Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Быстрозакаленные (гранулируемые) алюминиевые сплавы с высоким содержанием тугоплавких малорастворимых в твердом алюминии компонентов ПМ и РЗМ разработаны на основе следующих принципов легирования:
1. Образование при быстрой закалке расплава аномально пересыщенного твердого раствора, начальная стадия распада которого проходит при последующей переработке гранул в компактный полуфабрикат. Этот принцип осуществлен при разработке дисперсионно-твердеющих гранулируемых сплавов алюминия с добавками марганца, хрома, циркония, титана и ванадия (без других компонентов или вместе с медью, магнием и цинком). По аналогии с традиционными дисперсионно-твердеющими сплавами можно отметить, что процесс кристаллизации с высокими скоростями охлаждения является закалкой, а последующие нагревы при переработке быстрозакаленных гранул в компактный полуфабрикат — старением.
2. Получение непосредственно при кристаллизации первичных высокодисперсных включений интерметаллидных фаз, устойчивых при последующей переработке быстрозакаленных порошков. Этот принцип осуществлен при создании дисперсно-упрочненных сплавов алюминия с добавками железа, кобальта и РЗМ.
Переработка гранул алюминиевых сплавов в компактные полуфабрикаты производится в вакууме (в вакуумнрованных капсулах) с применением комбинированного компактирования, заключающегося в горячем изостатическом прессовании с последующей обработкой давлением со значительной сдвиговой деформацией.
Алюминиевые сплавы ответственного назначения должны удовлетворять повышенным требованиям по статической и циклической прочности, трещиностойкости, жаропрочности, коррозионной стойкости для обеспечения надежной и безаварийной работы изделий, например авиакосмической или ракетной техники.
В зависимости от химического состава сплавов применяются две технологии, которые различаются условиями кристаллизации расплава;
— выплавка слитков методом полунепрерывного литья для последующей горячей обработки давлением с целью получения деформированных полуфабрикатов (листов, плит, профилей, труб, штамповок и т.п.);
— диспергирование расплава на микрослитки-гранулы со скоростями охлаждения 10в3—10в4 К/с (гранульная металлургия), сушка, рассев по фракциям, засыпка в технологические капсулы, дегазация гранул при повышенных температурах, компактирование гранул в заготовки, обточка полученных заготовок и горячая деформация по технологическим схемам, обеспечивающим получение заданного полуфабриката.
Технологию выплавки слитков используют для производства сплавов, характеризующихся в равновесном состоянии гомогенной либо гетерогенной структурой, но легированных элементами, легко диффундирующими в алюминии при температурах термической обработки и горячей обработки давлением. К таким элементам относят медь, магний, цинк, кремний, литий. Коэффициент диффузии D этих элементов превышает 10в-10 см2/с при 500 °С.
Гранульная технология обычно применяется в случае легирования малорастворимыми в алюминии элементами (РЗМ, бериллий, кобальт и др.) или элементами с малой подвижностью в алюминии при температурах технологических нагревов (350—500 °С, переходные металлы (ПМ) — хром, цирконий, железо, никель, другие элементы, D < 10в-12 см2/с при 500 °С) (табл. 12.2).
Переходные металлы имеют, как правило, очень низкую равновесную растворимость в алюминии.
Высокие скорости охлаждения при кристаллизации позволяют получить высокодисперсные интерметаллидные частицы в алюминиевой матрице либо метастабильное пересыщение твердого раствора, приводящее к значительному упрочнению от вторичных дисперсных выделений при последующем высокотемпературном распаде.
Экспериментально установлено, что высокоскоростное охлаждение расплава приводит к расширению растворимости железа в твердом растворе на основе алюминия на несколько порядков (от 0,05 до 10 % мас.).
Применение высокоскоростной кристаллизации перспективно для улучшения свойств алюминиевых сплавов с добавками кобальта. При быстрой кристаллизации алюминиевых сплавов этой системы состава Аl—7,9 Zn—2,5 Mg—1,0 Сu—1,5 Со со скоростью 10в3—10в4 К/с (распыление на воздухе) и прессовании порошков методом экструзии достигается предел текучести 600 МПа и удлинение 10 %. Метод быстрой закалки расплава предотвращает макросегрегацию, повышает растворимость в твердой фазе и уменьшает размер кобальтсодержащих избыточных фаз. Увеличение скорости закалки способствует повышению служебных свойств этих сплавов.
