Материаловедение. РИНЦ 2016. Оптимизация состава и структуры деформируемых жаропрочных алюминиевых сплавов
 Скачать 476.59 Kb.
|
|
Научно-технический журнал «ТЕОРИЯ. ПРАКТИКА. ИННОВАЦИИ» ФЕВРАЛЬ 2016 http://tpi.vectorscience.ru/ 73 УДК 669.017.11 ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА И СТРУКТУРЫ ДЕФОРМИРУЕМЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ Толеуова А.Р. Карагандинский государственный индустриальный университет, Темиртау, Казахстан rymkul.ainagul@mail.ru С использованием программы Thermo-Calc в статье приведен количественный фазовый анализ диаграммы Al – Cu – Mn – Zr, как основы деформируемых жаропрочных алюминиевых сплавов. Обосновано, что в сплавах нового поколения типа АЛТЭК использование операций гомогенизации и закалки нецелесообразно, из чего вытекает возможность существенного сокращения затрат на термообработку по сравнению с промышленными сплавами типа 1201. Ключевые слова: алюминий, сплав, температура, жаропрочность. OPTIMIZATION OF THE COMPOSITION AND STRUCTURE OF WROUGHT HEAT – RESISTANT ALUMINUM ALLOY Toleuova A.R. Key words: aluminium, alloys, temperature, heat-resistant. В различных изделиях машиностроения традиционно используются стали и чугуны. В частности, из них делают детали водозаборной арматуры для нефтегазового комплекса. В одних случаях используют обычные марки типа СЧ20, а в других – высоколегированные сплавы. В последнее время в мире четко обозначилась тенденция замены сталей и чугунов более легкими сплавами, прежде всего на основе алюминия. Это особенно актуально для тех применений, где требование к минимизации массы изделия является одним из ключевых (например, автомобилестроение). [2] Если прочностные свойства алюминиевых сплавов находятся на уровне серых чугунов и обычных углеродистых сталей, то по характеристикам износостойкости и жаропрочности сильно уступают последним. С другой стороны, получение объемного износостойкого легкого материала (например, в виде керамики) хотя и позволяет добиться повышения некоторых эксплуатационных свойств, но имеет много недостатков. Среди последних следует отметить хрупкость и, как правило, высокую стоимость. Наиболее перспективным направлением в области создания легких, надежных и долговечных деталей арматуростроения является применение жаропрочных алюминиевых сплавов нового поколения и специальных защитных покрытий. Научно-технический журнал «ТЕОРИЯ. ПРАКТИКА. ИННОВАЦИИ» ФЕВРАЛЬ 2016 http://tpi.vectorscience.ru/ 74 Известно, что быстрозакаленные алюминиевые сплавы, содержащие 0,05вес %переходных металлов (Zr, Fe, Cr), хорошо зарекомендовали себя в качестве основы перспективных жаропрочных гранулируемых сплавов в основном за счет формирования в них пересыщенных твердых растворов. Многие служебные характеристики алюминия сплавов определяются существованием в них алюминидов переходных металлов. В исследованиях последних лет показано, что при быстрой закалке расплавов можно получать дисперсные метастабильные алюминиды, которые дают дополнительные возможности для варьирования и улучшения эксплуатационных свойств таких материалов. Таким образом, разработка новых технологий получения алюминиевых сплавов с переходными металлами открывает широкие возможности для повышения эксплуатационных свойств данных материалов и является важной задачей современного металловедения. Введение