CC BY
53
-Ф-
-Ф-
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
УДК 621.762
РАЗВИТИЕ МЕТАЛЛОВЕДЕНИЯ ГРАНУЛИРУЕМЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ И ТЕХНОЛОГИИ ИХ ПРОИЗВОДСТВА
В.Ю. Конкевич, докт. техн. наук, Т.И. Лебедева, канд. техн. наук (ОАО ВИЛС, e-mail: info@oaovils.ru)
Представлена ретроспектива развития металловедения и технологии производства быстрозакристаллизованных алюминиевых сплавов, полученных со скоростью охлаждения при кристаллизации 103-104 К/с, и полуфабрикатов из них, а также области применения. Сделан анализ технологического процесса. Показаны недостатки существующей технологии и мероприятия для их устранения в рамках дальнейшего совершенствования производства гранулируемых алюминиевых сплавов.
Установлено, что с дальнейшим ростом скорости охлаждения при кристаллизации до 106 К/с и выше можно получать материалы, имеющие уникальные физические свойства, т. е. новый класс материалов.
Ключевые слова: гранулы, алюминиевые сплавы, сверхбыстрая кристаллизация, технология.
Evolution of Metal Science of P/M Aluminium Alloys and Technology for their Production. V.Yu. Konkevich, T.I. Lebedeva.
Retrospection of evolution of metal science and production technology of rapidly solidified aluminium alloys manufactured at a solidification cooling rate of 103-104 K/sec, as well as production of semiproducts in these alloys and fields of application is presented. Limitations of the existing technology and measures for their correction within a framework of further improvement in P/M aluminium alloy production are shown.
It has been found that further rise of a solidification cooling rate up to 106 K/sec and above will enable production of materials with unique physical properties, i. e. a new class of materials.
Key words: powder, aluminium alloys, rapid solidification, technology.
Металловедение гранулируемых алюминиевых сплавов, получаемых со скоростью охлаждения при кристаллизации 103-104 К/с
Научная школа металловедения алюминиевых сплавов, легированных переходными металлами, инициатором и организатором которым был С.М. Воронов, получила большое развитие благодаря трудам В.И. Елагина с учениками. Работы, выполненные под руководством В.И. Елагина, позволили установить общие закономерности влияния переходных
металлов на структуру и свойства деформируемых алюминиевых сплавов, установить четкие связи между особенностями кристаллизации алюминиевых сплавов с переходными металлами, процессами, происходящими в ходе последующей обработки.
В 1981 г. в издательстве «Металлургия» под рубрикой «Достижения отечественного металловедения» вышла книга В.И. Добат-кина и В.И. Елагина «Гранулируемые алюминиевые сплавы» [1], которая фактически подвела итог первой стадии работ по развитию
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
основ металловедения быстрозакристалли-зованных алюминиевых сплавов, легированных переходными металлами. В ней обобщен огромный экспериментальный материал, полученный под руководством авторов сотрудниками ВИЛСа, а также другими исследователями в Советском Союзе и за рубежом. Эти исследования касались, в основном, гранулируемых алюминиевых сплавов, которые кристаллизуются со скоростью 103-104 К/с. Научной основой, базисом, на котором был построен материал, являлись труды В.И. До-баткина по теории кристаллизации и исследования В.И. Елагина по теории легирования алюминиевых сплавов переходными металлами .
Безусловной удачей, позволившей проводить эксперименты по быстрой кристаллизации сплавов с достаточно широким варьированием технологических параметров, стало создание в опытном производстве ВИЛСа экспериментальной установки центробежного литья гранул с охлаждением в воде. Принципиальная технологическая схема данной установки в дальнейшем была использована при создании опытно-промышленного участка в ВИЛСе и промышленного производства гранул на Красноярском металлургическом заводе. Огромный вклад в разработку технологии изготовления лабораторных образцов полуфабрикатов из гранулируемых алюминиевых сплавов, во всестороннее исследование их физико-механических свойств, в поиск потенциальных областей применения гранулируемых сплавов внес В.М. Федоров.
