее.
23. Ashkenazi. How Aluminum Changed the World… P. 105.
15 В 1888 г. Холл основал завод по производству алюминия в Кенсингтоне (США). В том же году американский химик Гамильтон Янг Кастнер разработал процесс производства металлического натрия, который снизил цену на него и, соответственно, стоимость производства алюминия с помощью натрия, но этот метод все равно уже не мог конкурировать с методом Холла – Эру24.
24. Habashi. The Beginnings of the Aluminum Industry… P. 334.
16 В 1887–1892 гг. работавший в России австрийский химик Карл Йозеф Байер нашел способ получения металлического алюминия путем очистки боксита – наиболее распространенной алюминиевой руды, состоящей в основном из AlO(OH) или Al(OH) 3 . Суть процесса Байера состоит в выщелачивании предварительно измельченного боксита щелочно-алюминатным раствором и дальнейшем выделении из раствора гидроксида алюминия. Данный способ был открыт Байером в 1887 г., когда химик работал на Тентелевском химическом заводе в Санкт-Петербурге. Дальнейшие исследования, проведенные им в 1892 г. на Бондюжском химическом заводе недалеко от Елабуги, помогли усовершенствовать метод путем создания циклического процесса и использования автоклава. Метод Байера быстро получил признание во всем мире и наравне с процессом Холла – Эру до сих пор используется для производства алюминия25.
25. Ruys, A. Alumina Ceramics: Biomedical and Clinical Applications. Duxford: Woodhead Publishing, 2019. P. 19–20.
17 В 1895 г. Дмитрий Александрович Пеняков разработал способ производства глинозема из бокситов путем их спекания с сульфатом натрия в присутствии угля. В отличие от процесса Байера, в котором использовалась щелочь, Пеняков предложил более дешевое сырье – сульфат натрия. Этот сульфатный метод успешно конкурировал с методом Байера: во Франции и в Бельгии работали два глиноземных завода26.
26. Соколов Р. С. Химическая технология: учебное пособие для студентов высших учебных заведений: в 2 т. М.: Гуманитарный издательский центр ВЛАДОС, 2000. Т. 2: Металлургические процессы. Переработка химического топлива. Производство органических веществ и полимерных материалов. С. 17.
18 Хотелось бы отметить, что искусство всегда было неразрывно связано с наукой. Бурное развитие алюминиевой промышленности вдохновило многих творческих людей: так, например, в 1893 г. сэр Альфред Гилберт создал алюминиевую скульптуру Антероса, древнегреческого бога бескорыстной любви27.
27. Martini, C., Ballarin, B., Chiavari, C., Roversi, A. The Aluminum-Cast Madonna Statue of “Tempio Votivo”, Lido di Venezia (Italy): Identification of Degradation Factors and Assessment of a Cleaning Procedure // Materials Chemistry and Physics. 2012. Vol. 137. No. 1. P. 405.
19 Открытия XIX в. стали отправной точкой для дальнейшего развития алюминиевых сплавов: с каждым годом производство алюминия росло, а его стоимость падала. Например, в 1860 г. стоимость 1 кг этого металла составляла 40 долларов, а в 1914 г. цена на него упала до 40 центов и он перестал считаться драгоценным металлом28.
28. Eskin. Physical Metallurgy of Direct Chill Casting… P. 2.
20

Алюминий и его сплавы в XX в.

