2.2.4 Области применения жаростойких никелевых сплавов

Жаростойкие никелевые сплавы предназначены для изготовления газопроводов, камер сгорания, форсажных камер и других узлов и деталей

авиационных двигателей, т. е. таких деталей, от которых требуется высокая окалиностойкость и сопротивление газовой эрозии, а не высокая жаропрочность.

В газотурбинных двигателях из жаропрочных никелевых сплавах делают рабочие лопатки и диски турбины, направляющие лопатки, камеры сгорания.

Жаропрочные никелевые сплавы считают также перспективными для изготовления ряда деталей стационарных турбин промышленных наземных установок, а также двигателей наземного транспорта.

3. Выбор материала для сварных бензиновых и масляных баков

3.1 Условия выбора

Сварные бензиновые и масляные баки, от материала которых не требуется высоких механических свойств, изготавливают в авиапромышленности из легких листовых сплавов, обладающих повышенной стойкостью против коррозии, пластичностью и способностью хорошо принимать сварку.

Рекомендовать состав сплава, пригодного для данного назначения, указать его структуру и механические свойства.

Для сравнения привести химический состав, а также режим термической обработки и структуры стали, стойкой против коррозии в указанных средах.

3.2 Выбор материала

3.2.1 Деформируемые алюминиевые сплавы

Сплавы системы Al – Mn достаточно широко применяются в

промышленности, так как они обладают повышенной по сравнению с алюминием прочностью, высокой пластичностью и технологичностью, высокой коррозионной стойкостью, хорошо свариваются. Из сплавов этой системы получают в основном листовую продукцию и в меньшей степени трубы.

Химический состав сплава АМц(%): 1,0 – 1,6 Mn; примеси (не более): 0,7 Fe; 0,6 Si, 0,2 Cu; 0,2 Ti; 0,1 Zn; 0,05 Mg; остальное Al.

Марганец образует с алюминием ряд соединений. Наиболее богатое алюминиевое соединение Al₆Mn дает с ним эвтектику содержащую 1,95% Mn, кристаллизующегося при 658,5°С. Для алюминиевой части диаграммы состояния Al – Mn (рисунок 7) характерны следующие особенности:

а) очень небольшой температурный интервал кристаллизации первичного твердого раствора на основе алюминия (α фазы), составляющей всего 0,5 – 1°С.

б) довольно высокая растворимость марганца в алюминии при эвтектической температуре, составляющая 1,4% Mn, и резкое ее уменьшение в интервале 550 - 450°С, охватывающем весь диапазон температур нагрева под закалку промышленных алюминиевых сплавов.

При быстром охлаждении вместо фазы Al₆Mn кристаллизуется соединение Al₄Mn, переходящее затем при последующих нагревах в стабильное соединение Al₆Mn. Как было отмечено выше, сплавы системы Al – Mn ввиду малой скорости диффузии марганца в алюминии, делают его многокомпонентным. Эти примеси, особенно кремний, сильно уменьшают растворимость марганца в алюминии (таблица 5).

Рисунок 7 - Диаграмма состояния системы Al – Mn

Таблица 5 - Растворимость марганца в алюминии в зависимости от содержания железа и кремния при 1,3 % Mn

Сплав	Содержание, %		% марганца в твердом растворе
	Fe	Si	при 500 °С	при 600 °С
1	0,002	0,002	0,40	>1,30
2	0,020	0,020	0,40	1,20
3	0,1	0,10	0,40	0,90
4	0,25	0,25	0,35	0,75
5	0,60	0,70	0,05	0,40
6	0,65	0,10	0,30	0,70
7	0,10	0,65	0,05	0,60

В чистом алюминии при 500 растворяется 0,4% Mn, а в алюминии с 0,1% Fe и 0,65% Si - всего 0,05% Mn.

Соединение Al₆Mn может растворять в себе значительные количества железа. Этот раствор обозначают Al₆(MnFe). Атомы железа при растворении в Al₆Mn замещают атомы марганца. Максимальная растворимость железа соответствует половинчатому замещению, т. е. формуле Al₆Mn_1/2Fe_1/2. Марганец в соединениях Al₃Fe растворяется в меньших количествах.

Фаза Al₆(MnFe) кристаллизуется в форме крупных пластинчатых кристаллов, которые резко ухудшают литейные и механические свойства сплавов, затрудняют их обработку давлением.