В результате почти 15-летних исследований по изучению закономерностей формирования быстрозакристаллизованной структуры, образования и распада аномально пересыщенного твердого раствора переходных металлов в алюминии, разработке систем легирования и технологических параметров изготовления лабораторных образцов полуфабрикатов были определены различные группы сплавов:
- высокопрочные конструкционные сплавы 1969, 1995, 1209, 1579 на основе известных систем легирования (Al-Mg, Al-Cu, Al-Zn-Mg-Cu, Al-Zn-Mg), дополнительно упрочненные переходными металлами, отличающиеся от стандартных сплавов указанных
систем не только более высокой прочностью, но и повышенным и коррозионным сопротивлением, усталостными свойствами и т. д.;
- жаропрочные сплавы 1419, 1419у системы алюминий - переходные металлы, не имеющие аналогов среди сплавов, производимых по традиционной технологии;
- сплавы с низким коэффициентом линейного расширения на основе заэвтектиче-ских силуминов (типа САС, 1379). Возглавлял работы над этими материалами ведущий специалист по порошковой металлургии алюминиевых сплавов А.И.Литвинцев;
- сплавы со специальными физическими свойствами, создание которых стало возможным в результате глубокого изучения закономерностей легирования алюминиевых сплавов редкоземельными металлами. Большой вклад в разработку этих сплавов внес главный технолог КраМЗа Ю.И. Пономарев, аспирант В.И. Добаткина; они и в настоящее время оказались востребованными. Среди них:
- сплавы типа 1439 для защиты от излучения ( состав сплава изменяют в зависимости от типа излучения, длины его волны);
- сплав типа 1417 с повышенной электропроводимостью для изготовления электрических бортпроводов;
- рентгеноконтрастный сплав типа 1415 для контроля качества соединений контактной точечной сварки.
Очень яркой получилась разработка подшипниковых сплавов,легированных свинцом и оловом. Ее под руководством В.И. Добаткина выполнила Г.А. Мудренко совместно с ученым - металловедом из ВНИИЖТ Н.А. Буше.
Таким образом, к концу 70-х гг. были определены металловедческие основы легирования алюминиевых сплавов переходными металлами в условиях скоростей охлаждения при кристаллизации 1000-10000 К/с, разработаны гранулируемые алюминиевые сплавы с повышенным содержанием переходных металлов, превосходящие по комплексу физико-механических свойств сплавы, получаемые по традиционной технологии. Именно на основе этих сплавов происходило дальнейшее развитие металлургии гранулируемых алюминиевых сплавов.
-Ф-
-Ф-
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Разработка технологии и создание опытно-промышленного производства
полуфабрикатов из гранулируемых алюминиевых сплавов
Несмотря на наличие, только лабораторных установок для литья и сушки гранул, сотрудникам возглавляемой В.И. Елагиным металловедческой лаборатории совместно со специалистами технологических лабораторий удавалось изготавливать, наряду с лабораторными образцами, полномасштабные образцы полуфабрикатов из гранулируемых сплавов и проводить их испытания у заказчиков.
Среди наиболее значимых работ, выполненных в эти годы, можно отметить изготовление под руководством С.Т. Басюка штамповок из сплава 1995 для КБ «Южмаш», изготовление листов и раскатных труб из сплава 1419у для КБ «Яковлев», шпангоутов из сплава 1209 для РКЗ им. М.В. Хруничева, работы с Челябинским тракторным заводом по опробованию поршней и др. Следует отметить очень интересную, во многом опередившую свое время работу с АВТОВАЗом по изготовлению кузовов из алюминиевого сплава 1411с повышенным электросопротивлением, который может свариваться контактной точечной сваркой. Работа с ОКБ кабельной промышленности по изготовлению бортпроводов из сплава 1417 открыла новое направление в электротехническом обеспечении авиационной и космической техники .
Результаты испытаний показали, что хотя по механическим свойствам, служебным характеристикам гранулируемые сплавы, как правило, удовлетворяют требованиям заказчика, внедрению в промышленность полуфабрикатов из них препятствуют недостаточно высокое качество полуфабрикатов, наличие различных дефектов (включений, пузырей, расслоений и т. п.). Поэтому очевидной стала целесообразность развития производственной базы по изготовлению гранулируемых алюминиевых сплавов.
Исходя из этого в ВИЛСе был создан пилотный опытно-промышленный участок по производству заготовок из гранулируемых алюминиевых сплавов. Технологическая схема производства гранулируемых алюминиевых сплавов является полностью оригинальной
разработкой [2], в создании которой принимали участие ученые ВИЛСа (Б.И. Бондарев, Л .А. Арбузова, А.И. Литвинцев, В. И. Тарарыш-кин, Ю.В. Шмаков, Н.В. Дунин, В.П. Митин, Е.И. Старовойтенко, И.А. Шур и многие другие специалисты технологических, металловедческих лабораторий и КБ). Создавалось это производство под руководством В.И. До-баткина. Аналогичная технологическая схема легла в основу производства полуфабрикатов из алюминиевых гранулируемых сплавов в Красноярске на КраМЗе.
