» » Изготовление компактных заготовок алюминиевых сплавов
15.01.2016

Свойства компактных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов существенным образом зависят от технологической схемы компактирования порошка и последующей обработки, например, на точильном станке. Купить точильный станок по цене от производителя и получить консультацию по его производительности и сферах его применения вы можете по телефону горячей линии «Вятского Станкостроительного Предприятия»: 8-800-70-72-676.
Преимущества применения порошковой металлургии для получения изделий из быстрозакаленных порошков сохраняются в значительной степени, если последующие термомеханические процессы получения изделий не приводят к формированию структуры, снижающей эффект старения. Методы динамического компактирования, в том числе компактирования взрывом, которые позволяют фиксировать метастабильную быстрозакаленную микроструктуру, в настоящее время используются при получении образцов ограниченных размеров и форм.
Для того чтобы в максимальной степени реализовать преимущества быстрозакаленных порошков при изготовлении заготовок и изделий с использованием традиционных методов компактирования, необходимо разрабатывать сплавы, в которых дисперсные упрочняющие выделения устойчивы к росту при последующих технологических операциях. Так как размер зерна в исходных быстрозакаленных порошках обычно предельно мал, устойчивые дисперсные выделения на границах зерен предотвращают рост зерен при высокотемпературном компактировании. Принципы такого типа дисперсного упрочнения применяются при разработке быстро закаленных сплавов ряда систем.
Гранулы, полученные методом центробежного распыления расплава с охлаждением в воде, обычно после сушки и рассева засыпают в герметичные капсулы, подвергают дегазации и последующему компактированию. Для снижения газосодержания дегазацию гранул алюминиевых сплавов необходимо проводить при 450—500 °С по схеме: аргон + вакуум. На первом этапе осуществляется продувка горячим аргоном с максимально быстрым и равномерным прогревом гранул до заданной температуры, при котором интенсивно идет процесс десорбции. Второй этап — вакуумирование — проводится для завершения процесса дегазации и эвакуации газа, находящегося между гранулами.
Плотные заготовки — брикеты — с высокими прочностными и пластическими характеристиками можно получить при следующих условиях компактирования:
— холодное изостатическое прессование с целью разрушения оксидных пленок на поверхности гранул и последующее горячее компактирование, обеспечивающее интенсивное протекание диффузионных процессов при повышенных температурах в сочетании со сдвиговой деформацией при осадке на гидравлическом прессе (схема «гидростат + пресс»);
— схема «пресс + газостат» — горячее компактирование на гидравлическом прессе с последующим горячим изостатическим прессованием.
Горячее изостатическое прессование как способ компактирования требует более высокого давления, равного 400 МПа, поскольку давления 100—200 МПа недостаточно для получения беспористых брикетов и поэтому необходима длительная выдержка ~ 18 ч при 450 °С.
Таким образом, оптимальным является комбинированное компактирование заготовок из быстрозакаленных гранул алюминиевых сплавов, поскольку оно обеспечивает изотропность и высокий уровень механических свойств. При компактировании в газостате формируются недостаточно плотные полуфабрикаты с проявлением анизотропии свойств при прессовании, а огрубление структуры при длительной выдержке в газостате сопровождается снижением уровня прочностных и пластических характеристик полуфабрикатов.
Созданы опытно-промышленные участки по производству полуфабрикатов из гранул, разработана опытно-промышленная технология производства некоторых полуфабрикатов из высокопрочных сплавов типа 01969 и жаропрочных коррозионно-стойких свариваемых типа 1419 системы Аl—Сr—Zr.
Проблема получения качественных полуфабрикатов из быстро-закаленных гранул оказалась сложной, поскольку для достижения стабильности свойств полуфабрикатов требуются эффективные способы очистки гранул от посторонних включений, дегазация гранул и герметизация капсул.
