CC BY
21
УДК 669.55:006.354
ПОВЫШЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ, ОТЛИВАЕМЫХ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
Г. Г. Крушенко1' 2*, В. В. Двирный2, С. Н. Решетникова2, М. В. Резанова2
'Институт вычислительного моделирования СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50, стр. 44 2Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: genry@icm.krasn.ru
Описаны некоторые средства и технологии повышения плотности деталей летательных аппаратов, отливаемых из алюминиевых сплавов, что приводит к повышению их физико-механических свойств, и как результат, эксплуатационных характеристик.
Ключевые слова: летательные аппараты, литые детали, алюминиевые сплавы, повышение плотности.
INCREASING THE DENSITY OF PARTS AIRCRAFT CASTED FROM ALUMINUM ALLOYS
G. G. Krushenko1, 2*, V. V. Dvirnyi2, S. N. Reshetnikova2, M. V. Rezanova
'Institute of Computational Modeling SB RAS 50/44, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation 2Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: genry@icm.krasn.ru
Describes some tools and technologies increase the density of parts of aircraft, molded from aluminum alloys, which leads to improved physical and mechanical properties, and resulting performance characteristics.
Keywords: aircraft, castings, aluminum alloys, increasing the density.
При производстве летательных аппаратов, включая изделия ракетно-космической техники, достаточно широко применяются комплектующие детали, получаемые литьем из алюминиевых сплавов, что связано с высоким показателем отношения «прочность/масса» литой детали. В основном с этой целью применяют сплавы на основе систем Al-Si и Al-Mg с легированием их различными упрочняющими добавками [1].
Однако, при этом одной из основных проблем, связанных с производством отливок из алюминиевых сплавов, является пористость (пустоты в теле отливок, форма которых близка к глобулярной), источником которой служит водород [2; 3], поглощаемый расплавом из атмосферы и водородосодер-жащих соединений (формовочная смесь, шихтовые материалы, рафинирующие средства, футеровка печных агрегатов и др.) [4]. Образующиеся в процессе кристаллизации поры уменьшают рабочее сечение отливок, что уменьшает их герметичность и механические свойства [5; 6]. Даже минимальные отличия плотности металла существенно влияют на механические свойства отливок из алюминиевых сплавов, что было установлено в работе на доэвтектическом алюминиево-кремниевом сплаве АК9ч (8,0-10,5 % Si; 0,17-0,30 % Mg; 0,20-0,50 % Mn; ост. - Al) - при плотности отливок (определяли методом гидростатического взвешивания) р = 2 564 кг/м3 временное сопротивление св составляет 235 МПа, относительное удлинение 5 - 5,0 %, тогда как при р = 2 575 кг/м3 (больше на 0,43 %), св повысилось до 260 МПа (на 10,4 %), а 5 - до 5,6 % (на 12,0 %).
Другим дефектом отливок из алюминиевых сплавов, являются так называемые «усадочные» дефекты, присутствующие в виде рассеянных или сосредоточенных пустот, что связано с недостатком питания жидким металлом затвердевающего металла [7]. При этом в усадочные пустоты, может
Секция ««ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ»
выделяться и присутствующий в жидком металле водород, образуя, так называемые газово-усадочные пустоты [8].
С целью уменьшения или полного предотвращения возникновения в отливках из алюминиевых сплавов пористости применяются различные способы и средства, например, путем введения в расплав хлорсодержащих соединений, таких как, хлористого магния MnC12, гексахорэтана С2С16 и др. [9] В результате взаимодействия этих соединений с водородом образуются пары' HCl, которые улетучиваются из расплава. Существуют и другие средства и способы дегазации алюминиевых расплавов, такие, например, как: продувка хлором или азотом, вакуумирование, обработка током, ультразвуком и др.
Обеспечение надлежащего питания отливок производится разными способами, что можно проиллюстрировать на примере освоения литья корпусов турбонасосного агрегата (ТНА) ЖРД из алю-миниево-кремниевого сплава, который на начальном этапе освоения отливали в песчано-глинистые формы, спецификой применения которых является медленный отвод тепла от кристаллизующегося металла, что нарушает правило направленного затвердевания металла и вызывает появление усадочных дефектов в тепловых узлах отливок в виде раковин и пористости. С целью оценки соответствия качества корпусов требованиям технической документации их после выбивки стержней и отрезания литниково-питающей системы подвергали 100-процентному рентгенопросвечиванию. После установления точных координат и контуров дефекта металл в этом месте вырубается на нужную глубину до плотного металла, место вырубки зачищается и производится его заварка с применением аргоно-дуговой сварки плавящимися электродами. Затем отливки проходили весь цикл технологических операций как в литейном цехе (термическая обработка), после, так и в механических цехах, после чего проходили испытания на герметичность, результаты которых являлись окончательным контролем для пропуска детали на сборку.