Одним из ключевых элементов используемой технологии является центробежное литье гранул в воду. Ее применение влечет за собой серьезные технологические трудности, связанные с необходимостью использования чистой воды определенной температуры, обеспечения такой сушки гранул, при которой не происходило бы их доокисление и др. Но важнейшее преимущество этой технологии - ее взрывобезопасность, а также то, что за счет очень высокой температуры расплава при литье можно достичь таких структурных показателей сплава с высоким содержанием переходных металлов, которых невозможно получить при использовании другого распространенного метода изготовления порошков алюминиевых сплавов - газового распыления.
Трудно шла разработка технологической схемы и режимов дегазации гранул. Сложность процесса обусловлена тем, что, с одной стороны, температурно-временные параметры дегазации должны обеспечить близкую к оптимальной степень распада пересыщенного твердого раствора переходных металлов в алюминии, а, с другой - надо получить качественные полуфабрикаты с низким содержанием газа, без пузырей, расслоений, пор. Первоначально дегазацию гранул проводили в вертикальных вакуумных печах, которые после окончания температурно-временного цикла заполняли азотом (вначале использовали аргон). Затем была создана установка для дегазации гранул в тонком слое, которая не показала ожидаемых результатов. В итоге остановились на проведении дегазации в герметичных алюминиевых капсулах (рис. 1), которые соединяли с вакуумной системой.
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Рис. 1. Капсулы для дегазации гранул алюминиевых сплавов
В результате проведенных НИОКР в 80-х гг. был создан участок по производству заготовок из гранул алюминиевых сплавов, оснащенный оригинальным, разработанным и изготовленным в ВИЛСе и покупным оборудованием. Началось опробование применения полуфабрикатов из алюминиевых гранул в изделиях заказчиков - различных предприятий авиационной, ракетно-космической и других отраслей промышленности.
В новый самолет с вертикальным взлетом, разработанный КБ «Яковлев», были установлены сварные узлы системы жизнеобеспечения из жаропрочного гранулируемого сплава 1419. Сварные швы этих изделий подвергали рентгеновскому контролю, результаты которого подтвердили правильность выбранных решений по дегазации гранул.
На КраМЗе по технологической схеме, аналогичной разработанной в ВИЛСе, был создан цех алюминиевых гранул.
Среди выполненных в то время работ важно отметить внедрение профилей из сплава 1959 для изделий КБ «Антонов». Эта разработка ученых ВИЛСа, КИЦМа, КраМЗа, совместно с конструкторами КБ «Антонов», подтвердила высокий уровень технологии, правильность принятых технических решений. Профили крепления балок пола успешно выдержали всесторонние испытания, в том числе на малоцикловую усталость, и были включены в чертежи изделия 70.
Создание опытно-промышленного производства полуфабрикатов из гранулируемых сплавов активизировало их внедрение в изделия различных отраслей машиностроения. Среди них можно отметить уникальные по своим характеристикам паяные узлы из сплава 1419, которые изготавливали на Ижевском радиозаводе, Киевском радиозаводе, в Жуковском КБР, в РНИИ Космического приборостроения. С успехом прошли испытания
Рис. 2. Горячепрессованные прутки из сплава 1379п
-Ф-
-Ф-
-Ф-
-Ф-
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
деталей для текстильного машиностроения из высокопрочного сплава 1969, работающих при очень сильных ударных циклических нагрузках, цилиндрических электросоединителей из сплава 1419, работающих в условиях глубокого вакуума и др.
Организация опытно-промышленного производства качественных полуфабрикатов дала возможность разработать на основе ранее исследованных сплавов новые гранулируемые сплавы.
Так, был разработан новый ультрапрочный сплав 1979, сочетающий в себе наряду с очень высокой прочностью при статическом растяжении (- 800 МПа) достаточно хорошую пластичность (относительное удлинение более 5 %). Полуфабрикаты из сплава 1389 (разработанного на основе сплава 1379) показали очень высокую размерную стабильность и были использованы на заводе «Арсенал» и Красногорском механическом заводе.