21 В 1903 г. американские инженеры и авиаторы Уилбур и Орвилл Райт построили самолет «Флайер-1» и совершили на нем полет. Особенностью этого летательного аппарата был новый двигатель, который включал в себя компоненты из алюминия. Это событие стало первой попыткой использования данного металла в авиации (до этого самолеты строили из легкого дерева, шелка и стальной проволоки)29.
29. Ashkenazi. How Aluminum Changed the World… P. 107.
22 В 1915 г. в Российской империи профессор Александр Назарович Кузнецов и инженер Евгений Иванович Жуковский разработали способ получения глинозема из низкокачественных бокситов посредством их электротермической плавки с баритом и углем. Позднее этот способ был положен в основу технологии довоенного производства глинозема в СССР на Днепровском алюминиевом заводе30.
30. Николаев И. В., Москвитин В. И., Фомин Б. А. Металлургия легких металлов. М.: Металлургия, 1997. С. 16.
23 В 1918 г. норвежский химик Карл Вильгельм Седерберг усовершенствовал процесс Холла – Эру, что значительно увеличило производство алюминия в мире. Суть его изобретения состояла в следующем: в электролизере Холла – Эру угольные аноды расходовались со скоростью 2,5 см в сутки, и для их замены на новые часто требовалось вмешательство человека в процесс. Седерберг разработал способ, который использует возобновляемый электрод, непрерывно образующийся и спекающийся в восстановительной камере из пасты – смеси 70 % молотого кокса и 30 % смоляной связки. Эта смесь закладывается в прямоугольную стальную оболочку, расположенную вертикально над ванной с расплавом внутри печи и открытую сверху и снизу. По мере того как анод расходуется, в верхнее отверстие оболочки добавляется коксосмоляная смесь. Когда паста опускается вниз и нагревается, она спекается в твердый углеродистый брусок прежде, чем достигает рабочей зоны31.
31. Сандлер Р. А., Ратнер А. Х. Электрометаллургия алюминия и магния. Л.: ЛГИ, 1983. С. 34.
24 Новые способы получения алюминия, его дешевизна и особые свойства подтолкнули изобретателей всего мира к его активному использованию. Но свойства чистого металла уже не в полной мере удовлетворяли растущие потребности человечества. Исследователям было известно, что прочность многих сплавов зачастую гораздо выше, чем чистых металлов, входящих в их состав. И к началу XX в. перед учеными-металлургами встала важная задача поиска тех элементов, которые, вступив в соединение с алюминием, придали бы ему прочность.
25 В 1903 г. немецкий химик Альфред Вильм изготовил алюминиевый сплав, содержащий добавки меди, магния и марганца. Его прочность была выше, чем у чистого алюминия, но ученый предполагал упрочнить его еще больше с помощью закалки. Вильм нагрел несколько образцов сплава примерно до 600 °С, а затем опустил их в воду. Такая термообработка заметно повысила прочность сплава, но, поскольку результаты испытаний различных образцов оказались неоднородными, химик усомнился в точности измерений и несколько дней выверял прибор, а образцы лежали на столе. Когда Вильм продолжил испытания, то результаты его удивили: прочность образцов возросла практически в два раза. После многократного повторения опытов ученый убедился, что его сплав после закалки продолжает в течение 5–7 дней становиться прочнее, а пластичность не изменяется. Так было открыто явление естественного старения алюминиевых сплавов после закалки32.
32. Wilm, A. Physikalisch-metallurgische Untersuchungen über magnesiumhaltige Aluminiumlegierungen // Metallurgie. Zeitschrift für die gesamte Hüttenkunde. 1911. Bd. 8. Nr. 8. S. 225–227.
26 На тот момент Вильм до конца не знал, что происходит с металлом в процессе старения, но, опытным путем подобрав оптимальный состав сплава и режим термической обработки, получил патент и продал его немецкой фирме, которая в 1911 г. выпустила первую партию нового алюминиевого сплава, названного дюралюминием (дюралем)33.
33. Physical Metallurgy. 5th ed. / D. Laughlin, K. Hono (eds.). Amsterdam: Elsevier, 2014. Vol. 1. P. 971.
