Совершенствование трёхступенчатых режимов старения сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu

В.И. ЕЛАГИНУ 85 ЛЕТ

10 июня исполнилось 85 лет выдающемуся российскому металловеду, заслуженному деятелю науки и техники РФ, лауреату Гэсударственной премии, доктору технических наук, профессору Виктору Игнатовичу Елагину.

В.И. Елагин начал свою трудовую деятельность в МАТИ, где он под руководством С.М. Воронова в 1952 г. защитил кандидатскую диссертацию, работал ассистентом, доцентом.

С 1962 г. В.И. Елагин работает в ВИЛСе. Возглавляя с 1966 г. лабораторию металловедения алюминиевых и магниевых сплавов и продолжая педагогическую деятельность, стал профессором МАТИ.

В.И. Елагин внес огромный вклад в теорию и практику металловедения алюминиевых и магниевых сплавов. Он имеет непосредственное отношение практически ко всем достижениям отечественного металловедения в области деформируемых алюминиевых сплавов.

Не много найдется в современной российской науке и технике направлений, где наши ученые на 20-30 лет обогнали бы достижения своих зарубежных коллег. Именно таким научным направлением является разработка основ легирования алюминиевых сплавов скандием. Созданные В.И. Елагиным научные принципы легирования алюминиевых сплавов переходными металлами и послужили фундаментом, на котором родились многие новые алюминиевые сплавы и технология получения из них деформированных полуфабрикатов.

Разработанная им теория легирования в сочетании с основополагающими исследованиями влияния скоростей охлаждения при кристаллизации на структуру и свойства сплавов с высоким содержанием переходных металлов позволила создать уникальные, не имеющие аналогов за рубежом гранулируемые алюминиевые сплавы различного назначения.

Отметим основные достижения профессора В.И. Елагина в науке, производстве, педагогике.

Н А У Ч Н Ы Е Р А З Р А Б О Т К И

Объяснение природы пресс-эффекта

Одной из актуальных научно-практических проблем 40-60-х годов прошлого века была проблема объяснения явления пресс-эффекта. Суть явления пресс-эффекта состоит в том, что прессованные изделия из некоторых термически упрочняемых алюминиевых сплавов, например из сплавов Д1, Д16, имеют предел прочности после закалки и старения на 100-150 МПа выше, чем закаленные и состаренные листы из этих же сплавов. В научной печати того времени на эту тему велась оживленная дискуссия, в которой принимали участие практически все ведущие специалисты в области алюминиевых сплавов. В.И. Елагин первым обратил внимание, что явление пресс-эффекта имеет место только в тех случаях, когда в составе сплавов имеется добавка марганца. Им были установлены закономерности поведения добавки марганца в технологической цепочке получения деформированных полуфабрикатов, начиная от непрерывного литья слитков и

заканчивая закалкой готовых полуфабрикатов. Эти закономерности, как было показано позднее, являются универсальными и распространяются на другие переходные металлы - Сг, 7г, Бе.

При непрерывном литье марганец фиксируется в пересыщенном твердом растворе. В случае слитков малого и среднего диаметра, кристаллизующихся с достаточно высокой скоростью, концентрация марганца в твердом растворе может превышать точку максимальной растворимости на равновесной диаграмме состояния А1-Мп. В то время не знали о метастабильных диаграммах состояния, и это явление было непонятным, аномальным. Виктор Игнатович тогда ввел новый, очень удачный термин «аномальное пересыщение твердого раствора», который «прижился» и широко используется исследователями по настоящее время.

В.И. Елагин первым показал, что при отжиге - гомогенизации слитков непрерывного литья наряду с процессами собственно гомогенизации структуры, связанными с уничтожением последствий дендритной ликвации при неравновесной кристаллизации, идет процесс гетерогенизации структуры, процесс распада пересыщенного твердого раствора марганца в алюминии. И именно дисперсные продукты распада раствора, а не марганец, находящийся в твердом растворе, тормозят рекристаллизацию.

Присутствие дисперсных марганцовистых частиц играет решающую роль в повышении прочности закаленных и состаренных прессованных полуфабрикатов. Во-первых, «. . . дисперсные частицы марганцовистых химических соединений, а также марганец, оставшийся в твердом растворе, настолько повышают температуру рекристаллизации сплава, что она становится выше температуры закалки». После закалки в прессованных изделиях сохраняется нерекристаллизованная структура и текстура прессования. И, во-вторых, помимо опосредованного влияния «дисперсные частицы марганцовистых химических соединений сами оказывают определенное упрочняющее действие».