Но наиболее масштабной разработкой явилась организация производства горячеп-рессованных прутков из заэвтектического силумина - сплава 1379п (рис. 2).
Поршни дизельных двигателей из гранулируемого сплава 1379п
В результате совместных научно-исследовательских работ специалистов ОАО ВИЛС, ОАО «АК «Туламашзавод», НПП «Автотехнология» (инновационное предприятие на базе Московского государственного машиностроительного университета - МАМИ), начатых в середине 90-х гг., организовано про-
изводство современных высокотехнологичных поршней для дизельного двигателя, отличающегося высочайшими эксплуатационными и экологическими характеристиками [3].
Как правило, заводы, производящие дизельные двигатели, в вопросах конструирования и поставок поршней полагаются на крупные специализированные фирмы. Хотя это имеет ряд преимуществ и, прежде всего, в стоимости поршней, тем не менее, конструкторы двигателей вынуждены ориентироваться только на уровень достижений этих фирм, что часто является сдерживающим фактором, поскольку создание двигателя, обладающего принципиально новыми техническими характеристиками, становится практически невозможным.
Для обеспечения эффективной работы двигателя поршень должен обладать множеством оптимальных характеристик, которые, зачастую, являются противоречивыми с точки зрения комплекса физико-механических свойств материала. Поэтому для достижения качественного функционирования поршня при разработке его конструкции и выборе материала необходимо обеспечить ряд компромиссов. Например, высокие прочность и жесткость должны сочетаться с низкой чувствительностью к концентраторам напряжений и высокой усталостной прочностью; низкая плотность, небольшой вес - с высокой жаропрочностью и износостойкостью; сложная форма - с минимальным изменением размеров и формы поршня в процессе работы двигателя. На рис. 3 показана микроструктура двух поршневых
Рис. 3 Микроструктура поршневых заэвтектических силуминов (к400):
а - сплав АК18, литье в кокиль; б - сплав 1379п, гранула
-Ф-
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
сплавов: АК18 - присутствуют крупные некомпактные интерметаллидные фазы и кристаллы кремния, хаотично расположенные; 1379п -структура с равномерно распределенными, диспергированными составляющими.
В НПП «Автотехнология» разработан наукоемкий технологический процесс горячей изотермической штамповки заготовок поршней, термической обработки и механической обработки поршней по сложному профилю (рис. 4).
Практическим воплощением вышеизложенного подхода к созданию конструкции
Рис. 4. Внешний вид штампованных заготовок поршней
Рис. 5. Внешний вид готовых поршней
поршня является гамма поршней для дизелей производства ОАО «АК «Туламашзавод» с рабочими диаметрами цилиндров 85 мм и 95 мм (рис. 5).
За счет применения разработанных поршней из сплава 1379п в дизельных двигателях (Тмз-450Д, Тмз-520Д, Тмз-650Д), удалось обеспечить прекрасные экологические (показатели токсичности ниже Европейских норм 2005, низкий шум, возможность использования внутри отсека ограниченного объема) и эксплуатационные характеристики (непрерывная работа 24ч, моторесурс не ниже 4000-8000 моточасов, удельный расход топлива 260-280 г/кВт • ч и др.).
На VI Международном форуме «Высокие технологии 21 века» за разработку промышленной технологии изготовления гранулируемого алюминиевого сплава 1379п для поршней дизельных двигателей ОАО ВИЛС был награжден золотой медалью.
Результаты опытно-промышленного изготовления поршней из сплава 1379п, к которым предъявляются жесткие требования (например, «Остаточный рост диаметральных размеров рабочей поверхности поршня без механической обработки не должен превышать 0,002 мкм») и которые подвергаются строгому контролю, показали, что принципы созданной специалистами ВИЛСа технологии производства гранулируемых полуфабрикатов оказались верными.
Совершенствование технологии производства быстрозакристаллизованных алюминиевых сплавов
Разработанная в 80-х гг. технология производства полуфабрикатов из гранул имеет целый ряд недостатков. Наиболее значимые среди них:
- контакт гранул с окружающей средой -причина появления включений различной природы ;
- необходимость проведения операции сушки гранул;
- низкие поперечные свойства массивных полуфабрикатов;
- необходимость изготовления герметичных капсул;
-Ф-
-Ф-
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
- нестабильность качества полуфабрикатов, полученных из различных капсул;
- большое количество ручных операций и значительное влияние человеческого фактора на качество ;
- высокая трудоемкость контрольных операций;
- недостаточно высокая для получения нового поколения сплавов скорость охлаждения при кристаллизации.