Структура закристаллизовавшегося металла в известной степени наследует структуру расплава. В быстрозакаленных сплавах на основе алюминия системы Аl—Сr—Si, содержащих 2,5—5 % Сr и 0,8 % Si, при больших скоростях затвердевания (скорость охлаждения 10в4—10в5 К/с), помимо равновесных фаз, обнаруживается метастабильная M'-фаза. Возникающая после быстрого затвердевания метастабильная структура наследует структуру ближнего порядка в жидкости. При закалке расплава со скоростью 10в4 К/с метастабильная фаза была обнаружена также в сплавах на основе алюминия с хромом и ванадием. Размеры дисперсных включений метастабильной фазы, появление которых связано с образованием в расплаве микрохимической неоднородности, составляют 0,1—0,01 мкм.
Методом ультразвукового распыления инертным газом и некоторыми другими методами получены быстрозакаленные алюминиевые сплавы Аl—Li с малой плотностью. В этих сплавах превзойден предел легирования литием, который составляет 2,7 % для обычных сплавов.
Интерес к быстрозакаленным Аl—Li-сплавам связан с полезными эффектами при легировании алюминия литием. Добавка 1 % маc. и (примерно 3,5 % ат. и) снижает плотность сплава примерно на 3 % и повышает модуль упругости на 6 %. В отличие от переходных металлов, применяемых в качестве легирующих элементов жаропрочных алюминиевых сплавов, литий имеет относительно высокую равновесную растворимость в алюминии (предельная растворимость примерно 4 % маc. при эвтектической температуре). В принципе это означает, что достаточно большое его количество может быть введено при традиционной технологии выплавки слитков.
В создании Аl—Li-сплавов по традиционной технологии выплавки слитков достигнуты значительные успехи. Однако сложные проблемы, связанные с химической неоднородностью, ограничивают максимальное содержание лития в сплавах примерно 2,7 %, а это, в свою очередь, существенно ограничивает возможности снижения массы изделий в авиации. При содержании лития в стандартных сплавах, превышающем этот уровень, происходит снижение пластичности и вязкости разрушения.
Низкая пластичность и вязкость разрушения может иметь место также и в более однородных сплавах с низким содержанием лития.
Это обусловлено в основном двумя факторами:
— резко выраженным плоскостным скольжением с «перерезанием» выделений δ' (Аl3Li);
— выделением интерметаллидных фаз на границах зерен и субграницах с образованием в приграничных областях зон, свободных от выделений.
В настоящее время решение проблемы низкой пластичности и вязкости разрушения стандартных сплавов сводится в основном к модифицированию расплавов, приводящему к изменению системы скольжения от плоскостной к изотропной (гомогенной) за счет дополнительных выделений, оказывающих сопротивление перерезанию частиц; к устранению высокотемпературной термообработки, которая сопровождается нежелательным образованием равновесных выделений АlLi на границах.
В первом случае было показано, например, что выделения S'-фаэы (Аl2СuМg) вполне эффективны в формировании изотропного скольжения дислокаций. Однако для однородного выделения S'-фазы необходимо проводить термообработку (старение) при относительно высоких температурах. При такой термообработке образуются пограничные выделения и приграничные зоны, свободные от выделений.
Кроме того, для формирования однородного распределения S'-фазы необходима обработка давлением (обычно способом вытяжки), что затрудняет использование Аl—Li-сплавов в деформированном состоянии и состоянии, полученном сверпластической деформацией.
Отмеченные проблемы могут быть успешно решены применением технологии быстрой закалки расплава.
Содержание лития в быстрозакаленных алюминиевых сплавах может достигать 5 % мас. без образования нежелательных крупных частиц второй фазы. Другим преимуществом быстрозакаленных Аl—Li-сплавов является то, что элементы с низкой растворимостью, образующие дисперсные выделения, которые препятствуют деформации сдвига, могут быть использованы как легирующие элементы, хотя их содержание ограничивается возрастанием плотности сплавов.
