автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Разработка состава и исследование свойств высокопрочного литейного сплава системы алюминий-литий

~ л На правах рукописи

2 3 'МОП -

УДК 621.74

МАКАРОВСКИЙ Роман Николаевич

РАЗРАБОТКА СОСТАВА И ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЛИТЕЙНОГО СПЛАВА СИСТЕМЫ АЛЮМИНИЙ - ЛИТИЙ.

Специальность : 05.02.01. - Материаловедение (машиностроение )

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва 1998г.

Работа выполнена в "МАТИ" - Российском Государственном Технологическом Университете им.К.Э.Циолковскогого.

Научный руководитель: доцент, кандидат технических наук

Никитин С.Л.

Оффициальные оппоненты: -профессор, доктор технических наук

Чурсин В.М. - кандидат технических наук

Карпов В.Н.

Ведущее предприятие : ОАОн ВИЛС ".

в ..?...'......часов на

Защита состоится " " ....^r^^i^rr.. 1998г. в ..4У... заседании диссертационного Совета К 063.56.04 по присуждению учёной степени кандидата технических наук в области металловедения и термической обработки металлов, порошковой металлургии и композиционных материалов, материаловедения ( машиностроение ) в "МАТИ" - Российском Государственном Технологическом Университете им.К.Э.Циолковского по адресу : 121552 Москва, ул. Оршанская, 3 , "МАТИ" - РГТУ им. К.Э.Циолковского . Ваш отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью организации, просим направлять по указанному адресу на имя учёного секретаря диссертационного Совета. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан " ÂÂ. "

Учёный секретарь доцент, кандидат

диссертационного Совета fl ^ /Дтехнических наук

Скворцова C.B.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы. Создание сверхлёгких металлических материалов с высокой удельной прочностью и повышенной пластичностью является в настоящее время одной из актуальных задач науки,' обусловленной развитием новой техники . Применение подобных сплавов позволяет снизить вес конструкций и приборов, увеличить их жёсткость и улучшить рабочие свойства. Конструкции из сверхлёгких сплавов отличаются более высокой жёсткостью по сравнению с конструкциями одинакового веса из других материалов, включая сталь и титан .

Эти требования в равной степени относятся и к алюминиевым сплавам, которые находят всё большее применение при изготовлении деталей и узлов планера самолёта и агрегатов систем управления. Большой иигерес представляют собой алюминиевые сплавы, легированные литием. Вопрос использования лития в качестве легирующего компонента давно привлекал внимание, но лишь в последние годы появились исследовательские работы, направленные на использование лития в качестве легирующего компонента. Повышенный интерес объясняется следующими обстоятельствами :

•легирование литием позволяет получать материалы с плотностью меньшей, чем у металла основы;

•сплавы с литием обладают сравнительно высокой удельной прочностью, повышенной теплоёмкостью и хорошей работоспособностью при криогенных температурах;

•сплавы с литием обладают повышенным сопротивлением проникновению высокоскоростных космических частиц и микрометеоритов .

При применении А1 - У сплавов экономия в весе планера составляет 10 -15%, но их использование в настоящее время ограничено и не

увеличивается, так как они сложны в технологии при литье ( сильная окисляемость, склонность к наводораживанию и местной ликвации ), так и при деформации ( низкая пластичность, склонность к сосредоточенной деформации , анизотропия свойств ), имеют пониженную пластичность, вязкость разрушения нестационарное распространение усталостных трещин. Необходимость в специальном оборудовании при производстве А1 - 1л сплавов и низкий выход годного обуславливают высокую стоимость полуфабрикатов ( в 3 - 5 раз дороже, чем у стандартных сплавов ).

Тем не менее, в авиационно - космической промышленности и других ответственных областях производства снижение плотности и увеличение механических свойств сплавов имеет решающее значение, поэтому работа по изучению А1 - 1л сплавов не прекращается. Несмотря на определённые недостатки, есть примеры успешного применения этих сплавов в авиации и космонавтике . В России это: самолёты МИГ - 29М, ЯК - 36, АН - 124, АН - 77, ТУ - 204, вертолёт МИ - 26 . Зарубежные самолёты : А - 330/340, С - 17, вертолёт" Вестланд - Агуста ", вертолёт компании " Макдоннел -Дуглас ", ракетные комплексы " Атлас Центаур"," Титан " .

