CC BY
143
УДК 669.018.44:669.715:669.018.26 Н.И. Колобнев1
ЖАРОПРОЧНОСТЬ АЛЮМИНИЕВЫХ ДЕФОРМИРУЕМЫХ СПЛАВОВ
DOI: 10.18577/2071-9140-2016-0-1-32-36
Представлен обзор некоторых вопросов, касающихся теории жаропрочности алюминиевых сплавов, а также основных факторов, влияющих на жаропрочность, к которым относятся физико-химические и структурные характеристики сплавов. Приведены результаты исследований химического и фазового составов, зеренной структуры и механических свойств основных сплавов, используемых для работы при повышенных температурах, и влияния на их жаропрочность режимов термической обработки. Дана сравнительная оценка уровня пределов длительной прочности и ползучести сплавов систем Al-Cu-Mg (Д19, АК4-1, ВД17, В-1213), Al-Cu-Mn (Д20, 1201) и Al-Cu-Li (1230, В-1461), дополнительно легированных переходными металлами и редкоземельными элементами. В температурном интервале 150-200°С при продолжительности воздействия 100-1000 ч сплавы можно расположить в следующем порядке с учетом повышения уровня жаропрочности: Д19, АК4-1, ВД17, Д20, В-1213. Алюминий-литиевый сплав В-1461 имеет преимущество по характеристикам жаропрочности до температуры 175°С при продолжительности воздействия 100-1000 ч благодаря более высоким прочностным свойствам при комнатной температуре.
Ключевые слова: жаропрочность, алюминиевые деформируемые сплавы, ползучесть, диффузия, зерен-ная структура, кристаллическая решетка.
The paper is presenting a review of certain matters relating to the theory of heat resistant aluminum alloys as well as the major factors affecting the heat resistance including physical, chemical and structural properties of the alloys. Results of investigations of chemical and phase composition, grain structure and mechanical properties of alloys most widely used for operation at elevated temperatures are given; an influence of heat treatment conditions on heat resistance is described as well. A comparative estimation of ultimate values of rupture strength and creep characteristics is given for Al-Cu-Mg (D19, AK4-1, VD17, B-1213), Al-Cu-Mn (D20, 1201) and Al-Cu-Li (1230, V-1461) alloys additionally alloyed with transition metals and rare-earth elements. In the temperature range 150-200°C at 100-1000 hours exposure the alloys can be arranged in the following order based on increasing levels of heat resistance: D19, AK4-1, VD17, D20, V-1213. The Al-Li alloy B-1461 has the advantage of heat resistance up to a temperature of 175°C at 100-1000 hours exposure due to higher strength properties at room temperature.
Keywords: heat resistance, wrought aluminum alloys, creep, diffusion, grain structure, crystal lattice.
^Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации
[Federal state unitary enterprise «All-Russian scientific research institute of aviation materials» State research center of the Russian Federation] E-mail: [email protected]
Введение
Для создания и развития перспективной авиационной и космической техники требуется разработка жаропрочных сплавов, в том числе алюминиевых, работоспособных (длительно) при повышенной температуре [1-7]. Обоснованием теоретических положений жаропрочности металлических сплавов занимались многие отечественные и зарубежные исследователи, среди которых значительный вклад в исследование этой темы внес A.A. Бочвар [2, 8-10]. Дальнейшее развитие разработанных им направлений и практическое применение их в производстве алюминиевых жаропрочных сплавов было осуществлено сотрудниками ВИАМ: O.A. Романовой, Е.И. Шиловой, И.Н. Фридляндером и др. [11, 12].
Результаты Под жаропрочностью сплава обычно понимают степень его сопротивления длительному сум-
марному воздействию повышенных температур и напряжений. Большое влияние на жаропрочность сплавов оказывают физико-химические и структурные факторы [2, 8-10]. К физико-химическим факторам относится энергетическое состояние кристаллической решетки твердого раствора, включая дефекты кристаллической решетки, силы межатомной связи и электронную концентрацию [13-16]. Важнейшими структурными факторами являются: величина зерен твердого раствора, протяженность и состояние границ зерен; количество, размер и форма частиц вторичных фаз; устойчивость твердого раствора, рост и коагуляция частиц продуктов его распада. Следует учитывать и влияние на жаропрочность некоторых технологических факторов: термомеханические параметры изготовления полуфабрикатов и режимы упрочняющей термической обработки.
Алюминиевые деформируемые сплавы, работоспособные при повышенных температурах, раз-
рабатывались с учетом вышеуказанных факторов, при этом особое внимание уделялось уменьшению диффузионной подвижности атомов легирующих элементов (л.э), особенно атомов основы сплава (самодиффузия). Для оценки жаропрочности алюминиевых сплавов определяют пределы длительной прочности и ползучести в темпера-турно-временных интервалах, учитывающих условия работы элементов конструкции.