Если при кристаллизации по каким-либо причинам (малая скорость кристаллизации, связывание переходных металлов в химическое соединение третьим компонентом и т.д.) пересыщенный твердый раствор переходных металлов в алюминии не образуется, то пресс-эффект отсутствует.

Аналогичные превращения пересыщенного марганцем или другими переходными металлами твердого раствора происходят и при производстве других видов полуфабрикатов, например, горячекатаных листов. Но отличие заключается в том, что схема деформации при прокатке, меньшая изотермичность процесса обусловливают большой запас упругой энергии в катаных полуфабрикатах и поэтому дисперсные алюминиды переходных металлов, образующиеся в них, хотя и повышают температуру рекристаллизации, но последняя остается ниже температуры закалки и поэтому катаные листы имеют после закалки рекристаллизованную структуру, что и определяет их пониженную по сравнению с прессованными прочность.

В последующих исследованиях В.И. Елагина и других авторов было показано, что при определенном составе сплавов (комбинации добавок переходных металлов) и условиях прокатки или штамповки (высо-

кая температура деформации) нерекристаллизованную (полигонизо-ванную) структуру и связанный с ней эффект упрочнения можно получить и в листах, и штамповках.

Эти работы были выполнены В.И. Елагиным еще в 1948-1952 гг. и легли в основу его кандидатской диссертации.

Теория легирования алюминиевых сплавов переходными металлами

Исследования влияния марганца на структуру и свойства алюминиевых сплавов послужили началом, толчком для проведения в дальнейшем крупномасштабных работ по изучению влияния других переходных металлов, таких как Сг, 7г, Т и др., на структуру и свойства слитков и деформированных полуфабрикатов. Исследования носили системный целенаправленный характер, и результатом этой масштабной работы стала докторская диссертация.

Виктор Игнатович одним из первых предложил легировать алюминиевые сплавы добавкой циркония.

Одним из первых алюминиевых сплавов, легированных цирконием, был сплав АЦМ, разработанный В.И. Елагиным в конце пятидесятых годов. Одновременно со сплавом АЦМ был разработан сплав В96Ц, также легированный цирконием. Основная заслуга В.И. Елагина заключается в том, что он выявил закономерности влияния циркония на структуру и свойства алюминиевых сплавов, которые послужили теоретической основой, научной базой для разработки новых алюминиевых сплавов с улучшенным комплексом свойств за счет введения небольшой добавки циркония.

Цирконий является сильным модификатором литой зеренной структуры алюминиевых сплавов. Измельчение последней обусловливает уменьшение склонности к трещинообразованию при литье слитков и при сварке полуфабрикатов. Цирконий «резко повышает температуру рекристаллизации алюминия и алюминиевых сплавов после горячей и холодной деформации, в результате чего создается возможность получения после термообработки нерекристаллизованной или частично рекристаллизованной структуры, а следовательно, повышенных механических свойств». Микролегирование цирконием значительно увеличивает коррозионную стойкость алюминия и ряда алюминиевых сплавов, а также их сварных соединений.

Сегодня все промышленные свариваемые сплавы Al-Zn-Mg и высокопрочные сплавы Al-Zn-Mg-Cu легированы добавкой циркония.

Систематические исследования влияния добавок переходных металлов на структуру и свойства алюминиевых сплавов позволили В.И. Елагину установить закономерности их взаимодействия и на этой основе разработать металловедческие принципы легирования алюминиевых сплавов переходными металлами. Характер взаимодействия переходных металлов с алюминием (главным образом способность к образованию пересыщенных твердых растворов при кристаллизации) определяется атомным строением переходных металлов и скоростью охлаждения при кристаллизации. Результаты анализа взаимодействия переходных металлов с алюминием и соответственно характера и

степени их влияния на структуру и свойства деформированных сплавов позволили Виктору Игнатовичу разделить все переходные металлы как легирующие компоненты алюминиевых сплавов на три класса. На основе выявленных закономерностей даны общие рекомендации по рациональному и эффективному легированию переходными металлами. Концепция легирования алюминиевых сплавов переходными металлами, предложенная В.И. Елагиным, получила признание у нас и за рубежом.

