Введение к работе
Актуальность работы. Развитие авиакосмической техники, приборостроения, автомобильной промышленности и других отраслей машиностроения требует использования в конструкциях качественно новых легких и высокопрочных материалов, отличающихся высокими эксплутационными свойствами. К таким материалам относятся литейные алюминиевые сплавы.
Отливки из алюминиевых сплавов широко используются в конструкциях различных типов: литых, клепаных, сварных, комбинированных и т.д. Производство отливок из алюминиевых сплавов во всем мире характеризуется постоянным и прогрессирующим ростом. Это обусловлено тем, что литье готовых деталей обладает принципиальными преимуществами не только из-за более низкой трудоемкости и стоимости процесса, но и благодаря возможности изготовления деталей, которые нельзя получить другими способами.
Повышение свойств литейных сплавов является важной задачей. Поэтому закономерно стремление исследователей создавать все более прочные и легкие сплавы с хорошими технологическими свойствами.
С этой точки зрения представляют интерес алюминиевые сплавы, легированные литием, самым легким из металлов с плотностью ~ 540 кг/м . Каждый процент лития снижает плотность алюминия на 3% и повышает модуль упругости на 6%. Кроме того, литий имеет переменную уменьшающуюся с понижением температуры растворимость в твердом алюминии. Это создает возможность создавать термически упрочняемые литейные сплавы.
Перспективными для создания высокопрочных коррозионностойких литейных сплавов с пониженной плотностью должны быть сплавы системы Al-Li-Cu и Al-Li-Cu-Mg. Об этом свидетельствуют имеющиеся достижения в области разработки и использования в промышленности деформируемых алюминиевых сплавов на основе этих систем.
Однако в научной литературе практически отсутствуют сведения по литейным алюминиево-литиевым сплавам. Поэтому разработка основ легирования и создания литейных сплавов на основе систем Al-Li-Cu и Al-Li-Cu-Mg -актуальная задача. Она является предметом исследования в настоящей работе.
Цель работы состояла в изучение влияния легирующих элементов на структуру и свойства литейных алюминиевых сплавов систем Al-Li-Cu и Al-Li-Cu-Mg и разработка на этой основе высокопрочных сплавов с пониженной плотностью для фасонных отливок и режимов упрочняющей термической обработки.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.
1. Разработать технологические режимы получения фасонных отливок из сплавов систем Al-Li-Cu и Al-Li-Cu-Mg с высоким содержанием лития (2,5-4,5%) и с добавками Cd, Be и переходных металлов.
Изучить влияние основных компонентов - лития, меди и магния на структуру и свойства фасонных отливок и определить оптимальное содержание этих металлов.
Изучить влияние переходных металлов (ИМ) на механические и технологические свойства сплавов систем Al-Li-Cu и Al-Li-Cu-Mg в интервале температур твердо-жидкого состояния и оценить литейные свойства сплавов.
На основании установленных закономерностей определить интервалы концентраций основных компонентов и ИМ, обеспечивающих получение оптимального комплекса свойств (высокой прочности, пониженной плотности и хорошей технологичности), и выбрать составы сплавов систем Al-Li-Cu и Al-Li-Cu-Mg, предназначенных для литья в кокиль.
Изучить закономерности изменения структуры и свойств при термической обработке литейных сплавов систем Al-Li-Cu и Al-Li-Cu-Mg и на этой основе разработать оптимальные режимы гомогенизации, закалки и старения отливок.
Опробовать в условиях опытного производства новые литейные сплавы на основе систем Al-Li-Cu и Al-Li-Cu-Mg.
Научная новизна состоит в следующем:
Впервые изучено влияние основных компонентов на структуру и свойства литейных сплавов систем Al-Li-Cu и Al-Li-Cu-Mg и установлено, что для получения оптимального комплекса свойств - повышенной прочности при умеренной пластичности, высоких литейных свойств и низкой плотности, содержание лития не должно превышать 3,5-К3,6%, меди - 1,5^-1,6%, а содержание магния должно находиться в пределах 0,5-^1,0%.