основных легирующих элементов в больших количествах оказывается возможным потому, что они обладают значительной растворимостью в алюминии в твердом состоянии, что вытекает их двойных диаграмм состояния. Первая и главная функция легирующих элементов – повысить прочность алюминия (чистый алюминий имеет слишком низкую прочность - в 60 МПа). Упрочнение достигается за счет образования твердого раствора и – во многих системах – путем дисперсионного твердения. Кроме того, от содержания легирующих элементов зависят литейные свойства сплава, что в значительной мере определяет их технологичность и, как следствие этого, степень промышленного использования. Эффект растворного упрочнения определяется рядом факторов, главным из которых является размерный. Относительная разница атомных радиусов алюминия и легирующего элемента ((R А1 - R 2 )/R А1 )100% максимальна в случае меди (10,5%). Эта добавка обеспечивает максимальное растворное упрочнение ( в /1 ат.% = 30…40 МПа). Медь, помимо растворного упрочнения, обеспечивает возможность существенного дисперсионного твердения в результате старения после закалки, поскольку ее растворимость в (Al) с понижением температуры существенно уменьшается. Поэтому у сплавов системы Al – Cu можно достигнуть гораздо большей прочности (особенно пределов упругости и текучести) в широком интервале температур. В то же время медь существенно снижает коррозионную стойкость алюминия и любых его сплавов. В этом отношении она является вредной добавкой и ее концентрацию нужно ограничивать. Медь образует с алюминием широкоинтервальную фазовую диаграмму, и поэтому литейные свойства сплавов на базе системы Al – Cu очень низки. [2] Научно-технический журнал «ТЕОРИЯ. ПРАКТИКА. ИННОВАЦИИ» ФЕВРАЛЬ 2016 http://tpi.vectorscience.ru/ 75 Наиболее универсальной малой добавкой является марганец, который входит в состав большинства промышленных сплавов. Основная цель введения марганца и таких переходных металлов, как титан, цирконий, хром и ванадий, состоит в дополнительном упрочнении сплавов. Достигается это упрочнение за счет образования твердых растворов. Помимо упрочнения добавки переходных металлов часто улучшают технологичность сплавов за счет измельчения зерна. Особенно эффективен в этом отношении цирконий. Также добавка циркония повышает сопротивление различным видам коррозии. При этом следует обязательно отметить, что положительной действие перечисленных добавок может быть достигнуто только при строгом соблюдении технологии. В данной работе выполнен количественный фазовый анализ состава системы Al–Cu–Mn– Zr, содержащей меди до 8%, марганца до 3% и до 1 % циркония, используя программу Thermo – Calc. Учитывая, что первичные кристаллы интерметаллидов, которые в общем случае нежелательны, образуются при сравнительно небольших концентрациях переходных металлов, на первом этапе рассчитывали (с использованием базы данных TTAL5) границы ликвидуса для тройной системы Al–Cu–Mn. Из рис.1а следует, что с увеличением в сплаве содержания меди граница появления первичных кристаллов Mn-содержащих фаз (Al 20 Cu 2 Mn 3 и Al 6 Mn) сдвигается в сторону меньших концентрации марганца. Этот результат является первым доводом в пользу маломедистых сплавов АЛТЭК по сравнению со сплавами типа 1201, содержащими более 6%Cu. Расчет границ солидуса также показывает, что с повышением