Наибольшим сопротивлением пластическому деформированию при длительном воздействии высокой температуры и нагрузки обладают твердые растворы с максимальной прочностью межатомной связи и минимальным искажением кристаллической решетки.
Особенно повышает жаропрочность сплавов легирование переходными металлами, которые способствуют увеличению сил межатомной связи с алюминием, уменьшению самодиффузии атомов алюминия в кристаллической решетке твердого раствора, устойчивости зон Гинье-Престона (ЗГП) и метастабильных фаз, а также росту и коагуляции стабильных фаз. Все это задерживает движение дислокаций, что повышает жаропрочность сплавов.
Для оценки силы межатомной связи можно использовать величину температуры плавления, энергии сублимации, температурного коэффициента линейного расширения и др. [2, 8, 14]. Наибольшая сила межатомной связи у переходных металлов Мо, 2г, №, Сг, Мп и других (табл. 1).
Межатомная связь в кристаллической решетке твердых растворов зависит от электронного вклада, вносимого атомами легирующих элементов [15, 16]. Чем выше планируется температура, при которой длительное время будет эксплуатироваться сплав, тем сильнее должна быть межатомная связь между основой сплава и легирующими элементами, имеющими низкий коэффициент диффузии в твердом алюминии.
Легирующие элементы, которые приводят к сильному искажению кристаллической решетки твердого раствора, не способствуют повышению жаропрочности алюминиевых сплавов, по сравнению с добавками, значительно усиливающими
прочность межатомной связи без существенного искажения кристаллической решетки. Вакансии так же, как и легирующие элементы, искажают кристаллическую решетку.
При замещении атома алюминия в узлах кристаллической решетки [2] легирующий атом вызывает локальное растяжение (глэ>гА1, где г -атомный радиус) или сжатие (глэ<гА1) прилегающих участков решетки (табл. 2).
Увеличение степени искажения кристаллической решетки и повышение плотности дефектов (вакансий, дислокаций и др.) приводит к росту прочностных характеристик сплава при комнатной температуре. Однако при высоких температурах решетка, имеющая запас свободной энергии, термодинамически неустойчива. В ней увеличивается диффузионная подвижность атомов, происходят распад твердого раствора и разупрочнение сплава со снижением его характеристик жаропрочности.
Среди структурных факторов особо следует выделить влияние на жаропрочность алюминиевых сплавов размера зерна и связанную с ним протяженность границ зерен твердого раствора [17]. Границы зерен обладают высокой поверхностной энергией и находятся в термодинамически неустойчивом состоянии. Следовательно, чем больше размер зерен, тем меньше их протяженность, ниже запас свободной энергии и слабее развиты диффузионные процессы.
Следует также отметить большое влияние на жаропрочность алюминиевых сплавов ряда технологических факторов (термомеханические параметры изготовления полуфабрикатов, режимы термической обработки и др.), которые могут сильно изменять как зеренную структуру в процессе рекристаллизации и фазовый состав, так и величину и характер расположения структурных составляющих. Изменяя те или иные технологические параметры, можно воздействовать на структурные и физико-химические характеристики сплава, что в определенных пределах обуславливает изменение его жаропрочности [2, 8].