27 В 1917 г. немецкий авиаконструктор Гуго Юнкерс разработал первый цельнометаллический самолет, в конструкции которого использовался дюраль. С тех пор алюминий стал прочно связан с авиацией. Но в те годы все равно существовал дефицит этого металла, и многие самолеты, главным образом легких типов, продолжали изготавливать из дерева34.
34. Ashkenazi. How Aluminum Changed the World… P. 107.
28 В 1920 г. в России был принят план электрификации ГОЭЛРО, что в конечном итоге позволило нашей стране стать ведущим игроком на мировом рынке алюминия. В это время в России производством алюминиевых сплавов занимался только Кольчугинский завод по обработке цветных металлов, который выпускал в небольших количествах кольчугалюминий – сплав, по составу и свойствам сходный с дюралюминием. Но для успешного развития отрасли одного завода было мало. Поэтому в начале 1929 г. в Ленинграде на заводе «Красный выборжец» под руководством Павла Павловича Федотьева были проведены опыты по получению алюминия из отечественного сырья. Их успех позволил приступить к сооружению Волховского и Днепровского алюминиевых заводов. В эти же годы на Урале были обнаружены значительные природные запасы алюминиевых руд. В 1932 г. был создан Всесоюзный научно-исследовательский институт авиационных материалов (ВИАМ), который существует и по сей день. Здесь был организован отдел цветных металлов, включающий в себя группу алюминиевых сплавов. Все вышеописанные события по праву можно считать ключевыми для дальнейшего развития материаловедения алюминиевых сплавов в России35.
35. Волков Э. П., Костюк В. В. Новые технологии в электроэнергетике России // Вестник Российской академии наук. 2009. Т. 79. № 8. С. 675–686.
29 Еще до 30-х гг. XX в. к исследователям постепенно приходило понимание, какие дополнительные легирующие элементы стоит добавлять в алюминий, чтобы придать ему требуемые свойства, например коррозионную стойкость и прочность. Первый промышленный алю миниевый сплав 51S с магнием и кремнием был разработан американской компанией «Алькоа» (Alcoa) в 1921 г., а уже к 1935 г. был представлен улучшенный алюминиевый сплав 61S (6061), способный к термообработке, со средней прочностью и хорошей коррозионной стойкостью. В то время он часто применялся в железнодорожной и морской промышленности, так как обладал коррозионной стойкостью даже после сварки. На сегодняшний день этот сплав все еще широко используется в различных областях, например в автомобилестроении (для колес и приводных валов)36.
36. Sanders, R. E. Technology Innovation in Aluminum Products // JOM. 2001. Vol. 53. No. 2. P. 22.
30 К 1936 г. исследователями были выделены основные системы термообрабатываемых алюминиевых сплавов: алюминий – магний – кремний, алюминий – магний – медь и алюминий – магний – цинк37.
37. Ibid.
31 Алюминиевые сплавы (в основном, 2xxx, 7xxx и 6xxx серий) используются в авиационной промышленности с 1930-х гг. Самолет «Дуглас DC3» (Douglas DC3), который впервые совершил полет в декабре 1935 г., является примером перехода от деревянных и тканевых самолетов к самолетам металлическим. В те же годы в СССР ВИАМ создал первые алюминиевые сплавы типа дюралюминий и магналий (алюминий – магний) для планера металлических самолетов. С тех пор алюминиевые сплавы оставались ведущим конструкционным материалом для гражданской авиации до конца XX в., пока их постепенно не стали вытеснять композитные материалы38.
38. Santos, M. C., Machado, A. R., Sales, W. F., Barrozo, M. A., Ezugwu, E. O. Ma chining of Aluminum Alloys: A Review // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 2016. Vol. 86. No. 9–12. P. 3068.
32 В начале XX в. алюминий начал использоваться в строительстве, транспортной и пищевой промышленности. Например, в 1911 г. швейцарская компания «Тоблер» (Tobler) первой использовала алюминиевую фольгу для упаковки шоколада, включая шоколад «Тоблероне» (Toblerone). Построенный в 1931 г. Эмпайр-стейт-билдинг в Нью-Йорке – самый высокий небоскреб в мире в период с 1931 по 1971 г. – был первым зданием, в конструкции которого широко использовались алюминиевые сплавы. А в 1934 г. американская железнодорожная компания «Юнион пасифик» (Union Pacific) выпустила первый алюминиевый поезд, названный М-1000039.
