3. Деформируемые алюминиевые сплавы

Деформируемые сплавы, не упрочняемые термообработкой, имеют сравнительно низкую прочность, но более высокую пла­стичность и коррозионную стойкость. Их применяют в отожжен­ном состоянии или упрочняют с помощью холодной пластической деформации. К таким сплавам относятся сплавы типа АМц (сис­тема А1 - Мп) и типа АМг (система AI - Mg).

Рис. 23.2. Левый участок диаграммы состояния сплавов А1 — Си

100

0 2 4 6 6 Си,%

Штриховая линия - температура закал­ки сплавов

Эти сплавы хорошо обраба­тываются давлением и сварива­ются. Из них обычно изготавли­вают изделия, получаемые глу­бокой вытяжкой из листового материла. Благодаря меньшей плотности и достаточной проч­ности чаще применяют алюми­ниево-магниевые сплавы.

Широкое распространение получили деформируемые спла-

вы, упрочняемые термообработкой. Примером деформируемых тер­моупрочняемых алюминиевых сплавов являются сплавы алюми­ния с медью. Из диаграммы состояния Al-Cu (рис. 23.2) видно, что максимальная растворимость меди в твердом алюминии со­ставляет 5,7 % при 548 °С. При понижении температуры раствори­мость падает, составляя 0,2 % при 20 °С. Наличие линии перемен­ной растворимости АВ показывает возможность упрочнения сплава путем закалки и старения. В литом состоянии микроструктура сплавов состоит из а-раствора и интерметаллидов CuAl₂. При на­греве под закалку до температуры, соответствующей линии аЪс, происходит растворение избыточных интерметаллидных фаз. Бы­строе охлаждение фиксирует пересыщенный твердый раствор в сплавах, содержащих до 5,7 % Си. В закаленных сплавах с со­держанием меди более 5,7 % в структуре помимо пересыщенного твердого раствора, отвечающего составу точки В, будут присутст­вовать не растворенные при нагреве кристаллы CuAl₂. Закалка должна проводиться со скоростью, предотвращающей распад пе­ресыщенного твердого раствора. Закалку обычно проводят в воде. Сразу после закалки сплавы имеют невысокую прочность и обла­дают способностью пластической деформации. Закаленные детали можно подвергать различным технологическим деформирующим операциям: гибке, отбортовке, расклепке заклепок.

Для дальнейшего упрочнения сплавы подвергают естественно­му в течение нескольких суток или искусственному старению при температуре около 150 °С в течение 10-24 ч. Более эффектйвно ес­тественное старение. В этом случае сплавы имеют более высокую пластичность и менее чувствительны к концентраторам напряже­ний. На рис. 23.3 представлены микроструктуры дуралюмина Д16 в литом состоянии, после закалки и после закалки и старения.

Рис. 23.3. Микроструктура дуралюми- на Д16 (х 300):

о - литой сплав (а-раствор, СиА1₂, Al₂MgCu - фаза S); б - деформируемый сплав после закалки (пересыщенный а- раствор); в - сплав после закалки и старения

В начальный период старения образуются зоны повышенной концентрации меди, так называемые зоны Гинье - Престона (ГП). В этот период атомы меди еще не выделяются из раствора. В зонах повышенной концентрации меди кристаллическая решетка ис­кажена, в кристалле возникают большие напряжения, что увели­чивает твердость и прочность металла. При дальнейшем развитии старения зоны Гинье - Престона увеличиваются, а затем происхо­дит выделение мельчайших частиц интерметаллидов, которые впо­следствии коагулируют. Процесс образования зон Гинье - Престо­на и достижение стадии так называемого предвыделения приво­дит к максимальному упрочнению.

Наиболее распространенными деформируемыми алюминие­выми сплавами являются дуралюмины. Они содержат, %: 2,5-5 Си, 0,4-1,8 Mg, 0,4-0,9 Мп. Медь и магний вводят в сплав для его уп­рочнения, марганец усиливает упрочняющий эффект и повышает

Рис. 23.4. Зависимость прочности дуралю- минов от соотношения меди и магния при их постоянном суммарном содержании 5 %

б/},МПа

0 / 2 <7 4 Мд,%

его коррозионную стойкость. Наи­большее упрочнение достигается по­сле старения.