А1-1п-Мё-сплавы. В 50-е годы на кафедре металловедения МАТИ Виктор Игнатович изучил влияние содержания цинка и магния, добавок различных переходных металлов, технологии получения полуфабрикатов и режимов термической обработки на весь комплекс технологических и эксплуатационных свойств А1-7п-М^-сплавов. На основе выявленных закономерностей были разработаны две группы сплавов: свариваемые высокопрочные для ракетно-космической техники, например 1911, и высокотехнологичные при прессовании свариваемые сплавы 1915, 1925 и 1935. Последняя группа сплавов нашла применение в виде прессованных профилей и труб в строительстве, железнодорожном и автомобильном транспорте, для товаров широкого потребления. Все указанные выше сплавы содержат добавки переходных металлов циркония и марганца, а некоторые и хрома. Эти добавки позволили существенно повысить прочность, коррозионную стойкость, улучшить свариваемость и литейные свойства сплавов. Создание промышленных сплавов А1-7п-М^ без добавок переходных металлов было бы, в принципе, невозможным.

Легирование алюминиевых сплавов скандием. В начале 70-х годов В.И. Елагин возглавил в ВИЛСе исследования влияния переходного металла скандия на структуру и свойства алюминиевых сплавов. Скандий, как и другие переходные металлы, входит при непрерывном литье слитков в пересыщенный твердый раствор, который затем распадается при последующих технологических нагревах. Однако, в отличие от распада твердого раствора Мп, Сг, 7г и других переходных металлов в алюминии, распад твердого раствора скандия в алюминии носит гомогенный характер. Выделяющиеся из твердого раствора частицы алюминида скандия А!3Бс очень дисперсны. Их размер составляет 5-15 нм, а плотность в единице объема алюминиевой матрицы очень высока. Поэтому упрочнение, вызываемое добавкой скандия, значительно сильнее, чем упрочнение от других переходных металлов. Дисперсные частицы А!3Бс непосредственно упрочняют сплав и резко повышают температуру рекристаллизации, обусловливая в термически обработанном сплаве заметное структурное упрочнение. Скандий также является самым сильным модификатором литой зеренной структуры алюминиевых сплавов.

В результате работ, проведенных главным образом в 70-80-х годах, были установлены основные закономерности, характеризующие влияние скандия на структуру и свойства алюминиевых сплавов, обоснованы металловедческие принципы легирования алюминиевых сплавов скандием, разработаны свариваемые сплавы на основе систем Al-Mg-Sc, Al-Zn-Mg-Sc и промышленная технология получения из них деформированных полуфабрикатов. Алюминиевые сплавы, леги-

рованные скандием, имеют большое будущее и с ним в значительной мере связан прогресс в ракетно-космической и авиационной технике.

Результаты исследовательских работ легли в основу монографий «Легирование деформируемых алюминиевых сплавов переходными металлами, 1975 г.; «Структура и свойства сплавов системы Al-Zn-Mg» в соавторстве с В.В. Захаровым и А.М. Дрицом, 1982 г.

Гранулированные алюминиевые сплавы

Систематические исследования, проводимые В.И. Елагиным в области легирования алюминиевых сплавов переходными металлами, привели в конечном итоге к созданию нового класса материалов -гранулированных алюминиевых сплавов. В основе этих материалов лежит следующая закономерность: с увеличением скорости охлаждения в интервале температур кристаллизации возрастают степень диспергирования структуры и количество вторых компонентов, в том числе переходных металлов, фиксируемых в пересыщенном твердом растворе. При скоростях охлаждения 103-105 град/с можно получать аномально пересыщенные твердые растворы с концентрацией, в несколько раз превышающей равновесную растворимость переходных металлов в алюминии. Тем самым создается потенциальная возможность упрочнения за счет распада пересыщенного твердого раствора переходных металлов в алюминии с выделением дисперсных вторичных частиц. На основе этой закономерности были разработаны гранулируемые алюминиевые сплавы, относящиеся к новому классу материалов. Это потребовало проведения большого объема исследовательских работ, в результате которых были получены гранулируемые полуфабрикаты различного назначения с уровнем эксплуатационных свойств, существенно превосходящим соответствующие свойства полуфабрикатов, полученных по слитковой технологии. Основное отличие гранулируемых алюминиевых сплавов заключается в том, что содержание в них переходных металлов в несколько раз больше. Это стало возможным за счет использования высоких скоростей охлаждения при кристаллизации.

Были разработаны промышленные гранулируемые сплавы различного назначения, высокопрочные конструкционные сплавы, обладающие помимо высокой прочности хорошим комплексом ресурсных характеристик, высоким сопротивлением усталостным нагрузкам и хорошей коррозионной стойкостью.

Разработаны жаропрочные гранулированные алюминиевые сплавы 1419, 1435, 1485, высокие прочностные свойства которых достигаются благодаря повышенному содержанию переходных металлов. Гранулированные жаропрочные алюминиевые сплавы существенно превосходят традиционные жаропрочные алюминиевые сплавы АК4-1, 1201, Д19 по жаропрочности, пластичности, характеристикам трещиностой-кости, коррозионной стойкости, свариваемости.