39. Monetta, T., Acquesta, A., Bellucci, F. A Multifactor Approach to Evaluate the Sealing of “Smooth-Wall” Containers for Food Packaging // Surface and Coatings Technology. 2017. Vol. 310. P. 33.
33 В 1933 г. на Смитфилд-стрит в Питсбурге с целью увеличения грузоподъемности была построена первая алюминиевая мостовая палуба вместо используемой ранее стальной и деревянной. Компоненты палубы были изготовлены из катаного сплава Al-2014-T6 (алюминий – медь – кремний – марганец), который в то время был самым распространенным высокопрочным конструкционным алюминиевым сплавом. С того времени алюминиевые сплавы стали использовать в мостостроении для замены деревянных и стальных платформ для повышения несущей способности40.
40. Rabinovich. The Allure of Aluminium… P. 76.
34 Первый полностью алюминиевый железнодорожный мост был построен в 1946 г. через реку Грасс в США. Балки этого моста были сделаны из пластин сплава 2014-T6 с системой легирования алюминий – медь – кремний – марганец, заклепанной алюминиевыми заклепками из сплава 2117-T4 с той же системой легирования. В конце 1940-х и начале 1950-х гг. было построено несколько алюминиевых мостов в США, Великобритании, Канаде и Германии41.
41. Ibid.
35 Уже с 1930-х гг. алюминий стал частью повседневной жизни, с 1940-х гг. его стоимость упала ниже стоимости меди, а в начале 1960-х гг. алюминий стал самым широко используемым цветным металлом в мире42. Это произошло благодаря тому, что в середине прошлого века ученые стали уделять внимание не только изобретению новых сплавов, но и способам очищения алюминия от примесей и совершенствованию методов его получения и обработки.
42. Ibid.
36 Данная стратегия уже через несколько лет дала свои первые плоды. В 1957 г. в СССР из сплава алюминия с магнием АМг-6 была изготовлена оболочка первого искусственного спутника Земли ПС-1. В 50-х гг. прошлого века ученым удалось разработать из чистейшего алюминия очень тонкую фольгу, которая служила флуоресцирующим экраном, установленным на одном из спутников для исследования испускаемых Солнцем заряженных частиц. В 1960 г. в США запустили спутник «Эхо-1», предназначенный для отражения радиосигналов. Он представлял собой тридцатиметровый шар из пластичной пленки, покрытый тончайшим слоем алюминия. Оболочка корпусов американских ракет «Авангард» и «Титан», применявшихся для запуска на орбиту первых американских спутников, а позднее и космических кораблей, также была выполнена из сплавов алюминия. Эти удачные запуски открыли перед алюминиевыми сплавами дорогу в космос. С тех пор из них делают различные детали для аэрокосмической промышленности – кронштейны, крепления, шасси, футляры и корпуса для многих инструментов и приборов43.
43. Ashkenazi. How Aluminum Changed the World… P. 108–110.
37 Область применения алюминиевых сплавов постоянно расширялась. В послевоенные годы в США был составлен список изготавливаемых из них изделий, и в нем оказалось примерно две тысячи наименований44.
44. Byko, M. Aluminum Exhibits Its Versatility in Art, Life // JOM. 2000. Vol. 52. No. 11. P. 11.
38 В 1952 г. алюминиевые сплавы стали использовать при строительстве застекленных помещений для выращивания растений – в Королевском ботаническом саду в Лондоне была сооружена первая полностью алюминиевая теплица45. В 1959 г. в Ботаническом саду Миссури в США возвели первую климатическую оранжерею, покрытую геодезическим куполом из алюминиевого сплава.
45. Habashi, F. The Story of Aluminum // Metall. 2016. H. 9. S. 349.
39 В СССР также активно использовали алюминиевые сплавы во всех сферах, и чтобы это продемонстрировать остальным государствам, в 1958 г. на Всемирной выставке в Брюсселе из стекла и алюминия был построен павильон СССР, который бельгийские газеты называли «Дворцом социализма»46.