На жаропрочность алюминиевых сплавов оказывают сильное влияние количество, размеры и
Таблица 1
Температура плавления, характеризующая силу межатомной связи в кристаллической решетке некоторых металлов
Металлы 7п Mg А1 Си Мп Сг Fe 7г Мо
Температура плавления, °С 419 650 660 1083 1245 1890 1535 1820 1750 2625
Таблица 2
Атомный радиус элементов
Элементы А1 Mg гп Си ТС гг Сг Fe № Cd Si
Атомный радиус, нм 0,143 0,16 0,137 0,127 0,146 0,16 0,128 0,127 0,124 0,152 0,13
Таблица 3
Химический и фазовый составы алюминиевых деформируемых сплавов
Система легирования Сплав Содержание элементов, % (по массе) Фазовый состав
Си Mg Мп Li
АПСи^-Мп Д19 4,0 2,0 0,75 - А^СиМе; А112Мп2Си
АК4-1 2,3 1,5 ЛЬСиМк А1<дае; Mg2Si
ВД17 3,0 2,2 0,6 ЛЬСиМк AÍ^oMg2Mn; AÍl5Si2(MnFeCu)з
В-1213 5,2 0,5 0,3 А12Си; AÍ10Mg2Mn; А13^г
А1-Си-Мп Д20 6,5 0,3 0,6 А12Си, А112Мп2Си; AÍ10Mg2Mn
1201 6,0 - 0,6 - А12Си; AÍ12Mn2Cu
АЮи-Ы 1230 5,3 0,6 1,2 AÍ2CuLi; AÍзLi; AÍ12Mn2Cu
В-1461 2,8 0,3 0,2 1,7 АЬСиЬц AÍзLi; А^ГЗс)
Таблица 4
Механические свойства жаропрочных алюминиевых сплавов при комнатной температуре
Сплав d, кг/м3 Е, ГПа Полуфабрикат Оо,2 5, %
МПа
Д19-Т 2760 67 Листы 417 265 10
Прессованные профили 412 294 10
АК4-1-Т1 2760 70,6 Листы 387 314 6
Прессованные профили 392 323 6
ВД17-Т1 2750 70 Прессованные профили 440 280 10
Д20-Т1 2840 70 Листы 372 274 8
Прессованные профили 353 235 8
1201-Т1 2850 69,6 Листы 402 314 6
Прессованные профили 392 294 6
В-1461-Т1 2630 79 Листы 500 450 7
Прессованные профили 560 510 7
Таблица 5
Механические свойства листов из жаропрочных алюминиевых сплавов
Сплав Предел прочности Значение предела прочности, МПа, при температуре, °С
20 100 150 175 200 250 300
Д19-Т ов 440 420 400 375 360 290 190
Сод 300 280 270 260 250 240 160
АК4-1-Т1 Ов 395 - 370 330 310 240 -
Сод 350 - 330 300 260 190 -
ВД17-Т1 Ов 490 441 422 - 372 235 166
Со,2 323 284 270 - 265 166 108
Д20-Т1 Ов 392 353 314 - 255 176 117
Сод 294 265 245 - 176 117 98
1201-Т1 Ов 420 - 340 - 290 220 -
Со,2 330 - 275 - 220 170 -
В-1461-Т1 ов Сод 515 475 - 445 430 425 425 - - -
Таблица 6
Пределы длительной прочности и ползучести листов из жаропрочных алюминиевых сплавов
Сплав 150 °100 175" °100 175 G1000 200 G100 150 G0,2/100 175 0,2/100 _ 200 G0,2/100 175 0,2/1000
МПа
Д19 260 225 167 176 170 135 78 -
АК4-1 290 - - - 230 - - -
ВД17 265 215 186 - 225 186 - 120
В-1213 350 - - - 330 - - -
В-1461 330 260 240 - - - - -
характер распределения вторичных фаз. По мнению ученого A.A. Бочвара, жаропрочность при температурах выше 0,6 TS достигается в основном благодаря получению гетерогенной структуры [18]. На повышение жаропрочности алюминиевых сплавов также влияют дисперсные металлические соединения, в состав которых входят и переходные металлы: А1бМп, Al7Cr, Al9FeNi, Al12Mn2Cu, Al6Cu3Ni и другие. Эти соединения устойчивы при повышенных температурах, слабо взаимодействуют с твердыми растворами, их частицы не склонны к укрупнению и коагуляции, а также препятствуют передвижению дислокаций. Дислокации внутри зерен твердого раствора вынувдены обходить их или перемещаться путем переползания. В обоих случаях дислокации перемещаются под воздействием значительно больших напряжений, чем при скольжении. Присутствие твердых термически стабильных избыточных фаз сложного состава повышает жаропрочность твердого раствора.
Алюминиевые деформируемые сплавы, предназначенные для работы при высоких температурах, разработаны преимущественно на базе системы Al-Cu и дополнительно легированы переходными металлами и редкоземельными элементами (табл. 3).
Сплавы систем Al-Cu-Mg-Mn и Al-Cu-Mn относятся к среднепрочным (табл. 3). Сплавы системы Al-Cu-Li обладают высокой прочностью, повышенным модулем упругости и пониженной плотностью (табл. 3-6) [11, 12, 19-22].
Обсуждение и заключения
Основными факторами, влияющими на жаропрочность алюминиевых деформируемых сплавов, являются:
- энергетическое состояние кристаллической решетки твердого раствора, включая дефекты кристаллической решетки, силы межатомной связи и электронную концентрацию;
- величина зерен твердого раствора, протяженность и состояние границ зерен; количество, размер и форма частиц вторичных фаз;
- устойчивость твердого раствора и вторичных фаз.