Мы полагаем, что дальнейшее развитие технологии гранулирования алюминиевых сплавов должно идти по двум направлениям.
Первое направление - совершенствование технологии получения и переработки гранул, полученных со скоростью охлаждения при кристаллизации 103-105 К/с, расширение производства , создание новых и совер -шенствование известных сплавов.
В конечном итоге целью такого совершенствования должно быть:
- обеспечение стабильно высокого качества заготовок;
- снижение трудоемкости изготовления продукции;
- расширение номенклатуры продукции;
- увеличение объема производства.
Второе направление требует особого подхода - это разработка и внедрение в промышленное производство технологии получения заготовок из гранул, отлитых из высокотемпературного расплава со скоростью охлаждения при кристаллизации 106-107 К/с.
Остановимся вначале на первом направлении. На рис. 6 представлена схема бескап-сульной технологии, которая использовалась в США компанией Allied Signal Inc. В соответствии с данной технологией гранулы компак-тируются в вакуумном прессе. Именно вакуумный пресс и является изюминкой технологии.
К решению вопроса о переходе на бескап-сульную технологию еще в 80-х гг. приступили тесно работавшие с нами коллеги из ОАО «Композит». Исследования, выполненные под руководством В.Н. Бутрима и В.Н. Мироненко, проведенные на экспериментальном оборудовании (рис. 7), показали, что использование вакуумного пресса позволяет существенно повысить стабильность свойств полуфабрикатов, и с его помощью возможно значитель-
но уменьшить усилия компактирования. Специалисты «Композита» использовали литье гранул в азоте, им удалось получить образцы гранулированных сплавов, легированных литием. В настоящее время работы в данном направлении хотя и очень медленно, но продолжаются.
Мы полагаем, что сейчас речь должна идти о создании производительного агрегата, состоящего из вакуумного пресса и модуля для скоростной дегазации частиц, соединенных между собой .
Безусловно, необходимо отказаться от способа литья в воду; метод спиннингова-ния, применяемый компанией ЯБР и исполь-
Рис. 6. Схема производства заготовок из быстрозакристаллизованных сплавов в компании Allied Signal Inc. [4]:
1 - приготовление расплава; 2 - раздаточная воронка с регулируемой подачей струи расплава; 3 - высокоскоростная кристаллизация на вращающемся медном барабане методом плоской струи; 4 - измельчение ленты; 5 - вакуумная дегазация; 6 - изготовление компактного брикета на вакуумном прессе; 7 -шлюз для извлечения готового брикета
Рис. 7. Схема производства заготовок с использованием вакуумного пресса в ОАО «Композит»:
приготовление расплава - центробежное распыление в среде азота - засыпка гранул в бункер - дегазация и компактирование в вакуумном прессе [5]
-Ф-
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
-Ф-
Рис. 8. Быстрозакристаллизованные частицы, получение разными способами со скоростью охлаждения при кристаллизации более 1(0 К/с:
а - иголки (экстракция расплава); б - ленточки (спиннингование); в - чешуйки (распыление на экран); г - гранулы < 100 мкм (центробежное литье в воду)
зованный Allied Signal, также не лучшее решение вопроса. Мы прорабатывали вопрос атомайзинга (газового распыления) с охлаждением гранул - чешуек на металлическом экране, ряд других способов. При выборе технологии решающее значение будут иметь два фактора - стабильность сверхбыстро-закристаллизованной структуры и экономическая эффективность технологии.
Что касается сплавов, которые будут изготавливать на новом оборудовании, то можно полагать, что наибольший объем останется за заэвтектическими силуминами, а также за жаропрочными сплавами, ультрапрочными сплавами, сплавами, имеющими свойства защиты от излучения, и т. д.
В целом для развития промышленного производства гранулируемых алюминиевых сплавов необходимо реализовать:
- разработку промышленного агрегата для литья гранул в газовой атмосфере производительностью до 250-300 т/год;
- разработку агрегата для высокопроизводительной дегазации и вакуумного ком-пактирования гранул производительностью до 200 т/год.