Однако, ввиду достаточно больших трудозатрат по заварке дефектов корпусов, отливаемых песчано-глинистые формы, а также и относительно большого количества отливок с неисправимыми дефектами, было принято решение перевести их на литье в металлическую форму (кокиль), для реализации чего был изготовлен механизированный кокиль, что позволило повысить качество отливок как за счет увеличения скорости охлаждения металла, что приводит к формированию мелкокристаллической структуры отливки, и, как результат, к получению отливок с более высокими механическими свойствами, так и за счет уменьшения брака по засорам формовочной смесью.
Кроме того, изучение рентгеновских пленок позволило установить закономерности распределения усадочных дефектов в отливках, после чего с целью предупреждения их возникновения были выполнены приведенные ниже мероприятия: 1) на песчаных стержнях, которые оформляют внутреннюю полость отливки, устанавливали так называемые «холодильники» - фигурные металлические детали, которые усиливают теплоотвод от кристаллизующегося металла; 2) для покраски рабочих поверхностей кокиля применили огнеупорную краску (5,76 % ZnO; 3,85 % TiO2; 1,92 % черный графит; 11,54 % жидкое стекло Na2Si03; вода - 76,93 %), которая увеличивала теплооотвода и теплопередачу в направлении от нижней его части к верхней; 3) с помощью принудительного охлаждения нижней части кокиля сжатым воздухом и нагрева верхней части электронагревателями был создан температурный режима кокиля - от более низкой температуры в его нижней части - к более высокой -в верхней.
При литье деталей из сплавов с широким интервалом кристаллизации, к которым относятся сплавы системы Al-Mg в интервале содержания магния от 6,0 до 10,5 % (например, АМг10ч и др.), вследствие кристаллизации металла по так называемому «объемному» механизму, отливки оказываются пораженными междендритной усадочной пористостью, что снижает их прочностные показатели и герметичность. Этот дефект обычно возникает при медленной скорости кристаллизации сплава, например, при литье в песчано-глинистые формы. При этом в усадочные пустоты выделяется и растворенный в расплаве водород. На основании предложенной известным металловедом академиком А. А. Бочваром теории кристаллизации сплавов под давлением им совместно с профессором А. Г. Спасским, была разработана и внедрена в производстве технология автоклавного литья деталей двигателей летательных аппаратов из алюминиевых сплавов. При этом собранную форму устанавливают в металлическую емкость, в крышке которой находится отверстие, совпадающее с литниковой чашей в литейной форме. После заливки металла в форму крышку в металлической емкости быстро закрывают, и подают в нее сжатый воздух под давлением 4...5 атм. (1 атм = 0,10133 МПа = 1,0333 кгс/см2) [10]. Давление на жидкий металл в процессе кристаллизации усиливает питание расплавом
затвердевающих междендритных пустот, в результате чего получаются плотные отливки, механические свойства которых и герметичность удовлетворяют требованиям технической документации.
Библиографические ссылки
1. Строганов Г. Б. Высокопрочные литейные алюминиевые сплавы. М. : Металлургия. 1985.
216 с.
2. Davis J. R. & Associates. Aluminum and aluminum alloys. ASM International. Handbook CommitteeASM International. 1993. 784 p.
3. Шаров М. В., Гудченко А. П. Изучение взаимодействия водорода с легкими сплавами в процессе плавления / Металлургические основы литья легких сплавов : сб. ст. М. : Оборонгиз, 1957. С.306-341.
4. Mitrasinovic A., Hernández F. C. R., Djurdjevic M. et al. On-line prediction of the melt hydrogen and casting porosity level in 319 aluminum alloy using thermal analysis // Materials Science and Engineering: A, 2006. Vol. 428, Iss. 1-2. P. 41-46.
5. Ammar H. R., Samuel A. M., Samuel F. H. Porosity and the fatigue behavior of hypoeutectic and hypereutectic aluminum-silicon casting alloys // International J. of Fatigue. 2008. Vol. 30, Iss. 6. P. 10241035.
6. Irfan M. A., Schwam D., Karve A. et al. Porosity reduction and mechanical properties in die engine blocks // Materials science and engineering. 2012. Vol. A 535. P. 108-114.
7. Bayani H., Mirbagheri S. M. H., Barzegari M. et al. Simulation of unconstrained solidification of A356 aluminum alloy on distribution of micro/macro shrinkage // J. of Materials Research and Technology. 2014. Vol. 3. Iss. 1. P. 55-70.
8. Гудченко А. П. Образование газоусадочной пористости в отливках из алюминиевых сплавов // Литейные свойства металлов и сплавов : c6. ст. М. : Наука, 1967. С. 138-142.
9. Wang Liping, Cao Guojian, Guo Eijun1 et al. Influences of different degassing processes on refining effect and properties of 4004 Al alloy // China foundry research & Development. 2013. Vol. 10. № 2. P. 104-107.
10. Спасский А. Г. Основы литейного производства. М. : Металлургиздат, 1950. 318 с.
© Крушенко Г. Г., Двирный В. В., Решетникова С. Н., Резанова М. В., 2016
