Сплав 1140Ш

Сплав 1140Ш — деформируемый алюминиевый сплав системы Al–Cu–Mg с добавками никеля и железа. В отечественных нормативных документах он обозначается также как АК4 и АКД4; цифровое обозначение по ГОСТ 4784 — 1140. Сплав разработан специально для деталей авиационных двигателей, работающих при длительном нагреве и вибрационных нагрузках.

Что означает суффикс «Ш» в обозначении 1140Ш

Буква «Ш» в обозначении алюминиевых сплавов указывает на применение электрошлакового переплава (ЭШП) при выплавке. Этот дополнительный передел снижает содержание неметаллических включений и уменьшает химическую неоднородность слитка. Для деталей авиационных двигателей, испытывающих циклические нагрузки при повышенной температуре, это принципиально: ЭШП-металл стабильнее по усталостным характеристикам по сравнению с обычной плавкой (сплав 1140 без суффикса). При выборе между 1140 и 1140Ш для ответственных нагруженных деталей предпочтение отдаётся варианту с ЭШП.

Химический состав сплава 1140Ш по ГОСТ 4784-2019

По системе легирования сплав относится к классу Al–Cu–Mg с добавками переходных металлов — никеля и железа. Эта система легирования отличает АК4 от стандартных дюралюминов (Д1, Д16): именно никель и железо формируют термостабильные интерметаллиды, обеспечивающие жаропрочность.

Элемент	Содержание, % масс.
Al	Основа (91,2–94,6)
Cu	1,9–2,5
Mg	1,4–1,8
Fe	0,8–1,3
Ni	0,8–1,3
Si	0,5–1,2
Mn	≤ 0,2
Zn	≤ 0,3
Ti	≤ 0,1
Прочие элементы (каждый)	≤ 0,05
Прочие элементы (сумма)	≤ 0,10

Состав нормируется по ГОСТ 4784-2019 (актуальная редакция, заменившая ГОСТ 4784-97 с 1 сентября 2019 г.). Ближайший западный аналог — сплав 2618 по AA/ISO и EN AW-2618A по европейским нормам.

Роль легирующих элементов

Медь и магний являются основными упрочняющими элементами. При искусственном старении они формируют дисперсные выделения фаз θ (Al₂Cu) и S (Al₂CuMg), блокирующих движение дислокаций и обеспечивающих высокую прочность при комнатной температуре.

Железо и никель при совместном легировании образуют интерметаллид Al₉FeNi — термически стабильную фазу, не растворяющуюся при нагреве до температур закалки. Частицы Al₉FeNi тормозят рост зерна при горячей деформации и сохраняют сопротивление ползучести при рабочих температурах 150–200 °C. Именно это сочетание Fe + Ni отличает АК4 от обычных дюралюминов и придаёт ему жаропрочность.

Кремний в диапазоне до 1,2% допустим как примесь. Марганец и цинк жёстко ограничены: их избыток ухудшает пластичность при горячей деформации и снижает качество поковок.

Физические свойства сплава 1140Ш (АК4)

Параметр	Значение
Плотность (при 20 °C)	2,77 г/см³
Модуль упругости (E)	0,72 · 10⁵ МПа (72 000 МПа)
Теплопроводность (при 20 °C)	180 Вт/(м·К)
КЛТР (диапазон 20–100 °C)	22 · 10⁻⁶ К⁻¹
Температура начала плавления (солидус)	~507 °C
Температура конца плавления (ликвидус)	~638 °C

Сравнительно высокая теплопроводность (180 Вт/(м·К)) помогает отводить тепло от нагретых деталей двигателя. Широкий интервал плавления (507–638 °C) критичен при назначении режимов нагрева под закалку: температура закалки 510–520 °C находится вблизи солидуса, поэтому перегрев сверх 520 °C недопустим.

Механические свойства сплава 1140Ш после термической обработки

Приведённые значения соответствуют состоянию после закалки и искусственного старения (режим Т6) для прессованных прутков:

Свойство	Значение
Предел кратковременной прочности (σB)	335–375 МПа
Предел текучести (σ0,2)	260–275 МПа
Относительное удлинение (δ)	8%
Твёрдость по Бринеллю (HBW)	100–120

Прочность при комнатной температуре — средняя для деформируемых алюминиевых сплавов. Характерное преимущество перед дюралюминами — сохранение удовлетворительного уровня прочности при длительной эксплуатации до 200–250 °C. Выше 250 °C прочностные характеристики существенно снижаются, что ограничивает применение сплава в высокотемпературных зонах газовых трактов.

Термическая обработка

Штатный режим для получения нормативных механических свойств — закалка + искусственное старение.

Закалка проводится нагревом до 510–520 °C с выдержкой, достаточной для растворения упрочняющих фаз, и быстрым охлаждением в воде. Строгое соблюдение верхней границы температуры критично: из-за малого запаса до солидуса (~507 °C) превышение 520 °C ведёт к пережогу — оплавлению по границам зёрен с необратимым снижением пластичности и усталостных характеристик. Пережжённая заготовка браку не исправляется и выбраковывается.

Искусственное старение проводят после закалки; оно формирует дисперсные выделения упрочняющих фаз θ и S, обеспечивающие целевые значения прочности и твёрдости.

Плоский прокат при необходимости подвергают плакировке технически чистым алюминием, что повышает коррозионную стойкость при сохранении механических свойств основы.

Применение сплава 1140Ш (АК4) в авиационном двигателестроении

Основная область применения — поковки и штамповки деталей поршневых и газотурбинных авиационных двигателей. Из сплава 1140Ш изготавливают лопатки компрессоров, крыльчатки, диски и кольца, работающие в условиях вибрационных и температурных нагрузок. Именно для этих деталей ЭШП-качество (суффикс «Ш») обязательно: повышенная чистота металла обеспечивает более высокий и стабильный ресурс по усталости.

За пределами авиации сплав применяется в специальном машиностроении — для поршней двигателей внутреннего сгорания и других теплонагруженных деталей, где требуется сочетание малой плотности (~2,77 г/см³) с сохранением прочности при повышенной температуре.

В части коррозионной стойкости: сплавы Al–Cu–Mg уступают бескупральным сериям (АМг) по стойкости к питтинговой коррозии. Детали, эксплуатируемые в агрессивных средах, необходимо защищать анодированием или лакокрасочными покрытиями.

Свариваемость

Сплав относится к ограниченно свариваемым. Высокое содержание меди обусловливает склонность зоны сплавления к горячим трещинам при сварке плавлением. Сварные соединения имеют пониженную прочность по сравнению с основным металлом. В конструкциях авиационных двигателей сварка применяется ограниченно; предпочтительные методы соединения — болтовые, клёпаные соединения, пайка.

Формы поставки и нормативная база

Сплав 1140Ш поставляется в виде прессованных прутков, поковок и штамповок, а также профилей. Полуфабрикаты получают горячим прессованием, ковкой и штамповкой с последующей термической обработкой.

Химический состав нормируется по ГОСТ 4784-2019. Прутки прессованные — по ГОСТ 18482-79. Поковки и штамповки для авиационной техники — по отраслевым стандартам авиационной промышленности.

Для высоконагруженных авиационных конструкций, где требуется более высокая прочность при комнатной температуре, применяют близкий по классу сплав 1380Ш (АК8). Общий обзор первичных алюминиевых сплавов — на странице чушки алюминиевые.