Изучено влияние переходных металлов (Ті, Zr, Mn, Сг) на структуру и свойства сплавов систем Al-Li-Cu и Al-Li-Cu-Mg и установлены следующие закономерности:
модифицирующее действие переходных металлов связано с выделением непосредственно из расплава дисперсных алюминидов этих металлов; наиболее сильное модифицирующее действие оказывают титан и цирконий;
упрочняющее действие титана, циркония и марганца связано с выделением из твердого раствора дисперсных алюминидов, которое может быть усилено путем применения специальной термической обработки - длительного отжига при 540С пред закалкой;
марганец в количестве 0,3-Ю,6% способствует дополнительному твердорастворному упрочнению.
3. На основании изучения механических свойств сплавов систем Al-Li-Cu и
Al-Li-Cu-Mg в интервале температур твердо-жидкого состояния установлена
взаимосвязь между химическим составом и их литейными свойствами и получены
математические модели, позволяющие оценивать влияние легирующих элементов и
их концентраций на жидкотекучесть и горяч ел омкость, и показано следующее:
увеличение содержания лития (>3,5%) и меди (>2%) приводит к повышению горячеломкости вследствие расширения интервала хрупкости в твердо-жидком состоянии и снижения пластичности в этом интервале;
титан и цирконий, наоборот, приводят к снижению горячеломкости из-за увеличения пластичности в твердо-жидком состоянии;
увеличение содержания лития в исследованном интервале концентраций приводит к повышению жидкотекучести.
Практическая значимость.
На основании проведенных исследований впервые на базе систем Al-Li-Cu и Al-Li-Cu-Mg разработаны два высокопрочных термически упрочняемых алюминиевых литейных сплава пониженной плотности (у = 2500-2530 кг/м ), предназначенных для получения фасонных отливок методом литья в кокиль.
Путем систематических исследований разработан для плавки и литья Al-Li сплавов покровный флюс, в состав которого входит древесный уголь и борная кислота. Этот флюс обеспечивает защиту от окисления сплавов с высоким содержанием лития (до 5%). Разработана технология получения фасонных отливок в условиях опытного производства из алюминиево-литиевых сплавов с высоким содержанием лития, включающая применение специального флюса, дегазацию расплава аргоном.
Разработаны режимы упрочняющей термической обработки отливок из новых литейных сплавов систем Al-Li-Cu и Al-Li-Cu-Mg, состоящей из гомогенизирующего отжига при 540±5С, время выдержки 8-10 часов с последующей закалкой в воде (80-100С) для обоих сплавов и старение по различным режимам:
для сплава системы Al-Li-Cu-Mg рекомендован режим старения 150С, 4-6 часов, он обеспечивает получение следующего уровня механических свойств: ов=350-370 МПа, 5=4-6%;
для сплава системы Al-Li-Cu разработаны два режима старения: одноступенчатый - 170С, 10 ч, с уровнем механических свойств - ов=375-385 МПа, 8=4-5% и двухступенчатый - 120С, 8 ч + 160С, 4 ч. Он обеспечивает получение более высокой пластичности при близких значениях предела прочности: ов=370-375 МПа, 5=5,5-6,5%.
Сплавы прошли опробование на производственной базе ФГУП «НИЧ «МАТИ» - РГТУ им. К.Э. Циолковского» и показали при литье хорошие технологические свойства, о чем свидетельствует полученный акт по разработке и исследованию литейных Al-Li сплавов.
Апробация работы. Результаты работы были доложены на 7-ой Всероссийской научно-практической конференции «Применение ИПИ-технологий в производстве» (Москва, МАТИ, 12-13 ноября 2009 г.) и на Международном авиакосмическом конгрессе ІАС/09 (Россия, Москва, 23-27 августа 2009 г).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 5-ти работах, список которых приведен в конце автореферата, в том числе в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией - 1.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы из 115 наименований. Работа изложена на 106 страницах машинописного текста, содержит 33 рисунка и 31 таблицу.