Развитие металловедения
сверхбыстрозакристаллизованных алюминиевых сплавов
Что касается развития металловедения и технологии быстрозакристаллизованных алюминиевых сплавов, то новые перспективы для сплавов, легированных ПМ, открывает дальнейшее повышение скоростей охлаждения при кристаллизации до 106 К/с и выше. Целью данного направления является создание на основе сверхбыстрозакристаллизованных алюминиевых сплавов с устойчивой квазикристаллической, нанокристаллической и аморфной структурой материалов с принципиально новым уровнем физико-механических и специальных свойств.
Проведенные нами исследования различных способов достижения высокой скорости охлаждения при кристаллизации показали, что аналогичный характер сверхбыстрозак-ристаллизованной структуры может формироваться в частицах различного типа полу-
г
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
ченных как при кристаллизации на металлической подложке (иголки, ленточки, чешуйки), так и при кристаллизации мелких (менее 100 мкм) гранул с охлаждением в воде (рис. 8).
Исследования показали, что закономерности изменения быстрозакристаллизованной структуры со скоростью охлаждения от 106 К/с носят иной характер, чем при более низких скоростях. Если увеличение скорости охлаждения от равновесной до 104-105 К/с ведет к постепенному увеличению пересыщения твердого раствора, измельчению первичных интерметаллидных фаз и, соответственно, к постепенному повышению твердости (рис. 9, а), то с ростом скорости охлаждения более 106 К/с принципиально меняется кинетика, характер процесса.
Например, в высоколегированных сплавах на основе системы А!-8Ре было обнаружено, что при определенных условиях высокоскоростной кристаллизации происходит формирование светлой структуры, так называемой структуры типа А (рис. 9, е), которой соответствует резкий скачок твердости. Причем обращает на себя внимание резкая граница разных структурных состояний (рис. 10).
Так, белой структуре (типа А) соответствует не сильнопересыщенный твердый раствор, а образование наноразмерной метастабиль-ной эвтектики, имеющей ячеистый характер и очень высокую твердость (Нц - 300).
Новые перспективы развития алюминиевых сплавов, легированных ПМ, открывает дальнейшее повышение скоростей охлаждения при кристаллизации до значений 106 К/с и выше (рис. 11). В работах, интенсивно ведущихся за рубежом (в основном в Японии и США), обзор которых сделан В.И. Елагиным [6], установлена возможность получения в сплавах алюминия с высоким содержанием ПМ, практически не растворимых в алюминии при рав-
* • • _
д
■ 'Л!/' 1
гя№!
, -к
Рис. 9. Изменение структуры сплава А!—8Ре—4Се с ростом скорости охлаждения при кристаллизации от 102 до 106 К/с
новесных условиях железа, никеля и кобальта, а также в сплавах, содержащих совместные добавки ПМ и редкоземельных металлов, аморфной структуры. Тонкие ленты (толщиной 20 мкм) из сплавов, содержащих до 14 % N и до 10 % Ре или до 14 % N и до 14 % Со, кристаллизующихся при скоростях охлаждения
Рис. 10. Структура мелких (<100 мкм) гранул, х400
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
ленные перспективы имеет способ центробежного пневматического распыления (ЦПР) (рис. 12). Преимуществом последнего перед спиннингованием является отсутствие необходимости измельчения частиц.
Говоря о развитии технологии быстрозак-ристаллизованных наноматериалов, мы должны понимать, что мало получить литую
Рис. 11. Структура (ТЕМ) типа А сплава 1489 (А!-Ре-ПМ), х.50 000
-106 К/с, имели либо полностью аморфную структуру и ств от 870 до 1070 МПа, либо аморфную матрицу с нанокристаллическими выделениями А1-твердого раствора и ств = = 1270 МПа. Аналогичная лента из сплава А188^дСе2ре 1 (индексы показывают атомные проценты) имела смешанную структуру (аморфная матрица с выделениями А1-твер-дого раствора) и уникальную прочность и жаропрочность: при комнатной температуре ств = 1560 МПа, а при 300 °С ств = 970 МПа. Пластичность лент с аморфной структурой низкая, но в некоторых случаях относительное удлинение достигает 2-3 %.
В целом проведенные различными исследователями работы показали, что сверхвысокие скорости охлаждения, обеспечивающие предельно неравновесные условия кристаллизации, позволяют получить различные типы структур - квазикристаллические, аморфные, наноструктурные, обладающие совершенно новыми, не характерными для алюминия свойствами [8].