46. Шеина Т. В., Иванов А. В. Конструкции и строительные материалы в архитектуре отечественных выставочных павильонов всемирных универсальных выставок ЭКСПО // Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура. 2011. № 4. С. 38.
40 В это время огромный вклад в разработку новых алюминиевых сплавов внес академик Иосиф Наумович Фридляндер, трудившийся в ВИАМе. Он работал над созданием высокопрочных сплавов, в част ности системы алюминий – цинк – магний – медь (В93, В95, В96Ц3), которые с 1940-х гг. становятся одними из основных материалов в силовых элементах самолетов, производимых в СССР. Из новых сплавов совместно с Всесоюзным институтом легких сплавов (ВИЛС) и металлургическими заводами были освоены все виды полуфабрикатов. Эти сплавы в дальнейшем явились основой конструкции истребителей конструкторских бюро (КБ) Микояна, Яковлева, Сухого, а также пассажирских и транспортных самолетов КБ Туполева, Илюшина и Антонова. В 1964 г. Фридляндером был разработан самый легкий сплав 1420 из алюминия с литием, который также применялся в авиации47.
47. Фридляндер И. Н. Создание, исследование и применение алюминиевых сплавов. Избранные труды. К 100-летию со дня рождения. М.: Наука, 2013. С. 10–12.
41 В 1957 г. под его руководством был создан самый прочный в мире алюминиевый сплав В96Ц для использования в газовых центрифугах для получения обогащенного урана-235. Использование данного сплава в атомной промышленности позволило в несколько десятков раз сократить расход электроэнергии, тем самым удешевив производство урана-23548.
48. Там же.
42 В 1959 г. произошло одно из самых значительных событий в сфере упаковки – Билл Курс изобрел бесшовную алюминиевую банку, которая используется и по сей день. Она не только способна сохранить качество и вкус напитка, но и позволяет решить проблему загрязнения окружающей среды: алюминиевые сплавы легко перерабатываются и могут быть повторно использованы49.
49. Ashkenazi. How Aluminum Changed the World… P. 108.
43 В 1960-х гг. при использовании алюминия основной упор делался на получение все более прочных и легких сплавов и дальнейшее расширение области их применения. Так, в 1962 г. в гонке «Индианаполис-500» в США Марион Ли «Микки» Томпсон управлял первым гоночным автомобилем с алюминиевым двигателем. Первая экспериментальная алюминиевая подводная лодка «Алюминаут» была построена компанией «Рейнолдс металс компани» (Reynolds Metals Company, RMC) в 1964 г. для океанографических исследований. Основной задачей, которая стояла перед учеными, была возможность обеспечить работу подлодки на больших глубинах (до 4572 м) в течение длительного времени. Для этой цели они создали алюминиевый сплав 7079-Т6 системы алюминий – магний – цинк с высоким отношением прочности к весу50.
50. Ibid.
44 К 1970-м гг. алюминиевые сплавы заняли лидирующие позиции в авиастроении. В 1969 г. компания «Эрбас» (Airbus) использовала их в качестве основных конструкционных материалов. Первый коммерческий рейс пассажирского широкофюзеляжного самолета «Боинг-747», включавшего в себя детали из алюминиевых сплавов серий 2ххх и 7ххх, состоялся уже в январе 1970 г.51
51. Starke, E. A., Staley, J. T. Application of Modern Aluminum Alloys to Aircraft // Progress in Aerospace Sciences. 1996. Vol. 32. No. 2–3. P. 137–138.
45 В последние десятилетия XX в. основное внимание ученых было направлено на замещение традиционных стальных и медных сплавов алюминиевыми для облегчения конструкций машин и механизмов. Первый алюминиевый скоростной электропоезд TGV был запущен в 1981 г. во Франции52. Уже с 1970-х гг. в конструкции американских ракет «Сатурн» использовался алюминиевый сплав 2219, легированный медью. В 1998 г. была выведена на орбиту Международная космическая станция. Большая ее часть была выполнена из алюминиевых сплавов, в том числе из сплава 2219-T6 и его российского аналога 120153.
52. Skillingberg, M., Green, J. Aluminum Applications in the Rail Industry // Light Metal Age. 2007. No. 5. P. 9.