Решение технологических проблем гранульной металлургии получения компактных полуфабрикатов из быстрозакаленных порошков позволит реализовать значительный эффект от внедрения гранулируемых алюминиевых сплавов, который определяется:
— резким повышением жаропрочности алюминиевых сплавов, особенно в интервале температур 300—400 °С;
— значительным увеличением прочности конструкционных сплавов при комнатной температуре;
— созданием и применением новых сплавов с особыми физическими свойствами (сплавов с малым коэффициентом термического расширения, антифрикционных сплавов, сплавов, сочетающих высокую электропроводность и жаропрочность), которые нельзя получить другими способами.
На рис. 12.11 показана схема промышленного технологического процесса получения полуфабрикатов из быстрозакаленных порошков сплавов на основе алюминия системы А1-ПМ методом высокоскоростного затвердевания плоской струи с последующим ее измельчением и компактированием (planar flow casting ribbon comminulion-технология фирмы Allied-Signal Inc.). Бескапсульная заготовка, полученная вакуумным горячим прессованием, используется для придания необходимой формы при вторичной обработке давлением — экструзии, прокатке.
Изготовление компактных заготовок алюминиевых сплавов

В быстрозакаленных порошках алюминиевых сплавов эвтектических систем при скоростях охлаждения до 10в6 К/с даже в области твердых растворов обычно присутствует какая-то доля неравновесной эвтектики. Это относится к гранулам, полученным распылением на воздухе или в инертной среде (10в3 К/с) или центробежным разбрызгиванием в воду (10в4 К/с), и к чешуйкам, лентам (10в5—10в6 К/с). При этом размеры частиц интерметаллидов и в равновесной, и в неравновесной эвтектике на один-два порядка меньше размеров частиц первичных интерметаллидов.
В процессе экструзии быстрозакаленных порошков, например Аl—Ре-сплавов, применяемой при получении полуфабриката, происходит контролируемое выделение метастабнльной фазы Аl6Fе, что обеспечивает в результате дисперсионного твердения высокую жесткость и прочность. Сохранение высокой прочности при повышенной температуре (около 350 °С) связано с заторможенностью процесса коагуляции выделений.
В быстрозакаленных сплавах системы Аl—Мn впервые установлено образование квазикристаллических фаз, открывающих новую страницу в понимании кристаллического строения материалов и имеющие широкие перспективы практического использования.
Быстрозакаленные сплавы системы Аl—Сr облапают достаточной пластичности из-за того, что хром сравнительно легко образует пересыщенный твердый раствор. В связи с этим последующая переработка гранул может осуществляться при умеренных напряжениях и температурах. Окончательная термообработка при повышенной температуре обеспечивает упрочнение готового изделия за счет выделения дисперсных частиц второй фазы. На практике, однако, при компактировании и последующей обработке сложно исключить старение быстрозакаленных порошков, например сплавов Аl—ПМ, поэтому приходится проводить технологические процессы при повышенных температурах и напряжениях (давлении прессования).
Быстрозакаленные сплавы Аl—Zr проявляют максимальную термическую стабильность среди сплавов систем Аl—ПМ, что согласуется с минимальной диффузионной подвижностью циркония. Скорость укрупнения структуры минимальна в случае образования кубических выделений Аl3Zr. Однако при обработке давлением вблизи 400 °С имеет место превращение в тетрагональную фазу, характеризующуюся высокой скоростью коагуляции.
Продолжаются исследования с целью создания жаропрочных тройных и четверных сплавов, например на основе систем Аl—Fе, Аl—Сu с добавками церия, молибдена, ванадия, кремния.
Подобное легирование способствует образованию и сохранению благоприятных метастабильных фаз, Рассматриваемые сплавы обладают превосходной прочностью при высоких температурах. Вблизи температуры 350 °С быстрозакаленные сплавы имеют прочность в 5—10 раз более высокую, чем стандартные сплавы аэрокосмического применения
В связи с этим представляют интерес данные по термической стабильности сплавов на основе Аl—Fе, по сопротивлению укрупнению элементов структуры в течение длительного времени.
