CC BY
172
УДК 669.782'71.018.046.516.4:536.413.2
М.В. Попова, А.Н. Прудников, С.В. Долгова, М.А. Малюх Сибирский государственный индустриальный университет
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ ДЛЯ АВИАЦИОННОЙ И
КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ*
Авиационная и космическая
промышленность является одним из наиболее высокотехнологичных секторов экономики, развитие которого невозможно без разработки новых материалов и внедрения технологий их производства [1]. Для обеспечения конкурентоспособности отечественных изделий необходимо создание и применение материалов, обладающих высокими удельными свойствами и низкой плотностью [2].
Для авиационно-космической техники повышение весовой эффективности изделий является актуальной задачей, которая решается путем применения материалов пониженной плотности, прежде всего, алюминиевых сплавов. К современным сплавам для авиационной и космической техники предъявляют требования не только по механическим характеристикам и плотности, но и по теплофизическим свойствам, в частности, они должны иметь низкий коэффициент линейного расширения (КЛР) [3, 4]. В качестве авиационных материалов чаще всего используют деформируемые алюминиевые сплавы, легированные медью, цинком, магнием, марганцем и литием. Однако деформируемые сплавы на основе системы алюминий - кремний до настоящего времени не получили широкого распространения, несмотря на важные шаги, сделанные в этом направлении [5 - 9].
Сплавы системы Al - Si имеют весьма привлекательный комплекс свойств. Они легки (у = 2600 - 2700 кг/м3), немагнитны, обладают высокой коррозионной стойкостью практически во всех агрессивных средах, высокими твердостью и износостойкостью. Эти сплавы характеризуются хорошими литейными свойствами и герметичностью. Кремний, имеющий малый коэффициент линейного расширения, эффективно снижает КЛР алюминия. Многолетние исследования [10] особенностей теплового расширения сплавов А1 - Si позволяют
* Работа выполнена под руководством профессора В.К. Афанасьева.
утверждать, что увеличение содержания кремния и переход к сплавам на основе кремния обеспечивает снижение коэффициента линейного расширения в среднем на 10-6 К-1 на каждые 5 % кремния в интервале температур испытания 50 - 250 °С. Таким образом, КЛР сплавов Al - Si при увеличении содержания кремния от 10 до 50 % снижается с 22 10^ до 1Ы0"6 К-1 [10].
Большим достоинством и интересной особенностью этих сплавов является то, что они не склонны к хладноломкости, более того, в области отрицательных температур КЛР этих сплавов становится ниже, а механические свойства - выше, чем при комнатной температуре (так, например, при -203 °С прочность сплавов примерно на 20 % превышает прочность при 20 °С при сохранении пластичности) [11, 12]. Таким образом, сплавы системы алюминий - кремний могут сохранять свои свойства в широком температурном интервале: от -200 до 100 °С.
Применение сплавов на основе системы Al - Si как конструкционных материалов, а также в качестве сплавов специального назначения во многом определяется параметрами их микроструктуры. Кремний, введенный в расплав уже в количестве 6 - 7 %, склонен к ликвации и образованию первичных выделений кремнистой фазы, как правило, в виде крупных частиц. Поэтому свойства сплавов Al - Si зависят не только от их химического состава, но и от размеров, формы и характера распределения частиц кремнистой фазы. Эффективно управлять структурой, а, следовательно, и свойствами силуминов возможно с позиций «водородного материаловедения», предусматривающего разработку новых материалов и способов их получения, в которых водород играет важную функциональную роль [13 -17].
Как было показано ранее [18, 19], применение различных способов подготовки шихты, обработки расплава и кристаллизации, увели-
чивающих содержание атомарного водорода, позволяет получить однородную мелкодисперсную структуру заэвтектических силуминов. Это, в свою очередь, повышает их технологическую пластичность, что обеспечивает возможность проведения не только горячей, но и холодной пластической деформации с большой степенью нагартовки.
В соответствии с механизмом теплового расширения, согласно которому существует тесная связь между величиной КЛР и содержанием водорода в силуминах, коллективом авторов под руководством профессора В.К. Афанасьева были разработаны холоднодефор-мируемые сплавы системы А1 - Si с низким КЛР, в состав которых в качестве легирующего элемента входит водород [20].
Разработанная серия деформируемых сплавов на основе алюминия содержит кремний и водород: 15 - 20 % Si; 0,00134 - 0,00259 % Н;
технической чистоты, уменьшают период решетки алюминия, следует сделать вывод, что не происходит пересыщения а-твердого раствора кремнием, а образуется пересыщенный твердый раствор водорода. Кроме того, увеличение массовой доли водорода в сплаве уменьшает устойчивость кремнистой фазы и поэтому позволяет проводить пластическую деформацию без образования надрывов и трещин.