53. Сетюков О. А. Алюминиевый сплав 1201 в конструкции космического корабля «Буран» // Авиационные материалы и технологии. 2013. № S1. С. 15–18.
46 Изобретение более совершенного исследовательского оборудования для изучения микроструктуры сплавов позволило в 1982 г. Дану Шехтману открыть первый икосаэдрический квазикристалл в быстроохлажденном двойном сплаве системы алюминий – марганец. Это сенсационное открытие противоречило тому, что было известно ранее о кристаллах. Работу Шехтмана не хотели публиковать. И только после привлечения им сторонних специалистов удалось выпустить короткую заметку об этом событии. За открытие квазикристаллов Дан Шехтман был удостоен Нобелевской премии по химии 2011 г. Первый стабильный тройной квазикристалл был обнаружен Ань Пан Цаем и его коллегами в системе алюминий – медь – железо. Тем не менее пока что объемные квазикристаллы на основе алюминия редко используются из-за своей хрупкости, однако они имеют низкую смачиваемость водой и могут применяться в качестве тонких пленок и покрытий54.
54. Ashkenazi. How Aluminum Changed the World… P. 109.
47

Современные тенденции применения алюминиевых сплавов

48 На сегодняшний день основными областями применения алюминиевых сплавов являются: – автомобилестроение (конструктивные элементы, панели и колеса из сплава 6061); – авиастроение (конструкционные элементы самолетов из сплава 7050-Т7451, обшивка из сплава 2024-Т3, отсеки для ракет из сплава 2014); – аэрокосмическая промышленность (сплав 2024-T3); – электротехника (сплав с редкоземельными металлами 01417); – упаковочная промышленность (сплавы 8006, 8011, 1145); – строительство (сплав 5086).
49 В последние годы наметилась тенденция к росту применения алюминиевых сплавов для морских перевозок и судостроения. Например, в 2007 г. «Остел компани» (Austal Company) построила в Австралии крупнейший в мире алюминиевый корабль. Наиболее часто используемые в агрессивных морских средах алюминиевые сплавы – это сплавы групп 5xxx и 6xxx, обеспечивающие удовлетворительную прочность в сочетании с отличной коррозионной стойкостью55.
55. Ibid. P. 111.
50 Благодаря легкому весу, хорошей коррозионной стойкости и механическим свойствам алюминиевые сплавы 2139-T8, 5083-H131, 6061-T651 и 7075-T651 широко используются в военных целях, в том числе в броневых пластинах56.
56. Scott, G. Value Chain Voice: The Aluminum Association Today // Aluminum International Today. 2017. Vol. 30. No. 2. Р. 17.
51 На данный момент одной из основных проблем для ученых в области материаловедения является достижение алюминиевыми сплавами предела прочности около 600 МПа, который необходим для дальнейшего снижения веса конструкций. Одним из возможных вариантов ее решения может стать разработка новых высокопрочных сплавов системы 7ххх57. Также многие ученые рассматривают новые системы легирования алюминиевых сплавов, в том числе и редкоземельными металлами58.
57. Long, R. S., Boettcher, E., Crawford, D. Current and Future Uses of Aluminum in the Automotive Industry // JOM. 2017. Vol. 69. No. 12. P. 2635–2636.

58. Белов Н. А., Наумова Е. А., Акопян Т. К. Эвтектические сплавы на основе алюминия: новые системы легирования. М.: Руда и металлы, 2016. С. 94.
52 В последующие годы также становится актуальной задача минимизировать негативные побочные эффекты для окружающей среды, но в то же время и далее создавать технологические инновации.
53 Стоит отметить существенный рост научных исследований в области композитных материалов с металлической матрицей, упрочненной армированными волокнами, а также изобретение пористых алюминиевых композитов. Гибридные композиты с алюминиевой матрицей – это новое поколение материалов для использования в авиа- и автомобилестроении, космической отрасли, морских сооружениях и оборонной промышленности59.
59. Attar, S., Nagaral, M., Reddappa, H. N., Auradi, V. A Review on Particulate Reinforced Aluminum Metal Matrix Composites // Journal of Emerging Technologies and Innovative Research. 2015. Vol. 2. No. 2. P. 225.
54 За последние несколько лет в энергетической отрасли были проведены исследования по поиску альтернативных источников питания взамен литий-ионных батарей. Было разработано лишь ограниченное число потенциальных электродных материалов, и исследования еще находятся на ранних стадиях, но уже сейчас можно говорить о том, что аккумуляторы на основе алюминия считаются наиболее перспективными из-за их высокой объемной емкости60.
60. Elia, G. A., Marquardt, K., Hoeppner, K., Fantini, S., Lin, R., Knipping, E., Peters, W., Drillet, J. F., Passerini, S., Hahn, R. An Overview and Future Perspectives of Aluminum Batteries. Advanced Materials. 2016. Vol. 28. No. 35. P. 7576.
55 Также быстрыми темпами развиваются технологии 3D-печати. Современные ученые пришли к выводу, что алюминиевые сплавы являются наиболее подходящим материалом для применения в этой области благодаря своим превосходным свойствам: высокому соотношению прочности и веса, высокой усталостной прочности, хорошей коррозионной стойкости и пригодности для переработки. В то же время в таком применении алюминиевых сплавов есть свои сложности, такие как проблемы окисления и огромные затраты энергии, необходимой для плавления алюминия. Сегодня хорошие результаты достигаются только на силуминах – сплавах системы алюминий – кремний, а деформируемые алюминиевые сплавы серий 6ххх и 7ххх для 3D-печати не годятся, поскольку при их использовании в изделиях образуются трещины. Однако недавно, в 2017–2018 гг., с помощью аддитивных технологий исследователям удалось изготовить образцы алюминиевых сплавов 6061 и 7075 со свойствами, аналогичными свойствам алюминиевых деформируемых сплавов, приготовленных традиционным способом. В долгосрочной перспективе ожидается, что с развитием новых 3D-принтеров, способных производить более крупные детали с более высоким уровнем точности, объем промышленного применения 3D-печати будет стремительно расти и данные сплавы смогут быть использованы во многих отраслях, включая аэрокосмическую, автомобильную и биомедицинскую61.
61. Murr, L. E. A Metallographic Review of 3D Printing / Additive Manufacturing of Metal and Alloy Products and Components // Metallography, Microstructure, and Analysis. 2018. Vol. 7. No. 2. P. 119.
56 Что станет следующим значительным открытием в области исследования и применения алюминиевых сплавов, покажет время. Но на сегодняшний день эти сплавы остаются лидерами по потреблению среди цветных металлов и вторыми (после стали) наиболее используемыми техническими сплавами.