В сплавах Al – Mn с добавками кремния наряду с кристаллами Al₆Mn и Si может быть тройная фаза Т, которая представляет твердый раствор на основе соединения Al₁₀Mn₂Si. Фаза Т образует скелетообразные кристаллы.

При одновременном содержании железа и кремния в сплавах Al – Mn могут также образовываться фазы α(AlFeSi), AlMnSiFe.

Сплав АМц, несмотря на переменную растворимость марганца в алюминии, термообработкой не упрочняется. Нагревом до 640 - 650 °С и быстрым охлаждении в сплаве АМц можно получить пересыщенный твердый раствор марганца в алюминии, который распадается при последующих нагревах. Однако даже начальные стадии распада твердого раствора не сопровождаются заметным повышением прочности, что объясняется, по-видимому: 1) относительно невысокой концентрацией марганца в твердом растворе; 2) недостаточной дисперсностью выделенной фазы (Al₆Mn) или промежуточной фазы Al₁₂Mn.

Конечной термической обработкой сплава АМц обычно является рекристаллизационный отжиг. Очень высокая пластичность сплава дает возможность значительно упрочнить его холодной деформацией. Деформированные полуфабрикаты из сплава АМц выпускают в мягком и полунагартованном состояниях (АМцМ и АМцП). Свойства сплава АМц в этих состояниях приведены в таблице 6 . Мягкие полуфабрикаты получают отжигом нагартованного материала. Марганец сильно повышает температуры рекристаллизации алюминия. При введении в алюминий 1,3% Mn температуры

начала и конца рекристаллизации составляют 400 и 450°С соответственно по сравнению с 200 и 220°С для технически чистого алюминия, поэтому сплав АМц отжигают при более высоких температурах (450 - 470°С), чем алюминий.

Таблица 6 - Типичные механические свойства сплава АМц [9]

Сплав	, МПа	, МПа	, %	HB, МПа
АМцМ	130	50	23	300
АМцП	160	130	10	400

Полунагарные листы можно получить двумя способами: а) неполной нагартовкой отожженных листов и б) неполным отжигом нагартованных листов. Первый способ целесообразно применять для листов средней толщины (1,0 – 4,5 мм), а второй – для тонких (0,6 – 08 мм).

При производстве мягких листов из сплава АМц встречаются затруднения, связанные с аномальным ростом зерна во время отжига, при степенях деформации большей критической. Аномальный рост зерна в сплаве АМц обусловлен неодновременностью процессов рекристаллизации в различных объемах металла, что в свою очередь вызвано неоднородностью структуры сплава.

Малая скорость диффузии марганца в алюминии приводит к сильно выраженной внутридендридной ликвации. Нагрев под горячую прокатку из-за малой скорости диффузии марганца в алюминии также не приводит к выравниванию концентрации твердого раствора, и после горячей и холодной прокатки неоднородность по химическому составу сохраняется. Более того, неоднородность по составу в свою очередь усиливает неравномерность поля внутренних напряжений по объему металла. В итоге рекристаллизация начинается в небольшом числе центров, из которых зерна успевают вырасти до больших размеров, прежде чем начинается рекристаллизация в остальных объемах.

Величину рекристализационного зерна можно уменьшить быстрым нагревом нагартованного материала до температуры рекристаллизации, гомогенизацией слитка и рациональным лигорованием.

Легирование сплава АМц титаном приводит к измельчению рекристализационного зерна. Марганец взаимодействует с алюминием по эвтектической реакции, а титан по перетектической, вследствие чего эти элементы ликвируют в разных направлениях: марганец обогащает периферию дендритных ветвей, а титан их центр. В результате этого легирование твердого раствора по сечению дендрита выравнивается, что ведет к более равномерной деформации и рекристаллизации. Рекристаллизованные зерна зарождаются сразу в большом числе центров и возникает мелкозернистая структура.

Эти сплавы применяют для изделий, получаемых глубокой вытяжкой , сваркой, от которых требуется высокая коррозионная стойкость (трубопроводы для бензина и масла, сварные баки), а также для заклепок, переборок, корпусов и мачт судов, лифтов , узлов подъемных кранов, рам вагонов, кузовов автомобилей и др. [3]