Цель настоящей работы состояла в исследовании влияния различных легирующих элементов на механические и литейные свойства сплавов системы алюминий - литий и разработке на этой основе высокопрочного и технологичного литейного сплава и режима его термообработки . Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

•теоретически обосновать выбор основного и дополнительного легирующего комплексов литейного сплава системы алюминий - литий;

•исследовать влияние химического состава на изменение механических и технологических свойств сплавов изучаемой системы, оптимизировать по этим параметрам состав сплава;

•изучить закономерности изменения структуры и характера разрушения опытных сплавов в зависимости от химического состава;

•исследовать процессы, протекающие при термической обработке и определить оптимальный режим термообработки , обеспечивающий высокий и стабильный комплекс физико - механических свойств;

•изучить закономерности изменения основных параметров , кристаллизационного процесса опытных сплавов в зависимости от химического состава и установить их взаимосвязь с литейными свойствами. Научная новизна.

1 .Установлены основные закономерности влияния химического состава сплава системы алюминий - литий с добавками меди, магния, кадмия, марганца, циркония, ниобия на механические свойства. Установлено , что наиболее сильными упрочнителями сплавов данной системы являются медь, магний, цирконий. Получены математические модели, позволившие определить концентрации легирующих элементов в сплаве, обеспечивающие оптимальное состояние структуры и высокий уровень механических свойств .

2.Установлена закономерность изменения механических свойств сплавов системы алюминий - литий в зависимости от химического состава при различных температурах искусственного старения. Построены кривые изменения твёрдости и удельного электросопротивления сплавов в зависимости от времени старения. Установлено, что с увличением степени легирования твёрдого раствора.

расширяется область зонного старения и сужается область фазового старения. 3.Установлена взаимосвязь между химическим составом сплавов и их литейными свойствами : жидкотекучестью и показателем горячеломкости , а также связь последнего со свойствами сплавов в интервале температур твёрдо - жидкого состояния . Установлено , что повышение содержания лития и меди в сплаве приводит к уменьшению деформационной способности и к расширению интервала хрупкости в твёрдо - жидком состоянии. В результате повышается горячеломкость . Введение циркония обеспечивает измельчение дендритной сетки. При этом образование каркаса твёрдой фазы проходит при большем её количестве, он прочнее и пластичнее . Это в свою очередь приводит к увеличению предельной деформационной способности и к снижению горячеломкости.

4.По данным дифференциального - термического анализа рассчитаны и графически интерпретированы кривые изменения относительной теплоты и темпа кристаллизации опытных сплавов . Установлено , что легирующие добавки существенно изменяют ход кристаллизационного процесса. В частности , введение циркония обеспечивает смещение темпа кристаллизации в сторону более низких температур . Такой характер кристаллизации в сочетании с высокой деформационной способностью сплава в интервале кристаллизации обеспечивает более низкую склонность к образованию горячих трещин.

Практическая значимость работы.

1.Разработан состав высокопрочного и технологичного литейного сплава пониженной плотности системы алюминий - литий, содержащий (мас.%): литий ( 2.8 - 3.2 ), медь (1.2 - 1.8 ), магний (0.3 - 0.9 ), цирконий (0.15 -0.25 ), кадмий (0.15 - 0.25 ) , марганец ( 0.1 - 0.5 ), ниобий ( 0.05 - 0.15 ), бериллий ( 0.02 - 0.08 ), алюминий

остальное ; данный состав сплава после термической обработки по режиму Т5 обеспечивает следующий уровень физико - механических свойств : временное сопротивление разрыву (ств) 349 - 370 МПа, относительное удлинение ( 5) 4.5 - 8 % , удельный вес (у ) менее 2500 кг/м3;

2.Предложен режим термической обработки, состоящий из одноступенчатой гомогенизации (545 ± 5 ° С в течение 14 часов), закалки (температура воды 80 - 100 ° С) и одноступенчатого старения (150 ° С в течение 4 часов); данный режим термообработки обеспечивает необходимое состояние структуры и высокий уровень механических свойств;

3.Предложены оптимальные технологические параметры плавки и литья разрабатываемого сплава.

Апробация работы.

Материалы работы доложены на б научно - технических конференциях .

Публикации.

Основное содержание диссертации опубликовано в 11 работах .

Структура и объём диссертации.

Диссертация состоит из введения , пяти глав , общих выводов по работе, списка использованной литературы из 80 наименований. Изложена на 172 страницах машинописного текста , содержит 53 рисунка и 53 таблицы.

ГЛАВА 1 . ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР .

Рассмотрен химический состав российиских и зарубежных промышленных алюминиево - литиевых сплавов. Анализ работ отечественных и зарубежных авторов , посвященных вопросам

упрочнения и разупрочнения литейных алюминиевых сплавов показал, что упрочнение сплавов системы алюминий - литий можно достичь за счёт:

•совершенствования состава сплава путём легирования и микролегирования твёрдого раствора;

•обработки расплавов путём модифицирования, дегазации и рафинирования;

•применения повышенных скоростей охлаждения при литье в металлические формы;

•применения термической обработки.