Библиография

1. Agricola, G. (1986) O gornom dele i metallurgii v dvenadtsati knigakh. 2-e izd. [On Mining and Metallurgy in Twelve Books. 2 nd ed.]. Moskva: Nedra.

2. Ashkenazi, D. (2019) How Aluminum Changed the World: A Metallurgical Revolution through Technological and Cultural Perspectives, Technological Forecasting and Social Change, vol. 143, pp. 101–113.

3. Attar, S., Nagaral, M., Reddappa, H. N., and Auradi, V. (2015) Review on Particulate Reinforced Aluminum Metal Matrix Composites, Journal of Emerging Technologies and Innovative Research, vol. 2, no. 2, pp. 225–229.

4. Beliaev, A. I. (1953) Nikolai Nikolaevich Beketov – vydaiuschiisia russkii fiziko-khimik i metallurg [Nikolai Nikolaevich Beketov, an Outstanding Russian Physial Chemist and Metallurgist]. Moskva: Gosudarstvennoe nauchno-tekhnicheskoe izdatelʼstvo literatury po chernoi i tsvetnoi metallurgii.

5. Belov, N. A., Naumova, E. A., and Akopian, T. K. (2016) Evtekticheskie splavy na osnove aliuminiia: novye sistemy legirovaniia [Eutectic Aluminium Alloys: New Alloying Systems]. Moskva: Ruda i metally.

6. Byko, M. (2000). Aluminum Exhibits Its Versatility in Art, Life, JOM, vol. 52, no. 11, pp. 9–12.

7. Elia, G. A., Marquardt, K., Hoeppner, K., Fantini, S., Lin, R., Knipping, E., Peters, W., Drillet, J. F., Passerini, S., and Hahn, R. (2016) An Overview and Future Perspectives of Aluminum Batteries, Advanced Materials, vol. 28, no. 35, pp. 7564–7579.

8. Eskin, D. G. (2008) Physical Metallurgy of Direct Chill Casting of Aluminum Alloys. New York: CRC Press.

9. Figurovskii, N. A. (1970) Otkrytie elementov i proiskhozhdenie ikh nazvanii [The Discovery of Elements and the Origin of Their Names]. Moskva: Nauka.

10. Fridliander, I. N. (2013) Sozdanie, issledovanie i primenenie aliuminievykh splavov. Izbrannye trudy. K 100-letiiu so dnia rozhdeniia [Creation, Studies, and Use of Aluminum Alloys. Selected Works. In Commemoration of the Centenary of His Birth]. Moskva: Nauka.

11. Habashi, F. (2013) The Beginnings of the Aluminum Industry, Nano Studies, vol. 8, pp. 333–344.

12. Habashi, F. (2016) The Story of Aluminum, Metall, no. 9, pp. 343–350.

13. Laughlin, D., and Hono, K. (eds.) (2014) Physical Metallurgy. 5 th ed. Amsterdam: Elsevier.

14. Long, R. S., Boettcher, E., and Crawford, D. (2017) Current and Future Uses of Aluminum in the Automotive Industry, JOM, vol. 69, no. 12, pp. 2635–2639.

15. Lopez, R., and Raymond, I. (2001) Medieval Trade in the Mediterranean World: Illustrative Documents Translated with Introductions and Notes. New York: Columbia University Press.

16. Martini, C., Ballarin, B., Chiavari, C., and Roversi, A. (2012) The Aluminum-Cast Madonna Statue of “Tempio Votivo”, Lido di Venezia (Italy): Identification of Degradation Factors and Assessment of a Cleaning Procedure, Materials Chemistry and Physics, vol. 137, no. 1, pp. 404–413.

17. Maxwell-Stuart, P. G. (2014) Alchemy, in: Wexler, Ph. (ed.) Encyclopedia of Toxicology. 3 rd ed. Amsterdam: Elsevier, pp. 116–119.

