Алюминий 2118: состав, свойства, марки прочности и области применения

Общий обзор

Сплав 2118 относится к серии 2xxx алюминиево-медных сплавов, в которых медь является основным легирующим элементом. Эта группа поддаётся термообработке и предназначена для обеспечения повышенной прочности за счёт старения, при котором медь и незначительные легирующие добавки формируют упрочняющие выделения в процессе выдержки.

Основные легирующие элементы в 2118 — медь, с добавками магния, марганца и микроэлементов, таких как железо, кремний, хром и титан. Такая комбинация обеспечивает высокое удельное сопротивление и хорошую усталостную стойкость по сравнению с нелегированными и коммерчески чистыми алюминиевыми марками.

Упрочнение осуществляется в основном посредством растворно-термической обработки, закалки и искусственного старения для формирования мелких выделений на основе Al2Cu; это даёт более высокие максимальные прочностные показатели по сравнению с пластически упрочненными сплавами, но также повышает чувствительность свойств к температурному воздействию. Основные характеристики включают высокую прочность при растяжении и усталостную прочность, умеренную коррозионную стойкость, которая обычно требует защитных покрытий в агрессивных условиях, а также ограниченную свариваемость по сравнению со сплавами серии 5xxx/6xxx, если не применять специальные технологии и присадки.

Типичные области применения 2118 — это авиационные конструктивные детали и крепеж, высокопрочные автомобильные компоненты, а также специализированные морские и оборонные изделия, где критичны соотношение прочности и массы, а также усталостный ресурс. Спроектировавшие выбирают 2118, если требуется более высокая прочность и усталостная работоспособность по сравнению с распространёнными сплавами 1100, 3003 или 5052, при этом превосходящая максимальная прочность сплавов серии 7xxx не нужна или предпочтительны характеристики вязкости и поведения при разрушении сплавов серии 2xxx.

Варианты состояния

Состояние	Уровень прочности	Относительное удлинение	Обрабатываемость	Свариваемость	Примечания
O	Низкая	Высокая	Отличная	Отличная	Полностью отожжённое состояние, максимальная пластичность и обрабатываемость
H14	Средне-низкая	Средняя	Хорошая	Удовлетворительная	Пластически упрочнённое до умеренной прочности, предназначено для вытяжки
T4	Средняя	Средне-высокая	Хорошая	Удовлетворительная	Растворно термообработанное и естественно старенное; хороший баланс для дальнейшей обработки
T5	Средне-высокая	Средняя	Хорошая-Удовлетворительная	Удовлетворительная	Охлаждено с высокой температуры и искусственно старено для развития прочности
T6	Высокая	Низкая-Средняя	Ограниченная	Плохая-Удовлетворительная	Растворно термообработанное и искусственно старенное для максимальной прочности; распространённое конструкционное состояние
T651	Высокая	Низкая-Средняя	Ограниченная	Плохая-Удовлетворительная	Растворно термообработанное, снято напряжение растяжением, затем искусственно старенное для улучшенной размерной стабильности

Состояние существенно влияет на баланс прочности и обрабатываемости 2118, так как режим термообработки контролирует размер, распределение и когерентность выделений. Состояния O и H применяются, когда приоритетом является формуемость или вытяжка, в то время как T6/T651 выбираются при необходимости высокой прочности и усталостойкости.

Химический состав

Элемент	Диапазон %	Примечания
Si	не более 0.2	Контролируемо низкий уровень для ограничения хрупких интерметаллидов и сохранения вязкости
Fe	не более 0.5	Примесь, образующая интерметаллические частицы, влияющие на обрабатываемость и усталость
Mn	0.3–0.9	Повышает прочность, улучшает зеренную структуру и сопротивление рекристаллизации
Mg	0.2–1.0	Участвует в упрочнении выделениями с Cu, повышает вязкость
Cu	3.5–5.0	Основной упрочняющий элемент; контролирует потенциал старения
Zn	не более 0.25	Минорный элемент, удерживается на низком уровне для избегания избыточного усложнения упрочнения
Cr	0.05–0.25	Микролегирующий элемент, улучшает зеренную структуру и стабилизирует свойства при нагреве
Ti	0.02–0.12	Зерноулучшающая добавка, контролирует размер зерна при литье и экструзии
Прочие (каждый)	не более 0.05	Микроэлементы и остатки; ограничения обеспечивают предсказуемое поведение выделений

Содержание меди доминирует в реакции упрочнения старением, формируя фазы Al2Cu и подобные при выдержке, что повышает прочность и снижает пластичность. Магний и марганец модифицируют химию выделений и взаимодействия с матрицей; марганец подавляет рост зерна и улучшает вязкость, в то время как магний усиливает старение в сочетании с медью. Строгий контроль железа, кремния и цинка поддерживается для управления пластичностью, поведением при разрушении и коррозионной стойкостью.