Слитки разработанных сплавов толщиной 15 - 20 мм подвергали прокатке со степенью деформации 90 - 95 %. Разработанные деформируемые сплавы на основе алюминия имеют значения КЛР (табл. 1), сравнимые с КЛР литых высококремнистых силуминов при температурах испытания 20 - 100 °С, и ниже в два - три раза при температурах испытания 100 - 200 °С.
Металлографический анализ показал, что введение водорода в состав сплавов в заданных пределах (0,00134 - 0,00259 %, что составляет 15 - 29 см3/100 г металла) способствует образованию эвтектической структуры
остальное алюминий (по массе). Смесь компонентов для каждого сплава, составы которых приведены в табл. 1, плавили в алундовом тигле. Водород в расплав вводили с помощью обработки влажным асбестом с последующим выстаиванием в атмосфере водяных паров. При введении в расплав водород способствует увеличению числа центров кристаллизации и появлению в структуре затвердевших сплавов мелких равномерно распределенных кристаллов первичного кремния. Сплав с минимальным содержанием кремния (А1 - 15 % Si) после обработки расплава, увеличивающей количество водорода, приобретает структуру неравновесной эвтектики. Рентгеноструктур-ный анализ показал, что формирование эвтектики в сплаве А1 - 15 % Si приводит к увеличению периода решетки а-твердого раствора с 4,056 до 4,058 А. Поскольку кремний и основные примеси, присутствующие в алюминии
Т а б л и ц а 1 81
с малым количеством равномерно распределенных первичных кристаллов кремния, в результате чего становится возможной холодная пластическая деформация (рис. 1). Деформированные сплавы имеют еще более тонкодисперсную структуру. Средний размер эвтектических кристаллов составляет 4 - 8 мкм, размеры отдельных первичных кристаллов могут достигать 80 - 100 мкм (рис. 2).
Благодаря тонкодисперсному строению эвтектики и малому количеству первичных кристаллов кремния полиэдрической формы разрушение сплавов носит в основном вязкий характер. Фрактографические исследования проводили путем визуального анализа изломов и использовали растровый электронный микроскоп при увеличениях 1000 - 8000 (рис. 3). При визуальном осмотре излом выглядит как тонкокристаллический, имеющий бархатистое строение, а на микрофрактограммах видно, что участки вязкого разрушения с явно выраженным ямочным рельефом (рис. 3, в, е) череду-
Химический состав и физико-механические свойства холоднодеформированных сплавов А1 -
Состав сплава, % (А1 - остальное)
а-10 , К-, в интервале температур испытания, °С
20 - 100
100 - 150
150 - 200
Механические свойства
5, %
15 Si - 0,00259 Н
13,6
5,9
4,9
241
2,3
17 Si - 0,00193 Н
12,5
6,2
5,7
236
2,3
18 Si - 0,00170 Н
11,1
4,6
7,2
212
2,0
20 Si - 0,00134 Н
10,6
3,3
5,1
194
1,6
ств, МПа
ются с небольшими участками скола по частицам кремнистой фазы (рис. 3, б, д).
В процессе пластической деформации происходит дополнительное дробление кремнистой фазы (рис. 3, б, д), в результате чего часть водорода из нее переходит в алюминий, образуя в нем пересыщенный твердый раствор внедрения, что, в свою очередь, приводит к снижению коэффициента линейного расширения и повышению механических свойств. Разработанные сплавы отличаются хорошим сочетанием прочностных и пластических свойств: св = 194 - 241 МПа, 5 = 1,8 - 2,3 %. Последующая термическая обработка (закалка и старение) приводит к увеличению прочности при некотором уменьшении пластичности (табл. 2).