Отмечено , что поведение водорода в алюминиево - литиевых сплавах отлично от поведения водорода в обычных алюминиевых сплавах в связи с появлением в сплаве гидрида лития с высокой термостабильностью и низкой плотностью.

В работе приведены составы флюсов и варианты газовой среды для очистки и защиты А1 - У расплава от растворённого водорода и режим гомогенизации, при котором разлагается гидрид лития .

Борьбу с оксидными включениями предлагается вести с помощью рационального легирования бериллием, который повышает сплошность и пластичность оксидной плёнки.

Выделены методы для улучшения термостабильности и увеличения коррозионной стойкости А1 - Ы сплавов .

Рассмотрены известные литейные сплавы на основе системы А1 - 1л, их технологические и механические свойства.

На основании теоретического анализа процессов упрочнения и разупрочнения сплавов была сформулирована основная задача работы, связанная с изысканием нового высокопрочного и технологичного сплава пониженной плотности на основе системы

алюминий - литий, предназначенного для литья в металлические формы и намечены основные пути её реализации.

ГЛАВА 2 . МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА. Рассмотрены методы исследований, используемые в работе, приведены описания методик, обсуждены их достоинства и недостатки применительно к решению поставленной задачи .

В качестве основных методов исследований применялись : •механические испытания отдельно отлитых в кокиль образцов при комнатной температуре для оценки влияния химического состава на механические свойства;

•дифференциальный - термический анализ ( ДТА ) для определения критических точек многокомпонентных сплавов, что важно для назначения режима термообработки;

•метод замера электросопротивления и микротвёрдости для оценки степени легирования твёрдого раствора и изучения процесса искусственного старения сплавов;

•механические испытания в интервале температур твёрдо - жидкого состояния, благодаря которым установлено изменение предельной деформационной способности сплавов при температурах выше температуры солидуса;

•использование технологических проб для оценки литейных свойств сплавов;

•металлографический и фрактографический анализ сплавов после их испытаний при комнатной температуре;

•методы математического планирования экспериментов; оптимизацию состава нового сплава проводили по следующим параметрам:

а) по механическим свойствам после испытаний на растяжение

при нормальной температуре,

б) по литейным свойствам (жидкотекучести и горячеломкости). Взаимная проверка результатов, получаемых с помощью различных по физическому смыслу методик, позволила повысить их достоверность и обоснованность сделанных выводов.

ГЛАВА 3 . ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА И ИССЛЕДОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА СПЛАВОВ СИСТЕМЫ АЛЮМИНИЙ - ЛИТИЙ.

Приведены результаты комплексных исследований , позволяющие установить зависимость механических свойств сплавов системы алюминий -литий от химического состава.

В главе приведён обзор диаграмм состояния на основе системы алюминий - литий в комплексе с другими легирующими элементами . Дан анализ протекающих фазовых превращений, характеристики фаз и фазовых равновесий, температурно - концентрационные границы фазовых областей .

Особое внимание уделялось существующим опытным и промышленным сплавам на основе приведённых выше диаграмм состояния . Детально рассматривались все легирующие комплексы, возможные схемы термообработки сплавов, их влияние на фазовый состав и механические свойства. Теоретически обоснована перспективность использования в качестве легирующих элементов меди, магния, циркония, кадмия, марганца, ниобия, бериллия .

Анализ литературных источников показал, что все легирующие элементы положительно влияющие на свойства алюминиево - литиевых сплавов можно разделить по характеру своего действия на группы : •основные упрочнители ( литий, медь , магний ); •микролегирующие добавки ( марганец, ниобий , цирконий, кадмий );

•модификаторы ( цирконий ).

Особую роль играют кадмий и бериллий . Кадмий интенсифицирует процессы, протекающие при термической обработке, а бериллий снижает окисляемость в жидком состоянии .

На первом этапе в качестве факторов, влияющих на механические свойства, были взяты концентрации легирующих элементов в сплаве, составляющих основной легирующий комплекс: лития, меди, кадмия ( в состав сплавов также входили цирконий 0.2% и бериллий 0.05% , содержание которых поддерживалось на постоянном уровне во всех опытах).

В качестве параметров оптимизации были выбраны временное сопротивление разрыву ав ( МПа ) и относительное удлинение 5 ( %). Для определения механических свойств использовались стандартные ( диаметром 12 мм) отдельно отлитые в кокиль образцы. Сплавы испытывались в термически обработанном ( Т5 ) состоянии . Режим термообработки назначался на основании данных ДГА и литературных источников.