Механические свойства

При растяжении 2118 демонстрирует высокое временное сопротивление разрыву и хорошие показатели предела текучести в состояниях T6/T651 по сравнению с многими распространёнными алюминиевыми сплавами. Пикированное старение формирует микроструктуру с мелкодисперсными выделениями, ограничивающими движение дислокаций, что обеспечивает высокую прочность и хорошую усталостную стойкость. Относительное удлинение в максимальных состояниях уменьшается по сравнению с отожжённым, что необходимо учитывать в процессе формования и при расчёте на нагрузку или удар.

Усталостные характеристики 2118 в целом благоприятны для алюминиевых сплавов серии 2xxx благодаря сочетанию высокой статической прочности и высоких порогов инициации трещин, контролируемых выделениями. Вместе с тем усталостный ресурс чувствителен к обработке поверхности, геометрии надрезов и локальной коррозии. Влияние толщины важно: тонколистовой материал старится более равномерно и часто достигает более высокой эффективной прочности при данном состоянии, тогда как толстые сечения требуют более длительных циклов термообработки и могут проявлять пониженный уровень вязкости и несколько меньшие прочностные показатели.

Свойство	Состояние O/Отожженное	Основное состояние (T6/T651)	Примечания
Временное сопротивление разрыву	150–260 MPa	400–480 MPa	Широкий диапазон в зависимости от состава, толщины и режима старения
Предел текучести	60–150 MPa	320–380 MPa	Значительное повышение при термической обработке T6/T651
Относительное удлинение	15–25%	7–14%	Снижение пластичности в состоянии максимального старения; учитывать при формовании
Твёрдость (HB)	40–80 HB	120–160 HB	Диапазон по Бринеллю; коррелирует с прочностью

Физические свойства

Свойство	Значение	Примечания
Плотность	2.78 г/см³	Типично для алюминиево-медных сплавов; хорошее удельное сопротивление по сравнению со сталью
Температура плавления	~500–640 °C	Интервал плавления расширен по сравнению с чистым алюминием за счёт легирующих элементов
Теплопроводность	120–150 Вт/м·К	Снижена относительно чистого алюминия из-за меди, но остаётся высокой
Электропроводность	25–40 % IACS	Ниже, чем у чистого алюминия; снижается также при пластической деформации
Удельная теплоёмкость	~0.88 Дж/г·К (880 Дж/кг·К)	Типичное значение для алюминиевых сплавов, используется при расчётах тепловых процессов
Коэффициент теплового расширения	23–24 µm/m·К (20–100°C)	Умеренный коэффициент; необходимо учитывать изменения размеров в узлах и сборках

2118 сохраняет большую часть высокой теплопроводности и низкой плотности алюминия, обеспечивая хорошее соотношение прочности к массе и эффективное рассеивание тепла для множества компонентов. Электропроводность значительно ниже по сравнению с коммерчески чистым алюминием, поэтому 2118 редко применяют там, где важна высокая проводимость.

Широкий интервал плавления и тепловое расширение означают, что тепловые воздействия при сварке и тепловой циклической эксплуатации существенно влияют на микроструктуру и механические характеристики; это необходимо учитывать при сварке, термообработке и проектировании конструкций с учётом тепловых нагрузок.

Формы продукции

Форма	Типичная толщина/размер	Поведение по прочности	Распространённые состояния	Примечания
Лист	0.3–6 мм	Тонкие листы хорошо реагируют на старение по режимам T5/T6; обеспечивается лучшая равномерность в тонком исполнении	O, H14, T4, T5, T6	Используется для формованных панелей и конструкций подгонки
Плита	6–50+ мм	Толстые сечения требуют удлинённых циклов раствора и старения; возможна пониженная вязкость	O, T6, T651	Тяжёлые конструкционные детали и крепёжные элементы
Экструзия	Толщина стенки 1–20 мм	Экструзионные профили обеспечивают направленную прочность; термообработка применяется после экструзии	O, T4, T6	Сложные профили для конструкционных элементов
Труба	Внешний диаметр 6–200 мм	Характеристики зависят от толщины стенки и скорости закалки; для ответственных по усталости применений в состоянии T6	O, T4, T6	Используется для облегчённых конструкционных труб
Пруток/Штанга	Диаметры до 100 мм	Пруты могут подвергаться термообработке и старению для достижения высокой прочности; заготовка для механической обработки	O, T6	Крепёж, штифты и механически обработанные компоненты

Листы и тонкостенные изделия часто предпочитают там, где требуются хорошая формуемость и равномерность упрочнения старением, в то время как плиты и тяжёлые экструзии требуют индивидуальных тепловых режимов из-за более медленной закалки. Технология экструзии и прокатки также влияет на структуру зерна; экструзии допускают сложные сечения, но требуют тщательного контроля закалки и старения для достижения целевых свойств.