Дуралюмин, по составу пример­но соответствующий современному сплаву Д1, был изобретен немецким ученым А. Вильмом, первая работа которого опубликована в 1906 г. Явление естественного старения сплава было открыто Вильмом слу­чайно и в начале не имело научно­го обоснования.

В дуралюминах системы А1 - Си - Mg могут образовываться или двойные соединения СиА1₂ и Al₃Mg₂, или тройные Al₂MgCu (так называемая фаза S) и Al_eCuMg₀ (фаза Т). На рис. 23.4 пока­зано влияние соотношения разных фаз на прочность после закал­ки и старения. С увеличением содержания меди в сплавах возрас­тает количество 0-фазы, оказывающей основное упрочняющее действие (дуралюмин Д1). Увеличение содержания магния приво­дит к росту количества фазы S и дополнительному повышению прочности (дуралюмин Д16).

Достоинством дуралюминов является высокая удельная проч­ность, благодаря чему они относятся к числу широко применяе­мых материалов в самолетостроении, для изготовления лопастей воздушных винтов, шпангоутов, тяг управления и др. Дуралюми- ны используют во многих отраслях техники. Их также применяют для кузовов грузовых автомобилей, для строительных конструк­ций, в пищевой и холодильной промышленности для изготовле­ния емкостей, тестомесильных аппаратов, сепараторов, поплавко­вых камер, арматуры, трубопроводов и т. д.

Дуралюмины имеют пониженную коррозионную стойкость. Для повышения коррозионной стойкости листы дуралюмина пла­кируют, т. е. покрывают слоем чистого алюминия и производят совместную прокатку листов. Алюминий, толщина слоя которого составляет 2-5 %, сваривается с основным металлом и защищает его от коррозии.

Для повышения коррозионной стойкости деталей из дуралю­минов их также подвергают анодной поляризации в 10 %-м рас­творе серной кислоты. Выделяющийся кислород способствует об­разованию на поверхности дуралюминовой детали оксидной плен­ки, предохраняющей ее от окисления.

Деформируемые алюминиевые сплавы на Al - Zn - Mg - Си ос­нове (типа В95, В96) имеют наиболее высокую прочность среди всех алюминиевых сплавов а_в = 500-750 МПа, но невысокую пластич­ность 8 = 7-10 %. Эффект старения в этих сплавах наиболее высок. Он достигается за счет выделения дисперсных фаз М(MgZn₂) и T(AlZnMg). При высоком содержании цинка медь не участвует в старении, сохраняется в пересыщенном твердом растворе, повы­шая относительное удлинение и коррозионную стойкость. Сплавы этой системы легирования используются в самолетостроении для тяжелонагруженных деталей.

Снижение полетной массы машин является важнейшей задачей конструкторов, работающих в области самолето- и ракетостроения. Для легирования алюминия применен литий - самый легкий среди металлов (плотность 0,5 г/см³). В настоящее время разработаны сплавы системы Al - Си - Li (ВАД23) и Al - Mg - Li (01420), а так­же режимы их упрочнения при термической обработке. В сплавах этого типа при искусственном старении достигается большее уп­рочнение, чем при естественном старении. Сплавы имеют проч­ность, близкую к прочности дуралюминов (и_в * 400 МПа), но зна­чительно меньшую плотность.

Упрочнение Al - Си - Li системы легирования (ВАД23) дости­гается еще за счет выделения при старении дисперсной фазы Al₂CuLi, по своей природе аналогичной фазе S(Al₂MgCu) в системе Al - Си - Mg. Эффект упрочнения усиливается при введении не­большого количества кадмия (0,1-0,25 %).

Влияние лития на механические свойства сплавов А1 - Си - Мп - Cd при концентрации меди 2; 4 и 6 % показано на рис. 23.5.

б_1уМПа

Рис. 23.5. Зависимость механических свойств сплавов системы Al — Си — Мп — Cd от содержания лития:

а - 2 % Си; б - А % Си; в - 6 % Си; 1 - естественно состаренное состояние; 2 - ис­кусственно состаренное состояние

Максимальный эффект после термообработки получен на сплавах, содержащих 5-6 % Си и 1,4 % Li, близких по составу сплаву ВАД23.