Для реализации выбранного плана полного факторного эксперимента 23 было выполнено 8 опытов, рандомизированных во времени ( см. табл. 1 ).

Таблица 1.

Матрица планирования и значения параметров оптимизации.

Ка плавки № опыта натуральные величины мас.% параметры оптимизации

Ц Си са ав(МПа) 5(%)

201 5 3.0 1.0 0.1 284.3 2.5

202 6 5.0 1.0 0.1 263.4 0.4

203 2 3.0 2.5 0.1 315 1.2

204 8 5.0 2.5 0.1 142.9 0.3

205 7 3.0 1.0 0.25 343.7 6.0

206 1 5.0 1.0 0.25 249.6 0.7

207 4 3.0 2.5 0.25 376.1 1.2

208 3 5.0 2.5 0.25 137.9 0.5

Математические модели, характеризующие качественное и количественное влияние избранных факторов на параметры оптимизации, после отбрасывания статистически незначимых коэффициентов , получились следу ющие:

У { ов } = 264.1 - 65.66X1 - 21.14Х2 + 12.71Х3 - Зб.ЯХ^ - 17.4ЩХЗ + 13.8Х2Хз + 1З.З9Х1Х2Х3 ( 1 )

У { 5 } = 1.6 - 1.13Х, - О.8Х2 + 0.5Х3 + 0.725X1X2 - 0.45Х2Хз ( 2 ) Анализ математических моделей показал, что изменение концентраций легирующих элементов оказывает одинаковое влияние на оба параметра оптимизации . Увеличение содержания до верхнего предела лития и меди приводит к снижению и временного сопротивления и относительного удлинения . Увеличение содержания кадмия приводит к повышению обеих характеристик. Наиболее сильное влияние на снижение прочности и пластичности оказывает увеличение содержания лития до верхнего уровня .

Таким образом концентрация лития и меди в сплавах должна быть ограничена 3% и 1% соответственно . Содержание кадмия целесообразно поддерживать на одном уровне 0.25% . Для пояснения влияния легирующих элементов были проведены микроструктурные исследования, которые подтвердили, что для обеспечения высокой прочности и пластичности необходимо выбрать основной легирующий комплекс 3%1л - 1%Си -0.25%Сс1 - А1. В результате оптимизации методом крутого восхождения установлено , что наилучшие свойства имеет сплав состава А1 - 3%1л -1.5%Си - 0.2%Сй.

Далее исследовалось влияние легирующих элементов составляющих дополнительный легирующий комплекс . В качестве факторов были взяты концентрации легирующих элементов в сплаве : лития, меди, магния , циркония , марганца, ниобия, кадмия . Содержание лития и меди в данной серии опытов лишь уточнялось в узких интервалах,

выбранных на основании проведённой ранее оптимизации основного легирующего комплекса. Содержание кадмия и бериллия поддерживалось на постоянном уровне, выбранном из литературных источников и подтверждённом результатами предыдущих экспериментов. Параметры оптимизации и условия проведения механических испытаний остались прежними.

Для реализации выбранного плана факторного эксперимента по методу Плакетта - Бермана было выполнено 8 опытов, рандомизированных во времени ( см. табл. 2 ) .

Таблица 2.

Матрица планирования и значения параметров оптимизации .

№ плавки № опыта натуральные величины, мас.% параметры оптимизации

1л Си ц? & Мп № ств,МПа 5,%

301 5 3.2 1.8 0.9 0.15 0.5 0.05 361.4 2.4

302 6 2.8 1.8 0.9 0.25 0.1 0.15 339.8 3.8

303 2 2.8 1.2 0.9 0.25 0.5 0.05 303.8 4.5

304 8 3.2 1.2 0.3 0.25 0.5 0.15 309.2 3.7

305 7 2.8 1.8 0.3 0.15 0.5 0.15 291.8 3.9

306 1 3.2 1.2 0.9 0.15 0.1 0.15 337.3 2.8

307 4 3.2 1.8 0.3 0.25 0.1 0.05 353.2 2.5

ЗОВ 3 2.8 1.2 0.3 0.15 0.1 0.05 277.4 3.9

Математические модели для параметров оптимизации, после отбрасывания статистически незначимых коэффициентов, получились следующие: г ■

У {<тв } = 321.73 + 18.54X1 + 14.81Х2 + 13.84Х3 + 4.76X4 - 5.19Х$

(3)

У { 5 } = 3.44 - 0.59Х] - 0.29Х2 + 0.19X4 + 0.19Х3 ( 4 )

Анализ математических моделей показал, что концентрации легирующих элементов подобраны верно . Литий, медь, магний в выбранных прделах значительно увеличивают прочность при незначительном снижении пластичности, а марганец увеличивает пластичность . Эффективность влияния циркония объясняется его

модифицирующим действием. Влияние ниобия оценить не удалось, но на основании проведённых экспериментов можно утверждать, что в своём влиянии он подобен марганцу . Микроструктурные исследования показали, что наиболее приемлемым вариантом с точки зрения комплекса механических свойств оказался сплав основного состава А1 - 3%1Л - 1.5%Си - 0.6°/<М% - 0.2%гг - 0.2%Сс1 - 0.3%Мп - 0.1%М> -0.05%Ве, что и подтвердила оптимизация методом крутого восхождения.