Производители выбирают формы изделий, исходя из последующих процессов: листы для штамповки и формовки, экструзии для интегрированных профилей и прутки для механической обработки. Каждая форма также определяет выбор состояния (темпера) для достижения оптимального баланса между формуемостью и прочностью.

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	2118	США	Обозначение по ANSI/AA для данного алюминиево-медного сплава
EN AW	Нет точного аналога	Европа	Нет прямого аналога EN AW; поведение наиболее близко к семействам EN AW-2014/2024
JIS	Нет точного аналога	Япония	В JIS есть алюминиево-медные сплавы (A2017/A2024) с похожими свойствами, но иными пределами
GB/T	Нет точного аналога	Китай	Китайские стандарты содержат сопоставимые алюминиево-медные сплавы, но нет однозначного соответствия с AA 2118

Нет универсального стандарта, однозначно сопоставимого с 2118 по EN, JIS или GB/T; аналоги лучше рассматривать как «близкие по характеристикам», а не как прямые замены. Различия в допустимом содержании примесей, реакции на термообработку и обозначениях состояний требуют изучения конкретных паспортов и прохождения квалификационных испытаний при замещении различных стандартов.

Коррозионная стойкость

2118 обладает умеренной атмосферостойкостью, типичной для термообрабатываемых алюминиево-медных сплавов; для длительной эксплуатации часто применяются защитные покрытия, анодирование или облицовка. В нейтральной и слабоагрессивной атмосфере сплав показывает адекватную коррозионную стойкость, но локальная коррозия может усиливаться из-за медьсодержащих интерметаллидов и плохой обработки поверхности.

В морской среде и средах с высоким содержанием хлоридов 2118 уступает по стойкости магниесодержащим сплавам серии 5xxx и коррозионно-стойким сплавам серии 6xxx; поэтому обычно требуется облицовка, жертвенные покрытия или катодная защита для конструкций морского назначения. Возможны питтинговая и межкристаллитная коррозия из-за образования зон без осадков на границах зерен вследствие неправильной термообработки или длительного нагрева.

Подверженность напряжённо-коррозионному растрескиванию выше у сплавов серии 2xxx, чем у многих нетермообрабатываемых марок, особенно под растягивающими нагрузками в агрессивных средах. Следует учитывать гальванические пары: 2118 является более анодным по сравнению со сталями, но более катодным по сравнению с чистым алюминием в зависимости от обработки поверхности; часто необходима изоляция или использование совместимых крепёжных элементов и покрытий. По сравнению со сплавами серии 6xxx, 2118 жертвует коррозионной стойкостью в пользу более высокой прочности и усталостной стойкости, поэтому выбор должен учитывать баланс между окружающей средой и эксплуатационными требованиями.

Свойства обработки

Свариваемость

Сварка 2118 более сложна, чем у многих других алюминиевых сплавов, из-за содержания меди, способствующей горячим трещинам и размягчению зоны термического влияния (ЗТИ). Возможны сварка TIG и MIG с строгим контролем тепловложений, предварительным нагревом/закалкой и выбором присадочных сплавов, например Al-Cu-Mg или низкопрочных 4043/2319 для снижения риска образования трещин. Послесварочная термообработка может частично восстанавливать прочность, но полное возвращение к уровню T6 затруднено из-за растворения и коарсения осадков в ЗТИ.

Обрабатываемость

2118 хорошо обрабатывается в отожжённом и некоторых промежуточных состояниях, с хорошим дроблением стружки и умеренным износом инструментов благодаря наличию меди и марганца. Использование карбидного инструмента с положительным углом режущей кромки, жёсткая фиксация и интенсивное охлаждение обеспечивают стабильную поверхность и точные допуски; скорости резания рекомендуется снижать для состояний с максимальным упрочнением, чтобы избежать быстрого износа инструмента. Индекс обрабатываемости выше, чем у высокопрочных Al-Zn-Mg сплавов, но уступает улучшенной обрабатываемости сплаву 2011 и чистому алюминию 1100.

Формуемость

Наилучшие результаты при формовке достигаются в состояниях O, H14 и T4, где достаточно пластичности для штамповки, гибки и вытяжки. Минимальный радиус гиба зависит от состояния и толщины, но обычно проектировщики используют 2–3× толщину материала для плотных изгибов при промежуточных состояниях и больший радиус для T6. Холодная деформация повышает прочность за счет наклёпирования, но может вызывать остаточные напряжения, влияющие на последующую термообработку; для оптимизации конечных свойств применяются тёплая формовка или предварительное старение.