Разработанные сплавы имеют не только высокие прочностные свойства, но и хорошее сопро-
тивление усталостному разрушению. На рис. 4 представлены кинетические диаграммы усталостного разрушения сплавов Л! - (15 - 20) % Si - Н. Видно, что на ранних стадиях роста сопротивление распространению усталостной трещины сплавов с разным содержанием кремния различается мало. Пороговый коэффициент интенсивности напряжений ДК^ изменяется от 4,8 МПам1/2 (сплав Л1 - 20 % Si) до 5,3 МПам1/2 (сплав Л1 - 15 % Si). При переходе от стадии припорогового роста усталостной трещины к стадии стабильного ее распространения при скоростях, превышающих 10-8 м/цикл, различие в химическом составе сплавов сказывается более существенно. Наиболее высокие характеристики трещиностойкости наблюдали у сплава А1 - 15 % Si - Н, что объясняется
Рис. 1. Микроструктура сплава А1 - 15 % Бг а - обычное приготовление; б - продувка расплава водородом
Рис. 2: Микроструктура сплава системы А1 - 15 % - Н (а, б); Л1 - 20 % - Н (в, г)
и
у Щ , ¿ШрШ
100 мкм I
' ' I - Я «
гл и
^ ■ >
ЬрШ л^вк. А Д
,; -
Цж
1Ш
Рис. 3. Микрофрактограммы сплава А1 - 15 % Si - Н (а, в) и А1 - 20 % Si - Н (г, е)
Т а б л и ц а 2
Влияние термической обработки на механические свойства холоднодеформированного сплава
А1 - 15 % 81 - Н
Режим термической обработки ст0,2, МПа ств, МПа 5, % V, %
- 160 241 2,3 10,5
Закалка с 530°С, в течение 1 ч, вода 165 246 2,0 9,6
Закалка с 530°С, в течение 1 ч, вода + старение 160°С, в течение 10 ч, воздух 169 251 1,5 11,4
лучшей морфологией его структуры. Для дальнейшего повышения прочности и пластичности при сохранении низкого коэффициента линейного расширения в сплавы на основе алюминия, содержащие кремний и водород, дополнительно вводили титан и никель при соотношении компонентов: 15,0 - 20,0 % Si; 0,05 - 0,40 % Ъ; 0,40 - 0,80 % N1; 0,00162 -0,00270 % Н; остальное алюминий (по массе).
Введение титана в состав в количестве 0,05 -0,40 % (по массе) совместно с водородом (0,00162 - 0,00270 % или 18 - 30 см3/100 г ме-
талла) за счет дополнительного измельчения структурных составляющих повышает технологическую пластичность сплавов и их механические свойства. Никель также повышает прочность сплавов, сохраняя низкий коэффициент линейного расширения. Смесь компонентов для каждого из разработанных составов сплавов, приведенных в табл. 3, плавили в шахтной печи в алундовом тигле. Водород вводили с помощью обработки влажным асбестом. Слитки толщиной 15 - 20 мм подвергали холодной прокатке со степенью деформации 90 - 95 %. Из полу-
ченных заготовок вырезали образцы и изучали свойства сплавов. Результаты испытаний приведены в табл. 3. Как следует из приведенных данных, введение титана и никеля обеспечивает повышение прочности на 11 - 20 %, пластичности - на 30 - 56 % при сохранении значения коэффициента линейного расширения на том же уровне.
Выводы. Приведенные сведения о сплавах с низким коэффициентом линейного расширения наглядно показывают существование реальной возможности получения легких материалов, которые смогут конкурировать по величине КЛР со сплавами на основе железа и титана. Малая плотность деформируемых алюминиево-кремниевых сплавов при достаточных механических свойствах обеспечит им широкое применение в различных областях машиностроения и, прежде всего, в авиационно-космической и приборной технике.
1.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИИ СПИСОК
Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года. - В кн.: Юбилейный науч.-технич. сб. «Авиационные материалы и технологии» (приложение к журналу «Авиационные материалы и технологии»). - М.: ВИАМ, 2012. С. 7 - 17. Антипов В.В. Стратегия развития титановых, магниевых, бериллиевых и алюминиевых сплавов. - В кн.: Юбилейный науч.-
технич. сб. «Авиационные материалы и технологии» (приложение к журналу «Авиационные материалы и технологии»). - М.: ВИАМ, 2012. С. 157 - 167.
Рис. 4. Кинетические диаграммы усталостного разрушения разработанного сплава А1 - (15 ^ 20 %) Si - Н при содержании кремния 15 % (1) и 20 % (2) при Я = 0,1
Т а б л и ц а 3
Химический состав и физико-механические свойства и коэфициент линейного расширения
сплавов Al - Si - H - Ti - . Vi
Состав сплавов, % (Al - остальное) Механические свойства а-106 К-1 в интервале температур испытания, °С
ств, МПа 5, % 20 - 100 100 - 150 150 - 200
15 ^ 20 Si - 0,00134 ^ 0,00259 H 194 - 241 1,6 - 2,3 10,6 - 13,6 3,3 - 5,9 4,9 - 5,1
15 Si - 0,4 Ti - 0,6 Ni - 0,00207 H 275 3,6 13,3 5,9 4,9
18 Si - 0,2 Ti - 0,8 Ni - 0,00162 H 290 3,0 11,6 5,9 4,2
20 Si - 0,05 Ti - 0,4 Ni - 0,00270 H 267 3,2 10,7 4,0 4,3
3. Афанасьев В.К., Попова М.В. Перспективы 5. развития легких сплавов с малым тепловым расширением для космической техники // Металлургия машиностроения.