Для сплавов Аl—12Fе—IV—2Si (FVS1212) и Аl—8Fе—IV—2Si (FVS0812) скорость коагуляции при температуре 425 °С на два-три порядка ниже, чем для сплавов Аl—Fе—Мо и Аl—Fе—Се (рис. 12.12).
Изготовление компактных заготовок алюминиевых сплавов

Вследствие низкой скорости коагуляции Аl—Fе—V—Si сплавы не проявляют признаков деградации характеристик прочности после выдержки при 425 *С в течение 1000 ч. Экстремально высокая термическая стабильность обусловлена присутствием фазы Аl12(Fе, V)3Si, которая сохраняет состояние мета-стабильного равновесия при температурах до 500 °С. Эта фаза имеет ОЦК-структуру и поэтому не склонна к образованию выделений игольчатой формы, тогда как быстрое удлинение иглообразных выделений, например равновесной моноклинной фазы Аl3Fе, приводит к ускоренной коагуляции упрочняющих выделений в сплавах с добавками церия и молибдена.
Образование частиц иглообразной формы нежелательно также для достижения высокой вязкости разрушения сплава.
Вязкость разрушения при плоской деформации сплава Аl—8Fе—1V—2Si достигает 25—30 МПа м1/2, тогда как для Аl—Fе-сплавов — менее 20 МПа*м1/2 при высоком уровне прочности. Микроструктура исходной быстрозакалеиной ленты из сплава Аl—8Fе— 1V— 2Si представляет собой микроячеистую структуру матрицы на основе алюминия с дисперсными выделениями интерметаллидной фазы Al12(Fe,V)3Si размером 20—50 нм. После экструзии при 375 °С с вытяжкой 18 микроструктура характеризуется однородным распределением дисперсных выделений Al12(Fe,V)3Si сферической формы диаметром около 50 нм при объемном содержании 24 %. Такая высокодисперсная однородная микроструктура обеспечивает высокую вязкость разрушения.
Наличие большой объемной доли дисперсных выделений приводит также к высокой жесткости быстрозакаленного сплава. Модуль Юнга при комнатной температуре для сплава Al—12Fe—IV— 2Si, содержащего 37 Ж об. дисперсной интерметаллидной фазы, равен 96,5 ГПа. Для сплава Al—8Fe—1V—2Si, содержащего 24 % об. избыточной фазы, модуль Юнга равен 82,8 ГПа.
В связи с этим открываются возможности применения быстро-закаленных сплавов системы Al—Fe—V—Si не только в качестве высокопрочных алюминиевых сплавов, но и в качестве сплавов высокой жесткости.
Привлекает внимание исключительная коррозионная стойкость этих сплавов: скорость их коррозии на порядок ниже, чем скорость коррозии стандартных алюминиевых сплавов, полученных из быстрозакаленных порошков (рис. 12.13).
Изготовление компактных заготовок алюминиевых сплавов

Таким образом, быстрозакаленные алюминиевые сплавы, полученные при высокоскоростном охлаждении расплава (со скоростями >106 К/с), поверхностном оплавлении концентрированными потоками энергии, методами осаждения из паровой фазы или другими специальными методами, характеризуются особыми структурными состояниями: аморфным, квазикристаллическим, нанокристаллическим, смешанным (аморфным + ульрадисперсным кристаллическим).
В настоящее время усилия направлены на изыскание принципиально новых алюминиевых сплавов с высокой прочностью и жаропрочностью за счет создания новых структурно-фазовых состояний: аморфного или аморфного в смеси с ультрадисперсными кристаллитами (наноразмерными) избыточных фаз.
Возможность получения новых структурных состояний определяется двумя факторами:
— выбором состава сплавов с высоким содержанием переходных металлов (никель, кобальт, железо, хром, марганец и др.) и редкоземельных металлов (иттрий, церий, лантан и др.), имеющих пониженные скорости диффузии в жидком и твердом алюминии;
— применением особых условий формирования твердых сплавов (сверхбыстрое затвердевание при скорости охлаждения 10в6 К/с и более, осаждение компонентов из паровой фазы на охлаждаемую подложку, механическое легирование и др.).