ГЛАВА 4 . ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СПЛАВА СИСТЕМЫ АЛЮМИНИЙ-ЛИТИЙ.

Проведён теоретический анализ влияния различных режимов. термической обработки в зависимости от химического состава на комплекс физико - механических свойств алюминиево - литиевых сплавов.

Анализ литературы показал, что в ряде источников для сплавов системы алюминий - литий рекомендуется проводить двухступенчатое искусственное старение. Причём температурные границы первой и второй ступеней предлагаемых режимов в зависимости от фазового состава сплавов и конечных целей достаточно широкие .

Поэтому была проведена серия экспериментов применительно к сплаву оптимального состава с целью оптимизации режима термической обработки.

В качестве факторов, влияющих на механические свойства, были приняты:

•время гомогенизации (температура гомогенизации была принята по результатам ДТА );

•температура первой ступени старения ; •время первой ступени старения; •температура второй ступени старения ; •время второй ступени старения.

В качестве параметров оптимизации были выбраны временное сопротивление разрыву ств ( МПа) и относительное удлинение 6 ( % ) . Состав сплава, подвергавшегося испытаниям был следующий ( мас.% ): А1 - 3%1л - 1.5%Си - 0.6%Мд - 0.3%Мп - 0.2%Сё - 0.2%2г - 0.1%М) -0.05%Ве.

Для реализации выбранного сплава было выполнено 8 опытов, рандомизированных во времени (см. табл.3 ).

Таблица 3.

Матрица планирования и значения параметров оптимизации.

№ плавки № опыта натуральные величины параметры

Тп>М Т.сг Т)с1 Ъ* ТЗст Ов.МПа 5,%

401 5 16 160 9 200 12 289 6.1

402 6 12 160 9 180 4 325 9.0

403 2 16 140 9 180 4 336 8.2

404 8 12 140 9 200 12 271 5.5

405 7 16 160 3 180 12 300 7.3

406 1 12 160 3 200 4 345 8.0

407 4 16 140 3 200 4 356 6.9

408 3 12 140 3 180 12 295 7.0

Математические модели, характеризующие количественное и качественное влияние избранных факторов на параметры оптимизации после отбрасывания статистически незначимых коэффициентов, получились следующие:

У {ств}= 314.625 + 5.625Х, - 9.375ХЭ - 25.875Х, (5) У { 5 }= 7.25 - 0.625Х, - 0.775Х5 (6)

Таким образом, анализ полученных уравнений показывает, что увеличение температуры и времени выдержки на второй ступени старения отрицательно сказывается на механических свойствах сплава.

После проведённой оптимизации методом крутого восхождения стало видно , что двухступенчатая схема искусственного старения себя не оправдала . Поэтому была предпринята попытка изучить кинетику старения сплавов при различных температурах с целью объяснения процессов, протекающих при искусственном старении и определения оптимального режима, обеспечивающего сочетание высокой прочности и пластичности .

Исследования проводились со сплавами следующих составов :

•Li - 3.0%, Zr - 0.2%, Be - 0.05%, A1 - остальное ( № 130 ) ;

•Li - 3.0%, Си - 1.5%, Zr - 0.2% , Be - 0.05%, A1 - остальное (№131);

•Li - 3.0%, Си - 1.5%, Mg - 1%, Zr - 0.2%, Be - 0.05% , A1 - остальное ( № 132).

Образцы из названных сплавов подвергались искусственному старению при температурах 150, 170 и 200°С, время выдержки от 0 до 120 часов . Протекание процесса искусственного старения контролировалось по изменению твёрдости (HR100 ) образцов и по изменению удельного электросопротивления, которые замерялись в свежезакаленном состоянии и далее через определённые промежутки времени в процессе старения . На рисунке 1 показано изменение твёрдости в зависимости от времени старения. На рисунке 2 показано изменение удельного электросопротивления в процессе искусственного старения сплавов 130,131 , 132 при температурах 150°С и 170°С . По результатам анализа кинетики старения была выбрана температура старения 150°С и время старения 4-5 часов. Для окончательного контроля было дано различное время старения ( см. табл. 4 ). Из данных таблицы видно, что наиболее благоприятное сочетание прочности и пластичности имеет место после 4 часов старения

ШЬоь

т во 60 ш

30

м ■ 1

иъг • V • ^ ■. 0- ■ г-Д. . . м'

»

№ 20 60 ш ¿0

0,5-

а

£ 32.