Гранулированный сплав 1379, содержащий около 20 % Б1, обладает низким коэффициентом термического расширения и по комплексу свойств заметно превосходит сплавы-аналоги, получаемые по традиционной слитковой технологии. Из сплава 1379 изготавливают поршни для двигателей внутреннего сгорания.

Из гранулированных алюминиевых сплавов возможно также получать жаропрочные проводниковые сплавы (1417), рентгеноконтраст-ные материалы в виде фольги для контроля качества сварного соединения (сплав 1415), подшипниковые материалы (сплав АС15). Последние не содержат дорогого олова и в тоже время превосходят дорогие подшипниковые сплавы, содержащие олово. Результаты исследований изложены в книге «Быстрозакристаллизованные алюминиевые сплавы», авторы В.И. Добаткин, В.И. Елагин, В.М. Фёдоров, 1995 г.

Т Е Х Н О Л О Г И Ч Е С К И Е Р А З Р А Б О Т К И Длинномерные прессованные и катаные полуфабрикаты

В.И. Елагин много сделал для того, чтобы его научные разработки нашли применение на металлургических и машиностроительных заводах. Одним из крупных достижений отечественной металлургической промышленности является разработка и организация промышленной технологии производства длинномерных катаных и прессованных полуфабрикатов из высокопрочных алюминиевых сплавов типа Д16 и В95 повышенной чистоты для широкофюзеляжных самолетов. В.И. Елагину за эту работу вместе с группой специалистов в 1980 г. было присвоено звание лауреата Государственной премии СССР!

Большой вклад Виктор Игнатович внес в научное обоснование и разработку новых высокопрочных алюминиевых сплавов повышенной чистоты, режимов перестаривания сплавов Al-Zn-Mg-Cu, обеспечивающих повышение характеристик трещиностойкости и коррозионных свойств при некоторой потере прочностных свойств. В настоящее время Виктор Игнатович работает над усовершенствованием режимов термической обработки высокопрочных сплавов Al-Zn-Mg-Cu, в том числе трехступенчатых режимов, удобных для использования в промышленных условиях.

Н А У Ч Н О - П Е Д А Г О Г И Ч Е С К А Я Д Е Я Т Е Л Ь Н О С Т Ь

Необходимо отметить великолепные педагогические способности В.И. Елагина, его методический талант. Умение ясно, доходчиво объяснить суть проблемы, помочь найти пути ее решения сделали В.И. Елагина прекрасным педагогом, под научным руководством которого в нашем институте и на заводах отрасли выросла целая плеяда ученых. Защищено более 15 кандидитских диссертаций, а шесть специалистов при его активной помощи стали докторами наук. Все это, а также преподавание в Институте повышения квалификации, во многом предопределило чрезвычайно высокий металловедческий уровень исследований, в том числе и на заводах отрасли, обеспечило возможность специалистам заводов решать сложнейшие задачи освоения производства полуфабрикатов из новых, часто очень не технологичных сплавов.

Долгие годы В.И. Елагин читал лекции и работал профессором в Московском авиационном технологическом институте. Им совместно с Б.А. Колачёвым и В.А. Ливановым написан прекрасный учебник, в котором доступным ясным языком и в тоже время строго и корректно изложены основные положения металловедения и термической обра-

ботки алюминиевых сплавов. Это один из лучших учебников металловедения алюминиевых сплавов. Он выдержал четыре издания - 1972, 1981, 1997, 2005 гг.

Интеллигентность, скромность и отзывчивость В.И. Елагина делают общение с ним всегда интересным и продуктивным.

Виктор Игнатович остается действующим ученым. В последние годы им опубликован ряд фундаментальных статей, посвященных поиску и описанию новых основополагающих закономерностей, характеризующих связь между структурой и свойствами, в том числе ресурсными характеристиками деформируемых алюминиевых сплавов, и возможным реальным путям их развития. Одним из главных направлений дальнейшего развития алюминиевых сплавов является использование в качестве основных легирующих компонентов переходных металлов и сверхвысоких скоростей кристаллизации.

В 2008 г. В.И. Елагин опубликовал статью, посвященную развитию конструкционных наноструктурных алюминиевых сплавов и предложил их классификацию. Это новый взгляд, новый подход к актуальной сейчас проблеме наноструктурных материалов, их развития и возможного использования.

Редакционная коллегия, коллектив ВИЛСа от всей души поздравляют Виктора Игнатовича со знаменательным юбилеем, желают крепкого здоровья и дальнейших творческих успехов.