Умеренное легирование марганцем, железом или кобальтом (менее 2 % мас.) дает незначительное повышение механических свойств из-за малой объемной доли дисперсных выделений и их неоднородного распределения. Небольшая добавка циркония (около 0,5 % маc), напротив, значительно улучшает механические свойства Аl—Li-сплавов.
Выделяют следующие особенности влияния легирования цирконием Аl—Li-сплавов:
— цирконий образует с алюминием метастабильную фазу Аl3Zr, изоморфную основной упрочняющей фазе в Аl—Li-сплавах;
— метастабильная фаза Аl3Zr оказывает тормозящее действие на скольжение дислокаций;
— при термообработке-старении — происходит когерентное выделение Аl3Zi на частицах Аl3Zr-фазы с образованием выделений Аl3(Li, Zr), которые стимулируют прохождение дислокаций по механизму Орована, что приводит к повышению пластичности.
Основная роль добавок меди и магния в некоторых Аl—Li-сплавах состоит в повышении прочности сплавов благодаря твердорастворному упрочнению и улучшению характеристик деформационного упрочнения.
В этих сплавах хорошо сочетаются прочность и пластичность после несложной операции термической обработки без холодной вытяжки, которая является наиболее важной технологической операцией для большинства стандартных Аl—Li-сплавов. Это определяет возможность использования быстрозакаленных сплавов на основе Аl—Li—Zr для получения изделий заданной формы и точных размеров.
Быстрозакаленные сплавы на основе Al—Li—Zr обладают дополнительными преимуществами по сравнению с традиционными алюминиевыми сплавами. Установлено, что они имеют существенно более высокое сопротивление росту усталостной трещины, а предварительные исследования выявили отличную коррозионную стойкость быстрозакаленных сплавов и более высокое сопротивление коррозионному растрескиванию.
Высокопрочный, высокомодульный коррозионно-стойкий свариваемый сплав 1420 системы Аl—Li—широко применяется в новом поколении летательных аппаратов.
Алюминиевые сплавы, легированные литием, типа 1440 (Аl—Li—Сu—Мg), 1450 (Аl—Li—Сu) обладают малой плотностью, высоким сопротивлением разрушению при циклических нагрузках, которое превосходит эту характеристику традиционных авиационных алюминиевых сплавов типа Д16 и В95. При испытаниях на малоцикловую усталость полуфабрикатов из сплавов на основе систем Аl—Li—Сu—Мg и Аl—u—Сu долговечность превышает 300 кциклов, в то время как лучшие авиационные алюминиевые сплавы 1973, 1161 обычно разрушаются при 200 кциклах. Такое превосходство алюминиево-литиевых сплавов можно объяснить наличием в них большого количества дисперсных сферических частиц Аl3(Li, Zr), а также полностью когерентных частиц δ'-фазы Аl3Li.
Вторичные выделения частиц алюминидов, содержащих переходные металлы, оказывают сильное влияние на ресурсные характеристики алюминиевых сплавов. Максимальное сопротивление разрушению при циклических нагрузках достигается для быстрозакаленных сплавов, когда вторичные частицы алюминидов удовлетворяют следующим требованиям:
1. Частицы должны быть дисперсными и равномерно распределяться по объему алюминиевой матрицы. С этой целью следует легировать алюминиевые сплавы сразу несколькими переходными металлами. Один добавки должны взаимодействовать с алюминием по диаграмме эвтектического типа, обогащая периферию зерен и дендритных ветвей, другие — по диаграмме перитектического типа, концентрируясь в центральных объемах зерен и дендритных ячеек. При последующем распаде пересыщенного твердого раствора переходных металлов в алюминии одни алюминиды будут выделяться в основном на периферии, а другие — по центру зерен и дендритных ветвей, обеспечивая в целом равномерное распределение продуктов распада по всему объему матрицы.
2. Форма частиц вторичных алюминидов должна в максимальной степени приближаться к сферической. Этому требованию полностью соответствуют когерентные или полу когерентные частицы вторичных фаз Аl3(Sc2-xZrx, Al3Sc, Al3Zr, Al(Li, Zr), δ'.