32 Ш Т^.Ьас.-*-

V . * с " ■. • •

35.

Рис.1 . Кинетика изменения твёрдости сплавов А1 - 1л при различных температурах старения .

Аа

30

т

40

го

30

Ш йР

I

Рис. 2 . Кинетика изменения удельного электросопротивления сплавов А1 - Ы при различных температурах старения .

Таблица 4.

Изменение свойств сплава в процессе искусственного старения .

режим старения механические свойства

<тв, МПа 8,%

после Т4 297.6 23.5

150°С -0.5 часа 322.3 9.3

150°С-1 час 313.9 5.7

150°С -2 часа 348.4 8.1

150°С -4 часа 369.6 7.5

150°С-6часов 371.1 4.2

О 0,5 г ' Я 32

Ш'С

435 : :

430 /3/

о о* г & зг т

ч\ шс

* \ 1 432

430

ЧЫ

ГЛАВА 5 . ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА НА ЛИТЕЙНЫЕ СВОЙСТВА СПЛАВОВ СИСТЕМЫ АЛЮМИНИЙ -ЛИТИЙ.

Данная глава посвящена исследованию технологических свойств опытных сплавов : жидкотекучести и горячеломкости, а также механическим свойствам в интервале температур твёрдо - жидкого состояния. В качестве параметров оптимизации были выбраны литейные свойства горячеломкость и жидкотекучесть, определяемые по показаниям технологических свойств. В качестве критерия склонности сплава к горячим трещинам был принят показатель горячеломкости ПГ, мм., определяемый по наибольшему диаметру стержня, на котором появилась трещина. При оценке жидкотекучести в качестве критерия была принята длина спирали X, мм., специальной кокильной пробы.

По соответствующей матрице планирования было выполнено 8 опытов рандомизированных во времени ( см. табл. 5 ) . В состав сплавов входили цирконий и бериллий , содержание которых ( 0.2% и 0.05% соответственно ) поддерживалось на постоянном уровне.

Таблица 5 .

Матрица планирования и значения параметров оптимизации.

№ плавки № опыта натуральные величины мас.% параметры оптимизации

и Си са ПГ, мм А,,мм

201 5 3.0 1.0 0.1 4.0 415

202 6 5.0 1.0 0.1 6.0 400

203 2 3.0 2.5 0.1 4.0 400

204 8 5.0 2.5 0.1 8.0 450

205 7 3.0 1.0 0.25 4.0 430

206 1 5.0 1.0 0.25 10.0 470

207 4 3.0 2.5 0.25 6.0 390

208 3 5.0 2.5 0.25 10.0 445

Без учёта статистически незначимых коэффициентов математические модели приняли следующий вид :

У { ПГ } = 6.5 + 2.0X1 + 0.5Хг + 1.ОХ3 + 0.5X1X3 - О.5Х1Х2Х3 ( 7 )

У { к } = 436.25 + 27.5Х] - 15.0Х2 - 3.75ХЛ + 5.0Х,Х2Х3 ( 8 )

Анализ математической модели зависимости горячеломкости от химического состава показал, что увеличение концентраций всех легирующих компонентов до верхнего уровня приводит к увеличению показателя горячеломкости до 10 мм, причём самое сильное влияние оказывает литий.

Анализ математической модели жидкотекучести показал, что увеличение содержания лития до верхнего уровня приводит к повышению жидкотекучести. Увеличение содержания меди приводит к снижению жидкотекучести . Влияние кадмия на жидкотекучесть оценить не удалось.

Для уточнения и объяснения характера влияния легирующих элементов на литейные свойства были выполнены исследования свойств опытных сплавов в интервале темпервтур твёрдо - жидкого состояния. Механические испытания в твёрдо - жидком состоянии проводились применительно к сплавам, составы которых указаны в таблице 6. Там же показаны основные параметры кристаллизационного процесса исследуемых сплавов. Изменение относительного удлинения (деформационной способности ) в зависимости , от температуры испытаний показано на рисунке 3 .

Анализ полученных кривых показал, что наиболее сильно на положение кривых влияет увеличение содержание лития до верхнего предела. Увеличение содержания кадмия практически не влияет на эти характеристики, а медь действует подобно литию, но её влияние в исследуемых концентрациях значительно ниже.