Вопросы технологии сверхбыстрозакристаллизованных материалов
Если говорить о получении литой структуры, то наибольшее внимание исследователей сверхбыстрозакристаллизованных сплавов было в последние десятилетия уделено ленточкам, которые получают способом спиннин-гования. Нам представляется, что опреде-
III
Рис. 12. Схема установки центробежного пневматического распьления
Рис. 13. Горячее гидродинамическое выдавливание как способ максимального сохранения свойств литой структуры:
а - схема прессования через прямую матрицу; б -схема горячего гидродинамического прессования
-Ф-
-Ф-
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
частицу с уникальной структурой, надо еще и сохранить все преимущества такой структуры в полуфабрикате.
На рис. 13 представлен один из возможных способов решения - технология горячего гидродинамического прессования. Этот способ позволяет не только обеспечить равномерную проработку частиц по сечению полуфабриката, но и снизить термомеханическое воздействие на нестабильную неравновесную структуру исходного материала [9, 10].
Заключение
Разработанные металловедческие принципы создания гранулируемых алюминиевых сплавов, кристаллизующихся со скоростью охлаждения 103-104 К/с, позволили создать гамму новых конструкционных и функциональных материалов, которые нашли применение в изделиях различных отраслей промышленности.
Разработанная технология и созданное опытно-промышленное производство заготовок из гранул, позволили обеспечить качество полуфабрикатов, соответствующее самым высоким требованиям авиационной и оборонной промышленности. Совершенствование принятой технологии необходимо проводить в направлении разработки нового способа
литья гранул, без использования воды в качестве охлаждающей среды, а также исключения из технологического процесса расходуемых герметичных капсул (за счет использования вакуумного пресса) и т. п.
Полученные в лабораторных условиях результаты исследования сверхбыстрозакрис-таллизованных аморфных, нанокристалли-ческих, квазикристаллических материалов показывают принципиальную возможность создания новых материалов, имеющих более высокий уровень прочности и жаропрочности, чем все известные сплавы, обладающие уникальными для металлических материалов физическими свойствами и т. д. Эти материалы можно рассматривать как новую ступень развития гранулируемых алюминиевых сплавов.
Переработка этих материалов в компактные полуфабрикаты, при условии сохранения преимуществ исходной структуры, является отдельной трудной задачей, решение которой требует нового подхода к процессу горячей деформации.
Решение задачи создания этих новых материалов, реализации их преимуществ в изделия машиностроения, приборостроения, электроники и т. д. позволит обеспечить успешное развитие нашей техники.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Добаткин В.И., Елагин В.И. Гранулируемые алюминиевые сплавы. - М.: Металлургия, 1981. -176 с.
2. Бондарев Б.И., Шмаков Ю.В. Быстрозакрис-таллизованные алюминиевые сплавы. - М.: ВИЛС, 1997. - 330 с.
3. Задерей А.Г., Конкевич В.Ю. От инноваций в металлургии - к инновации в машиностроения // Технология легких сплавов. 2012. № 4. С. 7-12.
4. Das S.K. Rapid Solidification and Powder Metallurgy at Allied Signal Inc. // The International Journal of Powder Metallurgy. 1988. V. 24. № 2. P. 175-183.
5. Пономарев Ю.И., Мироненко В.Н., Бутрим В.Н. Перспективная технология металлургии гранул алюминия // В кн.: Технология обработки легких и специальных сплавов. - М.: Металлургия, 1994. С.215-224.
6. Елагин В.И. Алюминиевые сплавы с аморфной и смешанной (аморфной и кристаллической) структурой // Технология легких сплавов. 1998. № 1. С.7-23.
7. Редчиц А.В., Конкевич В.Ю., Лебедева Т.И., Редчиц В.В. Самоорганизация структуры при быстрой кристаллизации алюминиевых сплавов с высоким содержанием переходных материалов в процессе сварки и лазерной обработки // Сварочное производство. 2001.№ 4. С. 7-10.
8. Пул Ч.-мл., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. - М.: Техносфера. 2009.
9. Кирилянчик А.С., Конкевич В.Ю. Деформируемые полуфабрикаты из наноструктурных частиц быстрозакристаллизованных алюминиевых сплавов // Технология машиностроения. 2010. № 4. С. 5-7.
10. Конкевич В.Ю., Лебедева Т.И., Кирилянчик А.С., Первов М.Л. Наследование свойств литой структуры быстрозакристаллизованных алюминиевых сплавов деформированными полуфабрикатами // Технология легких сплавов. 2010. № 2. С. 49-58.