Поведение при термообработке

Как термообрабатываемый сплав, 2118 хорошо реагирует на стандартные циклы растворения, закалки и старения для алюминиево-медных сплавов. Растворение обычно проводят при 495–505 °C для растворения медесодержащих фаз в матрице, с последующей быстрой закалкой для сохранения пересыщенного твердого раствора. Искусственное старение выполняется при 160–190 °C в течение нескольких часов для формирования мелких осадков и достижения состояний T5/T6; время и температура старения балансируют между максимальной прочностью, вязкостью и сопротивлением напряжённо-коррозионному растрескиванию.

Переход между состояниями прост: растворенно-термически обработанный материал можно естественно старить до T4 или искусственно — до T5/T6; состояние T651 включает растворение, вытяжку для снятия остаточных напряжений и последующее искусственное старение. Перестаривание при более высоких температурах или длительном времени приводит к коарсению осадков, снижению прочности и улучшению пластичности и коррозионной стойкости, поэтому критично контролировать режимы для достижения требуемого инженерного баланса.

Работа при высоких температурах

2118 испытывает заметное снижение прочности с ростом температуры эксплуатации; длительное воздействие выше ~120–150 °C снижает упрочнение осадками и постепенно уменьшает предел текучести и временное сопротивление разрыву. Окисление при высоких температурах ограничено в инертной атмосфере, но образование окалины и изменения микроструктуры происходят при приближении к температуре растворения, что необратимо изменяет механические свойства.

Зона термического влияния при сварке размягчается из-за растворения и коарсения осадков, а восстановление свойств после сварки ограничено дефектами и остаточными напряжениями, вызванными закалкой. Для прерывистой эксплуатации при повышенных температурах рекомендуется снижать допустимые напряжения и рассматривать альтернативные сплавы, оптимизированные для термостабильности, если рабочие температуры часто превышают 100 °C.

Области применения

Отрасль	Пример изделия	Причины применения 2118
Аэрокосмическая	Кронштейны, крепёж, второстепенные структурные элементы	Высокая удельная прочность и хорошая усталостная стойкость для деталей с критичным весом
Автомобильная	Элементы подвески высокой прочности и конструкционные кронштейны	Баланс между прочностью и массой, а также долговечность при циклических нагрузках для автомобилей высокой производительности
Морская	Мелкие конструкционные элементы и механически обработанные крепления	Хорошая прочность и обрабатываемость; требуются покрытия для защиты от коррозии
Оборонная	Крепления для ракет и боеприпасов	Высокая прочность и обрабатываемость для точных компонентов
Электроника	Конструкционные рамы и элементы теплоотвода	Хорошая теплопроводность и жёсткость при низком собственном весе для узлов сборки

2118 обычно выбирают там, где требуется сочетание высокой статической и усталостной прочности, приемлемая обрабатываемость и разумная теплопроводность. Необходимость защитных покрытий в агрессивных условиях компенсируется преимуществами по механическим свойствам во многих аэрокосмических и высокотехнологичных инженерных применениях.

Рекомендации по выбору

Рекомендуется выбирать 2118, если основными целями проектирования являются повышенные прочность и усталостная стойкость, при возможности контролировать коррозионную защиту и технологические параметры. Сплав особенно привлекателен для механически обработанных или формованных деталей, которым требуется упрочнение термообработкой, и там, где использование более прочных сплавов серии 7xxx либо излишне, либо приводит к нежелательной хрупкости или трудностям обработки.

По сравнению с коммерчески чистым алюминием (1100), сплав 2118 жертвует электрической проводимостью и пластичностью ради значительно большей прочности и усталостной выносливости. По сравнению с распространёнными упрочнёнными холодной деформацией сплавами, такими как 3003 или 5052, 2118 обеспечивает существенно более высокую прочность за счёт сниженной свариваемости и коррозионной стойкости, поэтому 2118 выбирают, когда нагрузочная способность важнее простоты соединения или гибки. По сравнению с термически упрочняемыми сплавами серии 6xxx (например, 6061/6063), 2118 часто показывает лучшую усталостную прочность и более высокий пик прочности для определённых отпусков, однако обычно требует более тщательной антикоррозионной защиты и соблюдения особых правил сварки; выбирайте 2118, когда профиль усталостной прочности и прочности соответствует требованиям применения и производственный процесс может обеспечить необходимую термообработку и защиту.

Итоговое резюме

Сплав 2118 остаётся актуальным инженерным алюминием для конструкций, где требуется термически упрочняемый баланс высокой прочности, хорошей усталостной выносливости и приемлемой обрабатываемости. Оптимальное использование достигается, когда инженеры учитывают зависимую от отпуска пластичность, необходимость антикоррозионной защиты и технологические особенности изготовления, что позволяет создавать конструкции и детали с высокой эффективностью при благоприятном отношении прочности к массе.