Сплав ВАД23 используется как конструкционный материал для изделий, в которых должны сочетаться низкая плотность с высокой прочностью, жесткостью и жаропрочностью. Он обладает высокой технологической пластичностью, особенно при горячей деформации. Из него могут быть получены все виды деформиро­ванных полуфабрикатов, включая фольгу.

Сплавы системы AI - Mg - Li являются самыми легкими из всех известных алюминиевых сплавов (на 12 % легче сплава Д16 и на 15 % - сплава В95). Такое существенное снижение массы объяс­няется тем, что оба легирующих элемента легче алюминия.

Выделением, влияющим на упрочнение AI - Mg -Li сплава 01420 при старении, является фаза § (Al₃Li). Выделение фазы- упрочнителя не приводит к обеднению матрицы магнием. Сплав 01420 и его сварные соединения обладают высокими коррозион­ными свойствами, близкими к свойствам сплава АМгб системы AI - Mg.

Известно, что модуль упругости сплавов обычно изменяется приблизительно аддитивно в зависимости от модуля упругости компонентов и их содержания в сплаве.

Сплавы AI - Mg - Li имеют аномально высокий модуль упру­гости: на 4 % выше, чем у дуралюмина, хотя модуль упругости самого Li крайне низкий.

Благодаря сочетанию низкой плотности, высокого модуля уп­ругости, коррозионной стойкости и хорошей свариваемости при­менение сплавов системы AI — Mg - Li в аэрокосмической технике непрерывно расширяется.

В России АНТК им. А. Н. Туполева совместно с фирмой "Дай­млер Бенц Аэроспейс" разрабатывает проект экологичного само­лета - криоплана, использующего в качестве топлива жидкий природный газ или жидкий водород. Использование криогенного топлива, обладающего несомненными преимуществами по срав­нению с обычным керосином по энергоемкости и экологичности, осложнено тем, что водород в жидком состоянии имеет температу­ру -253 °С, а его объем в 4 раза больше керосинового эквивалента.

Одной из наиболее трудных проблем, связанных с созданием криоплана, является выбор материала для топливного бака. Боль­шинство алюминиевых сплавов при этих температурах охрупчи- вается и повышает чувствительность к концентрации напряже­ний, делая их неспособными к работе в этих условиях.

Сплавы системы А1 — Си - Мп могут работать в этих условиях, что подтверждено опытом их эксплуатации в системах "Энергия -

Буран" (Россия) и "Шаттл" (США). Однако они имеют сравнитель­но невысокую прочность и низкие усталостные характеристики. Специально разработанный Al - Li сплав 01460 обладает более высокими характеристиками прочности, усталостной долговечно­сти и запасом пластичности при низких температурах. Он хорошо сваривается и пригоден для изготовления криогенных баков.

Для повышения сопротивления разрушению при малоцикловых нагрузках, являющегося важнейшей характеристикой надежности авиационных материалов, необходимо повышение дисперсности вторичных частиц алюминидов, выделяющихся при старении.

Высокопрочные алюминиевые сплавы марок Д16 (Al - Си - Mg) и В95 (Al - Zn - Mg - Си) в течение многих десятилетий исполь­зуются в авиастроении. Повышению их трещиностойкости спо­собствовало снижение предельного содержания вредных примесей Fe и Si от 0,50 до 0,15 и 0,1 % соответственно. Долговечность (ко­личество циклов до разрушения) возросла от 100 до 165 кциклов, а скорость роста трещины уменьшилась с 6,0 до 2,5 мм/кцикл. Однако дальнейшее повышение чистоты сплавов представляет сложности как по техническим, так и по экономическим сообра­жениям.

Дальнейшее повышение ресурса высокопрочных алюминие­вых сплавов может быть достигнуто совместным легированием малыми добавками скандия и циркония. Высокое сопротивление разрушению при испытании на малоцикловую усталость обуслов­лено образованием мелкодисперсных частиц AlgfSc^*, Zr_x) сфери­ческой формы, полностью когерентных матрице, со средним раз­мером d = 15 нм и средним межчастичным расстоянием I = 300 нм. Наличие таких частиц препятствует распространению усталост­ных трещин.