содержания меди однофазная область (Al) сильно сужается по марганцу: от 1,4%Mn в двойной системе до 0,2%Mn при 5,7%Cu (рис.1б). Научно-технический журнал «ТЕОРИЯ. ПРАКТИКА. ИННОВАЦИИ» ФЕВРАЛЬ 2016 http://tpi.vectorscience.ru/ 76 а б Рисунок 1. Границы поверхностей ликвидуса (выделены жирными линиями) и солидуса в системе Al–Cu–Mn: а) общий вид, б) солидус в области алюминиевого угла Таблица 1 Cостав некоторых деформируемых сплавов на основе системы Al–Cu-Mn-Zr Марка Cu, % Mn, % Zr, % Другие Д20 1 6,0–7,0 0,4–0,8 0,2 Ti 1201 2 5,8–6,8 0,2–0,4 0,1–0,25 Ti, V АА 2219 3 5,8–6,8 0,2–0,4 0,1–0,25 Ti, V АЛТЭК 4 1,2–2,4 1,2–2,2 0,15–0,6 Sc, V 1 ОСТ , 2 ГОСТ 4784-97, 3 спецификация Алюминиевой Ассоциации (США), 4 пат.РФ № 2252975 (публ. 27.05.2005, бюл.№15) Добавка циркония в двойные сплавы, как известно, приводит к образованию фазы Al 3 Zr [3]. Хотя в литературе нет данных по строению диаграммы Al–Cu–Mn–Zr, распределение фазовых областей в алюминиевом углу этой четверной системы в твердом состоянии можно спрогнозировать, опираясь на имеющуюся информацию. Известно, что цирконий сильно повышает температуру ликвидуса в двойных сплавах. Расчет показывает, что наличие меди и магния мало сказывается на степени этого повышения, что демонстрируют политермические разрезы, показанные на рис.2, а также данные, приведенные в табл.2. Таблица 2. Параметры кристаллизации характерных сплавов системы Al–Cu–Mn–Zr Cu, % t L , C t S , C Фазы Научно-технический журнал «ТЕОРИЯ. ПРАКТИКА. ИННОВАЦИИ» ФЕВРАЛЬ 2016 http://tpi.vectorscience.ru/ 77 2 730 628 (Al) +Al 20 +Al 6 +Al 3 Zr 5 731 576 (Al) +Al 20 +Al 3 Zr Температуры ликвидуса (T L ) и солидуса (T S ) являются одними из наиболее важных характеристик любого сплава. С помощью этих температур определяют режимы термической обработки, температуры плавки и литья сплавов. Результаты расчета значений T L и T S для некоторых сплавов системы Al – Cu – Mn – Zr приведены в табл. 2. Исходя из результатов расчета можно сделать вывод, что медь не сильно влияет на T L , но заметно снижает T S . С другой стороны, добавка уже 0,4%Zr поднимает ликвидус выше 800 C. а б Рисунок 2. Политермические разрезы системы Al–Cu–Mn–Zr при переменном содержании циркония: а) 2%Cu и 1,5%Mn; б) 6,5%Cu и 0,5%Mn Поскольку наибольший эффект от добавки циркония связан с формированием метастабильной фазы Al 3 Zr с кристаллической решеткой L1 2 , изотермические разрезы рассчитывали, исключив с расчета стабильную фазу (D0 23 ). Разрез при 0,4%Zr и 300 0 С (рис.3) показывает именно ту последовательность изменения фазовых областей с повышением отношения Cu:Mn, которая вытекает из рис.2 Научно-технический журнал «ТЕОРИЯ. ПРАКТИКА. ИННОВАЦИИ» ФЕВРАЛЬ 2016 http://tpi.vectorscience.ru/ 78 Рисунок 3. Изотермический разрез системы Al–Cu–Mn–Zr при 0,4%Zr и 300 0 С: расчет для метастабильной фазы Al 3 Zr (L1 2 ) Влияние температуры отражают политермические разрезы при переменном содержании марганца, приведенные на рис.4. Из них видно, что уменьшение концентрации меди с 2 до 1% уменьшает вероятность образования фазы Al 2 Cu. а б Рисунок 4. Политермические разрезы системы Al–Cu–Mn–Zr при 0,4%Zr и переменном содержании марганца: а) 2%Cu; б) 1%Cu: расчет для метастабильной фазы Al 3 Zr (L1 2 ) Зависимость массовой доли твердых фаз от температуры при неравновесной кристаллизации сплава Al – Cu – Mn – Zr, рассчитанная по программе Thermo-Calc, приведена на рисунке 6. Научно-технический журнал «ТЕОРИЯ. ПРАКТИКА. ИННОВАЦИИ» ФЕВРАЛЬ 2016 http://tpi.vectorscience.ru/ 79 a – 0,5% Cu б – 1,0% Cu Рисунок 5. Зависимости массовой доли твердых фаз от температуры в сплавах системы Al–Cu– Mn–Zr в процессе неравновесной кристаллизации: Как видно из таблицы 2 и рисунка 5 небольшая добавка меди почти не влияет на характер кристаллизации сплава. В неравновесных условиях кристаллизации растворимость марганца в алюминии возрастает, а образование тройного соединения подавляется. Поэтому в таких сплавах вместе с (Al) сосуществуют фазы Al 2 Cu и Al 6 Mn. После образования первичных кристаллов (Al), происходит выделение фаз Al 2 Cu и Al 20 Cu 2 Mn 3 по следующей реакции: L (Al)+Al 2 Cu+Al 20 Cu 2 Mn 3 при температуре 547 °С. С дальнейшим увеличением концентрации меди существенных изменений не наблюдается. Количественная информация по фазовому составу характерных сплавов при 350 и 540 °С приведена в табл.3 Таблица 3 Фазовый состав сплава Al – Cu – Mn – Zr при 350 и 540 °С, рассчитанный по программе Thermo-Calc Фаза % массовый % объемный Содержание компонентов, % Al Cu Mn Zr t = 350 °C (Al) 85,74 88,72 99,1 0,86 0,02 0,008 Al 20 11,53 8,95 64,89 15,28 19,82 0 Al 2 Сu 2,70 2,3 46,36 53,63 0 0 Al 3 Zr 0,04 0,02 47,01 0 0 52,98 Сплав 100 100 Осн. Научно-технический журнал «ТЕОРИЯ. ПРАКТИКА. ИННОВАЦИИ» ФЕВРАЛЬ 2016 http://tpi.vectorscience.ru/ 80 t = 540 °C (Al) 88,11 90,81 96,78 2,85 0,26 0,09 Al 20 11,85 9,16 64,89 15,28 19,82 0 Al 3 Zr 0,04 0,03 47,01 0 0 52,98 Сплав 100 100 Осн. Выводы С использованием программы Thermo-Calc проведен количественный анализ фазовой диаграммы Al – Cu – Mn – Zr, включая расчет изотермических и политермических сечений, температур ликвидуса и солидуса, массовых и объемных долей фаз. Определены области концентраций и температур, при которых может быть достигнуто максимальное количество дисперсоидов Al 20 Cu 2 Mn 3 и минимальное количество фазы Al 2 Cu, что должно отвечать наилучшей жаропрочности. Список литературы 1. Мондольфо Л.Ф. Структура и свойства алюминиевых сплавов.- М.: Металлургия (1979). 2. Белов Н.А. Фазовый состав алюминиевых сплавов: Научное издание. – М.: Изд. Дом МИСиС, 2009. – 392 с. 3. Н.А. Белов, А.Н. Алабин Перспективные алюминиевые сплавы с добавками циркония и скандия Цветные металлы, 2007, №2, С.99-106. 4. 7. Патент РФ 2001145, С22С021/00, Литейный сплав на основе алюминия, Белов Н.А., от 15.11.1993. 5. Белов Н.А. Структура и упрочнение литейных сплавов системы алюминий– никель– цирконий, Металловедение и термическая обработка металлов, 1993, N 10, С.19–22. 6. Belov N.A. in Proc.5th Int.Conf.on Al-Alloys and Their Physical and Mechanical Properties (ICAA5), 1-5.07.96 Grenoble, France, Materials Science Forum,1996 Vol. 217-222, P.293-298. 7. L. Lae, P.Guyot, C. Sigli Cluster dynamics in AlZr and AlSc alloys Proc. ICAA9 (Brisbane, August 2004), Materials Science Forum, 2004 pp. 281-286. 8. Белов Н.А. и Наумова Е.А. Структура и свойства литейных сплавов на основе системы алюминий–церий. Перспективные материалы, 1999, N 6, С.47–56. 9. Белов Н.А., Алабин А.Н. Перспективные алюминиевые сплавы с повышенной жаропрочностью для арматуростроения как возможная альтернатива сталям и чугунам Материалы в арматуростроении, 2010, С. 50-52 |