Сравнительная оценка уровня пределов длительной прочности и ползучести сплавов систем Al-Cu-Mg (Д19, АК4-1, ВД17, В-1213), А1-Си-Мп (Д20, 1201) и А1-Си^ (1230, В-1461), дополнительно легированных переходными металлами и редкоземельными элементными, показала, что в температурном интервале 150-200°С и при продолжительности воздействия 100-1000 ч сплавы можно расположить в следующем порядке повышения уровня жаропрочности: Д19, АК4-1, ВД17, Д20, В-1213. Алюминий-литиевый сплав В-1461 превосходит по жаропрочным характеристикам (до температуры 175°С в течение 1001000 ч) другие алюминиевые сплавы благодаря тому, что обладает более высокими прочностными свойствами при комнатной температуре.
ЛИТЕРАТУРА
1. Каблов E.H. Современные материалы - основа инно-
вационной модернизации России // Металлы Евразии. 2012. №3. С. 10-15.
2. Колобнев И.Ф. Жаропрочность литейных алюминие-
вых сплавов. 2-е изд. М.: Металлургия, 1973. 320 с.
3. Фридляндер И.Н., Антипов В.В., Колобнев Н.И., Якимова Е.Г. Конструкционные жаропрочные алюминиевые сплавы / В кн.: 75 лет. Авиационные материалы. Избранные труды «ВИАМ» 1932-2007: юбилейный науч.-технич. сб. М.: ВИАМ, 2007. С. 172-180.
4. Каблов E.H. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических
направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3-33.
5. Каблов E.H. Авиакосмическое материаловедение //
Все материалы. Энциклопедический справочник. 2008. №3. С. 2-14.
6. Каблов E.H., Оспенникова О.Г., Вершков A.B. Ред-
кие металлы и редкоземельные элементы - материалы современных и будущих высоких технологий // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2013. №2. Ст. 01. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 14.01.2015).
7. Братухин А.Г., Фридпяндер И.Н. Конструкционные
алюминий-литиевые сплавы пониженной плотности // Авиационная промышленность. 1987. №2. С. 43-46.
8. Бочвар A.A. Металловедение. М.: Металлургиздат,
1956. 494 с.
9. Петров Д.А. Вопросы теории сплавов алюминия. М.:
Оборонгиз, 1951. 255 с.
10. Лужников Л.П. Деформируемые алюминиевые сплавы для работы при повышенных температурах. М.: Металлургия, 1965. 245 с.
11. Промышленные алюминиевые сплавы: справ. изд. 2-е изд. М.: Металлургия, 1984. 528 с.
12. Структура и свойства полуфабрикатов из алюминиевых сплавов: справ. изд. 2-е изд. М.: Металлургия, 1984. 408 с
13. Осипов К.А. Вопросы теории жаропрочности металлов и сплавов. М.: Изд-во АН СССР, 1960. 288 с.
14. Лившиц Б.Г. Физические свойства металлов и сплавов. М.: Машгиз, 1956. 352 с.
15. Электронная структура переходных металлов и химия их сплавов. Пер. с англ. М.: Металлургия, 1966. 230 с.
16. Мак Лин Д. Границы зерен в металлах. Пер. с англ. М.: Металлургиздат, 1960. 322 с.
17. Мондольфо Л.Ф. Структура и свойства алюминие-
вых сплавов. М.: Металлургия, 1979. 640 с.
18. Оглодков М.С., Хохлатова Л.Б., Колобнев Н.И., Алексеев A.A., Лукина Е.А. Влияние термомеханической обработки на свойства и структуру сплава системы Al-Cu-Mg-Li-Zn // Авиационные материалы и технологии. 2010. №4. С. 7-11.
19. Фридпяндер И.Н., Грушко O.E., Антипов В.В., Колобнев Н.И., Хохлатова Л.Б. Алюминийлитиевые сплавы / В кн. 75 лет. Авиационные материалы. Избранные труды «ВИАМ» 1932-2007: юбилейный науч.-технич. сб. М.: ВИАМ. 2007. С. 163-171.
20. Антипов В.В., Колобнев Н.И., Хохлатова Л.Б. Развитие алюминийлитиевых сплавов и многоступенчатых режимов термической обработки // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 183-195.
21. Хохлатова Л.Б., Колобнев Н.И., Антипов В.В., Каримова С.А., Рудаков А.Г., Оглодков М.С. Влияние коррозионной среды на скорость роста трещины усталости в алюминиевых сплавах // Авиационные материалы и технология. 2011. №1. С. 16-20.
22. Лощинин Ю.В., Пахомкин С.И., Фокин A.C. Влияние скорости нагревании при исследовании фазовых превращений в алюминиевых сплавах методом ДСК // Авиационные материалы и технологии. 2011. №2. С. 3-6.