2012. № 6. С. 8 - 13.
4. Афанасьев В.К., Попова М.В., Самонь В.А. О создании новых легких деформированных сплавов для космической техники // Металлургия машиностроения. 2014. № 5. 6. С. 21 - 28.
Эскин Г.И., Артес А.Е., Панов Е.И., Бер Л.Б., Бочвар С.Г., Ялфимов В.И., Гуреева Т.В. Исследование технологии изготовления деформированных полуфабрикатов из заэвтектического силумина 01392 с использованием поперечно-винтовой прокатки // Технология легких сплавов. 2008. № 1. С. 83 - 89.
Эскин Г.И., Бочвар С.Г., Ялфимов В.И. Влияние технологии литья и деформации
на структуру и свойства деформированных полуфабрикатов из заэвтектических силуминов. - В кн.: Материалы Всероссийской научно-технической конференции Новые материалы и технологии «НМТ-2008». Т. 1. - М.: МАТИ, 2008. С. 112, 113.
7. Эскин Г.И., Бочвар С.Г., Ялфимов В.И. Новые тенденции в технологии литья и деформирования заэвтектических силуминов // Металлургия машиностроения. 2009. № 4. С. 21 - 24.
8. Афанасьев В.К., Прудников А.Н. Высокопрочный алюминиевый сплав для деталей узлов летательных аппаратов // Металлургия машиностроения. 2011. № 5. С. 31 - 34.
9. Афанасьев В.К., Герцен В.В., Коровин Г.Т., Долгова С.В., Попова М.В. Водородная обработка расплава для увеличения деформируемости высококремнистых Al-сплавов // Металлургия машиностроения. 2015. № 4. С. 14 - 18.
10. Афанасьев В.К., Горшенин А.В., Попова М.В., Прудников А.Н., Старостина М.А. О влиянии кремния на тепловое расширение алюминия // Металлургия машиностроения. 2010. № 6. С. 23 - 26.
11. Мондольфо Л.Ф. Структура и свойства алюминиевых сплавов. / Пер. с англ. - М.: Металлургия, 1979. - 640 с.
12. Кошелев П.Ф., Беляев С.Е. Прочность и пластичность конструкционных материалов при низких температурах: справочное пособие. - М.: Машиностроение, 1967. -364 с.
13. Колачев Б.А. Водород в металлах и сплавах // МиТОМ. 1999. № 3. С. 3 - 11.
14. Шаповалов В.И. Водород как новый легирующий элемент. - В кн.: Водородное материаловедение и химия гидридов металлов. Сборник тезисов VI международной конференции. - Украина, Ялта, 1999. С. 213.
15. Афанасьев В.К. Некоторые итоги и перспективы металлургии // Литейное производство. 2000. № 3. С. 3 - 5.
16. Goltsov V.A. Fundamentals of hydrogen treatment of materials. - In book: Progress in Hydrogen Treatment of Materials. - Donetsk-Coral Gables: Kassiopeya Ltd, 2001. P. 161 -184.
17. Афанасьев В.К. Водородная платформа периодической системы элементов. Часть II // Металлургия машиностроения. 2012. № 4. С. 3 - 8.
18. Афанасьев В.К., Герцен В.В., Долгова С.В., Мусохранов Ю.М., Попова М.В. О влиянии водяного пара на формирование свойств высококремнистых Al-сплавов // Металлургия машиностроения. 2015. № 5. С. 17 - 1.
19. Афанасьев В.К., Горшенин А.В., Долгова С.В., Самонь В.А., Попова М.В. Литье под давлением медистого силумина // Литейное производство. 2015. № 6. С. 22 - 26.
20. Афанасьев В.К., Попова М.В., Прудников А.Н., Зезиков М.В., Горшенин А.В. Водород - легирующий элемент алюминиевых сплавов // Изв. вуз. Черная металлургия. 2005. № 6. С. 36 - 39.
© 2017 г. М.В. Попова, А.Н. Прудников, С.В. Долгова, М.А. Малюх Поступила 30 августа 2017 г.