18. Monetta, T., Acquesta, A., and Bellucci, F. (2017) Multifactor Approach to Evaluate the Sealing of “Smooth-Wall” Containers for Food Packaging, Surface and Coatings Technology, vol. 310, pp. 33–37.

19. Murr, L. E. (2018) Metallographic Review of 3D Printing / Additive Manufacturing of Metal and Alloy Products and Components, Metallography, Microstructure, and Analysis, vol. 7, no. 2, pp. 103–132.

20. Nikolaev, I. V., Moskvitin, V. I., and Fomin, B. A. (1997) Metallurgiia legkikh metallov [Metallurgy of Light Metals]. Moskva: Metallurgiia.

21. Osborn, E. L. (2016) From Bauxite to Cooking Pots: Aluminum, Chemistry, and West African Artisanal Production, History of Science, vol. 54, no. 4, pp. 425–442.

22. Plinii Starshii (1994) Estestvoznanie. Ob iskusstve [The Natural History. On Art]. Moskva: Ladomir. Rabinovich, D. (2013) The Allure of Aluminium, Nature Chemistry, vol. 5, no. 1, p. 76.

23. Ruys, A. (2019) Alumina Ceramics: Biomedical and Clinical Applications. Duxford: Woodhead Publishing.

24. Sanders, R. E. (2001) Technology Innovation in Aluminum Products, JOM, vol. 53, no. 2, pp. 21–25.

25. Sandler, R. A., and Ratner, A. Kh. (1983) Elektrometallurgiia aliuminiia i magniia [Electrometallurgy of Aluminum and Magnesium]. Leningrad: LGI.

26. Santos, M. C., Machado, A. R., Sales, W. F., Barrozo, M. A., and Ezugwu, E. O. (2016) Machining of Aluminum Alloys: A Review, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 86, no. 9–12, pp. 3067–3080.

27. Scott, G. (2017) Value Chain Voice: The Aluminum Association Today, Aluminum International Today, vol. 30, no. 2, pp. 17–18.

28. Setiukov, O. A. (2013) Aliuminievyi splav 1201 v konstruktsii kosmicheskogo korablia “Buran” [Aluminum Alloy 1201 in the Design of the “Buran” Spacecraft], Aviatsionnye materialy i tekhnologii, no. S1, pp. 15–18.

29. Sheina, T. V., and Ivanov, A. V. (2011) Konstruktsii i stroitel ʼ nye materialy v arkhitekture otechestvennykh vystavochnykh pavil ʼ onov vsemirnykh universalnykh vystavok EKSPO [Designs and Building Materials in the Architecture of National Exhibition Pavilions at the World Universal Expositions, EXPO], Vestnik SGASU, Gradostroitelstvo i arkhitektura, no. 4, pp. 38–44.

30. Skillingberg, M., and Green, J. (2007) Aluminum Applications in the Rail Industry, Light Metal Age, no. 5, pp. 8–13.

31. Sokolov, R. S. (2000) Khimicheskaia tekhnologiia: uchebnoe posobie dlia studentov vysshikh uchebnykh zavedenii: v 2 t. [Chemical Technology: Textbook for Students of Higher Education Institutions. In 2 vols.]. Moskva: Gumanitarnyi izdatel ʼ skii tsentr VLADOS, vol. 2: Metallurgicheskie protsessy. Pererabotka khimicheskogo topliva. Proizvodstvo organicheskikh veshchestv i polimernykh materalov [Metallurgical Processes. Chemical Fuel Recycling. Production of Organic Substances and Polymeric Materials].

32. Starke, E. A., and Staley, J. T. (1996). Application of Modern Aluminum Alloys to Aircraft, Progress in Aerospace Sciences, vol. 32, no. 2–3, pp. 131–172.

33. The Egypt of Herodotus: Being the Second and Part of the Third Books of His History. With Notes and Preliminary Dissertations, by John Kenrick (1841). London: B. Fellowes.

34. Volkov, E. P., and Kostiuk, V. V. (2009) Novye tekhnologii v elektroenergetike Rossii [New Technologies in Russia ʼ s Electric Power Industry], Vestnik Rossiiskoi akademii nauk, vol. 79, no. 8, pp. 675–686.

35. Wilm, A. (1911) Physikalisch-metallurgische Untersuchungen über magnesiumhaltige Aluminiumlegierungen, Metallurgie. Zeitschrift für die gesamte H ü ttenkunde, vol. 8, no. 8, pp. 225–227.