Возможности повышения свойств быстрозакаленных сплавов оценивают по эффекту старения аномально пересыщенных твердых растворов, например по приросту твердости и прочности, который может значительно превышать начальную твердость и прочность твердых растворов.
В сочетании с эффектом диспергирования структуры это позволяет создавать быстрозакаленные алюминиевые сплавы с уровнем прочности, жаропрочности и других свойств, недостижимым для сплавов, получаемых по традиционной технологии.
Технологию быстрозакаленных порошков применяют в значительной степени также для повышения уровня химической однородности, когда традиционная технология выплавки слитков сопровождается интенсивной ликвацией.
В быстрозакаленных гранулах двойных сплавов, охлаждаемых при кристаллизации со скоростями 10в3—10в4 К/с, образуются пересыщенные твердые растворы, в которых содержание легирующих достигает: 4,5 % Мn, 2 % Сr, 2 % Zr, 1 % Ti, 1 % V, 0,6 % Мо, 1,2 % W. При дальнейшем повышении скорости охлаждения расплава концентрация перечисленных переходных металлов в указанных двойных твердых растворах значительно увеличивается.
Изучение кинетики распада аномально пересыщенных твердых растворов в гранулах двойных сплавов методами измерения электропроводности, микротвердости и параметра решетки твердого раствора показало, что на определенных стадиях распада твердого раствора переходных металлов в алюминии наблюдается эффект дисперсионного твердения тем более значительный, чем выше пересыщение твердого раствора,
Начальные стадии распада аномально пересыщенных твердых растворов переходных металлов в алюминии, когда образуются дисперсные выделения метает обильных или стабильных алюминидов переходных металлов, происходят при высоких для алюминиевых сплавов температурах (360—600 °С). Это обусловлено малыми коэффициентами диффузии переходных металлов в алюминии. Тогда как в быстрозакаленных сплавах систем Аl—Сu, Аl—Ме, Аl—твердые растворы полностью распадаются с интенсивной коагуляцией избыточной фазы при температурах нагрева до 200 °С.
Максимальная микротвердость гранул двойных Аl—Мn-сплавов наблюдается после нагрева (старения) при 350—400 °С. При этом эффект дисперсионного твердения весьма значителен, и он возрастает с повышением содержания марганца в аномально пересыщенном твердом растворе.
Наибольший эффект дисперсионного твердения среди сплавов алюминия с ПМ имеют быстрозакаленные сплавы тройной системы Аl—Сr—Zr, в которых при быстрой кристаллизации образуются аномально пересыщенные твердые растворы хрома и циркония и которые можно рассматривать как основу новых дисперсионно-твердеющих сплавов,
При получении гранул со скоростью охлаждения 10в3 К/с в твердом растворе находится до 2 % Сr и 2 % Zr. На базе системы Аl—Сr—Zr разработан отечественный жаропрочный гранулируемый сплав 1419, содержащий, кроме хрома и циркония, добавки марганца, ванадия и титана.
Механические свойства сплава 1419 при комнатной и повышенных температурах приведены в табл. 12.3.
Сплав имеет высокую коррозионную стойкость, соответствующую стойкости технического алюминия, при этом компактные полуфабрикаты не подвержены коррозионному растрескиванию.
По механическим свойствам сварных соединений гранулируемый сплав 1419 аналогичен свариваемым традиционным алюминиевым сплавам, не упрочняемым термообработкой, т.е. прочность сварного соединения близка к прочности основного металла, что обусловлено высокой стабильностью гетерогенной структуры сплава. Гранулируемый сплав 1419, полученный компактированием быстрозакаленных микрослитков (гранул), по пределу прочности, высокой коррозионной стойкости, хорошей свариваемости соответствует стандартному сплаву АМг6, но имеет в 1,5—2 раза более высокий предел текучести и более высокую жаропрочность.
Повышение скорости охлаждения при кристаллизации до 10в6 К/с дает возможность получить более легированный гранулируемый сплав системы А1—Cr—Zr, содержащий до 3 % Сг и 3 % Zr. Такой сплав, имея прочность более 450 МПа и σ350/100 = 60 + 65 МПа, сохраняет все преимущества, свойственные сплаву 1419, в частности хорошую свариваемость, высокую коррозионную стойкость.