В России разработан сплав с добавками Sc и Zr, неупрочняе- мый термической обработкой. Сплав 01570 содержит 6 % Mg, но в отличие от сплава АМг дополнительно легирован 0,15-0,35 % Sc и 0,05-0,15 % Zr. Скандий проявляет себя как сильный модифи­катор, способствующий получению плотных слитков с неденд­ритной структурой. При последующих нагревах твердый алюми­ниевый раствор распадается с образованием дисперсных частиц Al₃Sc и Al₃(Sc₁__;(., Zr,.), способствующих упрочнению и сопротив­лению усталости. Если отожженные листы сплава АМгб имеют ст„ = 340 МПа и ст_{0 2} = 180 МПа, то прочность сплава 01570 со­ставляет ст_в > 400 МПа, а₀,2 ^ 300 МПа при высокой пластично­сти 5 = 15-20 %. Подобно всем неупрочняемым сплавам на ос­нове Al - Mg сплав 01570 обладает хорошей свариваемостью, причем скандий оказывает на структуру шва модифицирующее действие.

Подобно сплаву АМгб сплав 01570 может применяться как криогенный конструкционный материал для работы в среде жид­кого кислорода и азота. При уменьшении содержания магния до 4-5 % сплав сохраняет высокую пластичность при температуре жидкого водорода (20 К).

Механические свойства термоупрочняемых алюминиевых А1 - Zn - Mg - Си сплавов одинакового состава при введении малых добавок скандия и циркония приведены в табл. 23.2.

Введение малых добавок скандия позволяет резко повысить сопротивление разрушению при циклических нагрузках. Это обу­словлено образованием когерентных матрице дисперсных частиц Al₃(Sc₁„_;cZr) сферической формы, препятствующих зарождению и распространению усталостных трещин.

Разработан термоупрочняемый слав 01970, содержащий 5,2 % Zn, 2,0 % Mg, 0,3 % Мп, дополнительно легированный 0,2 % Sc и 0,1 % Zr. Его свойства после старения: о_в = 480-520 МПа, ст_{0 2} = 420- 490 МПа, 5 = 11-15 % при увеличении сопротивления малоцикло­вой усталости в 2-2,5 раза по сравнению обычными высокопроч­ными сплавами. Сплав имеет высокую коррозионную стойкость. Сварные соединения сплавов, легированные скандием, характеризу­ются самой высокой прочностью из всех известных алюминиевых сплавов. Они могут быть рекомендованы для наиболее ответствен­ных конструкций. Применение сплавов со скандием сдерживает­ся их сравнительно высокой стоимостью. Однако необходимость снижения массы и металлоемкости конструкций позволяет про­гнозировать их широкое применение в недалеком будущем.

Для снижения массы летательных аппаратов в ряде случаев применяют специально разработанные технологические методы. При изготовлении корпусных частей самолетов (фюзеляжа, крыльев) и управляемых ракет это может достигаться использованием со­товых конструкций. Наружные оболочки делают из высокопроч­ных материалов, а в качестве наполнителя применяют клеевые сотовые конструкции из обычных алюминиевых сплавов.

Таблица 23.2

Влияние скандия и циркония на механические свойства AI — Zn — Mg — Си сплавов

Номер сплава	Содержание, %		ав> МПа	ао.г, МПа	б, %	Малоцикловая усталость, цикл
	Sc	Zr
1	0	0,07	480	455	10,5	75000
2	0,03	0,07	540	500	10,3	277000
3	0,12	0,07	540	500	10,5	277000

Разработан авиационный материал — пеноалюминий, полу­чаемый в виде лент и листов толщиной до 100 мм. Его изготовля­ют присадкой в жидкий алюминий или его сплавы порошкооб­разных газообразующих веществ, например гидридов титана и циркония. Гидриды вводят под давлением, но, как только начи­нается выделение водорода и вспенивание, давление снимают. Во избежание спадания пены пеноалюминий охлаждают опрыскива­нием водой. Плотность пеноалюминия 0,2-0,6 г/см³. Пеноалюми­ний можно обрабатывать резанием, клепать, прибивать гвоздями, паять.

Известен способ получения пористого алюминия заливкой сплава в емкость - форму, заполненную гранулами поваренной соли с последующим растворением соли в воде.