Как количественный показатель сопротивляемости сплава образованию горячих трещин был использован запас пластичности (ЗП ), то есть отношение площади (Б ), ограниченной горизонтальной линией минимального относительного удлинения (бмш) и линией

Рис.3. Температурные кривые изменения деформационной способности сплавов А1 - У в интервале температур твёрдо - жидкого состояния .

Таблица 6.

Состав и некоторые параметры кристаллизационного процесса

исследуемых сплавов.

№ сплава химический состав,мас.% Тах>°С Тиа,°С Тхь°С 5мт,%

201 3%1л-1%Си-0.1%Сс1-А1 601.5 653 25 0.43

202 5%1л-1%Си-0.1%Сё-А1 577 646 34 0.32

203 3%1д-2.5%Си-0.1 %Са-А1 588 651 29 0.36

205 3%Ьь1%Си-0.25%Са-А1 598 652 25 0.44

208 5%1Л-2.5%Си-0.25%С<1-А1 572 638 36 0.24

оптимальный состав 3%1л-1.5%Си-0.6%1\^- 0.2%2х-0.3%Мп-0.2%Сс1- 0.1%ЫЬ-А1 576 644 30 0.55

усадки ( е) внутри температурного интервала хрупкости, к величине этого интервала (ДТхр).

S

ЗП = —- ( 9 ), где :

ДГДР

S - площадь по диаграмме (рис.3 ), см2;

ДТхр - температурный интервал хрупкости, °С . 8.96

ЗП (сплава 208) =-= 0.242

37

22.22

ЗП (сплава оптимального состава )=-= 0.741

30

Таким образом , запас пластичности сплава оптимального состава больше, чем у сплава 208 , и, следовательно, склонность к образованию горячих трещин при литье сплава оптимального состава ниже, что подтверждается экспериментами.

По кривым дифференциального термического анализа для сплавов 208 и оптимального состава после соответствующих расчётов были получены и графически интерпретированы основные параметры кристаллизационного

АЗ

процесса : относительная теплота (-) и темп кристаллизации ( ц)

( рис.4 и 5 ). Анализ кривых изменения темпа плавления исследуемых сплавов показал, что для модифицированного сплава оптимального состава характерно смещение одного из максимумов темпа плавления в сторону более низких температур , в интервал хрупкости это должно приводить к снижению горячеломкости . Такой характер кристаллизации в сочетании с высокой деформационной способностью (рис.3 ) по всей видимости и обеспечивает сплаву оптимального состава более низкую склонность к образованию горячих трещин.

системы алюминий - литий .

Рис.5 . Кривые изменения темпа кристаллизации сплавов системы алюминий - литий.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ .

1 .Исследовано влияние химического состава на механические свойства сплава системы алюминий - литий. Методами математического планирования экспериментов получены математические модели, характеризующие качественное и количественное влияние легирующих элементов на изучаемые свойства.

2.Исследована микроструктура опытных сплавов в зависимости от содержания легирующих компонентов и установлена её взаимосвязь с механическими свойствами. Установлено влияние химического состава на величину кристаллического зерна и фазовый состав сплавов в литом и термически обработанном состояниях.

3.По фрактограммам изучен характер разрушения исследуемых сплавов. Установлено, что в зависимости от химического состава сплавов характер разрушения может быть внутризёренным, межзёренным и смешанным .

^Последовательным решением оптимизационных задач определены основной и дополнительный легирующие комплексы, оптимизирован состав сплава системы алюминий - литий (мас.% ) : алюминий - 3% литий -1.5% медь - 0.6% магний - 0.2% цирконий - 0.2% кадмий - 0.3% марганец - 0.1% ниобий - 0.05% бериллий.

5.Йсследована кинетика старения опытных сплавов по изменению твёрдости и удельного электросопротивления при различных температурах, установлены оптимальная температура и время искусственного старения.

б.Оптимизирован режим термообработки сплава оптимального состава системы алюминий - литий, состоящий из одноступенчатой гомогенизации ( 545 ± 5 °С, время выдержки 14 часов ) и одноступенчатого старения (150 ± 5 ° С, время выдержки 4 часа), обеспечивающий высокий уровень механических свойств: временное

сопротивление разрыву 349 - 370 МПа и относительное удлинение 4.5-8%.

7.Исследовано влияние химического состава на литейные свойства сплавов системы алюминий - литий. Получены математические модели , характеризующие влияние легирующих элементов и их концентраций на жидкотекучесть и склонность сплавов к образованию горячих трещин .

8.Проведён анализ изменеия механических свойств опытных сплавов в интервале температур твёрдо - жидкого состояния, а так же относительной теплоты и темпа плавления в зависимости от химического состава, , позволивший уточнить характер и природу влияния легирующих элементов на основные параметры кристаллизационного процесса и, следовательно, на изучаемые литейные свойства .

9.В результате проведённых исследований разработан состав литейного сплава системы алюминий - литий ( мас.% ):

литий (2.8 - 3.2%), медь (1.2 - 1.8%) , магний (0.3 - 0.9%), цирконий (0.15 - 0.25%), кадмий (0.15 - 0.25%), марганец (0.1 - 0.5%), ниобий (0.05 - 0.15%), бериллий (0.02 - 0.08%), алюминий остальное .

Сплав отличается высокими механическими и удовлетворительными литейными свойствами.

Состав сплава защищён патентом РФ от 10 ноября 1997г.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1.Никитин С.Л., Макаровский Р.Н., Ряховский А.П., Гричук С.Н. - ; Исследование свойств сплавов системы алюминий - литий. - В сб. " Новые материалы и технологии". Тез.докл. РНТК, направление : металлические материалы, методы и технологии их обработки. - М. : МГАТУ, 1995г., стр.53 .

2.Никитин С.Л., Ряховский А.П., Макаровский Р.Н.,

Комиссаров А.Г. - Некоторые вопросы создания литейных композиционных материалов . - Новые материалы и технологии : сборник статей - М. : МАТИ - РГТУ, издательство ЛАТМЭС , 1996г., стр.27 - 34 .

3.Макаровский Р.Н., Гричук С.Н., Петропавловский Е.А. - Оптимизация состава литейного сплава системы алюминий - литий. - В сб. докл. всероссийской научно - технической конференции " XXII Гагаринские чтения ". М. : МГАТУ, издательство ЛАТМЭС, 1996г., стр. 63 .

4.Никитин С.Л., Ряховский А.П., Макаровский Р.Н., Комиссаров А.Г. - Исследование формирования композитной структуры в алюминиевых сплавах на основе протекания реакции самодиспергирования порошка губчатого титана. - В сб. " Новые материалы и технологии ". Тез.докл. РНТК, направление : материаловедение и технология материалов . - M. : МАТИ - РГТУ, 1997г., стр.125 .

5.Макаровский Р.Н., Комиссаров А.Г. - Оптимизация состава литейного сплава пониженной плотности . - В сб. докл. всероссийской научно -технической конференции " XXIII Гагаринские чтения ". М. :

МАТИ-РГТУ, 1997 г., стр. 8 . '

6.Комиссаров А.Г., Макаровский Р.Н. - Влияние технологических факторов на распределение компонентов литейных композиционных материалов . - В сб. докл. всероссийской научно - технической конференции " XXIII Гагаринские чтения ". М. : МАТИ - РГТУ, 1997 г., стр. 11.

7.Nikitin S.L., Ryachovski А.Р., Makarovski R.N., Komissarov A.G.,- High strength casting alloy for production of complex thinwalled détails for

airspace technique using investment casting . - Abstracts of the second Internetional Aerospace Congress . - Moskow , Russia , 1997 , s. 235 .

8.Никитин C.JI., Ряховский А.П., Макаровский P.H.,

Комиссаров А.Г. - Сплав на основе алюминия. - Патент РФ № 2095456 от 10.11.1997г.

9.Макаровский Р.Н., Комиссаров А.Г. - Литейный сплав пониженной плотности на основе системы алюминий - литий . - В сб. докл. всероссийской научно - технической конференции" XXIV Гагаринские чтения ". М.: МАТИ - РГТУ, 1998 г., стр. 163 .

Ю.Комиссаров А.Г., Макаровский Р.Н. - Литейный композиционный материал на основе алюминия. - В сб. докл. всероссийской научно -технической конференции " XXIV Гагаринские чтения ". М. : МАТИ - РГТУ, 1998 г., стр. 162 .

11. Макаровский Р.Н., Никитин С.Л., Ряховский А.П., Комиссаров А.Г. - Исследование параметров кристаллизации сплавов системы AI - Li . - В сб. " Новые материалы и технологии ". Тез.докл. РНТК , направление : материаловедение и технология материалов . - М .: МАТИ - РГТУ, 1998г., стр.35 .

Основные положения диссертации доложены на :

•Российских научно - технических конференциях " Новые материалы и технологии " в 1995 , 1997 , 1998 г.г., г.Москва.

•Всероссийских научно - технических конференциях " Гагаринские чтения " в 1996 , 1997 , 1998 г.г., г.Москва .

Подписано в печать 11.11.98г. Объём - 1 п.л. Тираж 100 экз.

Типография МАТИ - РГТУ, ул.Ульяновская, 13 .