Развитие литейных алюминиевых сплавов в ВИАМ (к 120-летию со дня рождения И. Ф. Колобнева)

УДК 669.018.28:669.715

Д.В. Огородов1, А.В. Трапезников1, ДА Попов1, С.И. Пентюхин1

РАЗВИТИЕ ЛИТЕЙНЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ В ВИАМ

DOI: 10.18577/2307-6046-2017-0-2-12-12

Приведены основные этапы трудовой деятельности Ивана Филипповича Колобнева, а также рассмотрены сплавы, которые разработаны под его руководством. Показаны перспективы развития жаропрочных, высокопрочных и коррозионностойких литейных алюминиевых сплавов.

Накопленный опыт в области создания литейных алюминиевых сплавов реализуется в настоящее время в рамках комплексного научного направления 8.4. «Высокопрочные кор-розионностойкие свариваемые магниевые и литейные алюминиевые сплавы для изделий авиакосмической техники нового поколения» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») Д1].

Ключевые слова: литейные алюминиевые сплавы, силумины, жаропрочные алюминиевые сплавы, коррозионностойкие алюминиевые сплавы, высокопрочные алюминиевые сплавы.

The article presents the main stages of work activities of Ivan Philippovich Kolobnev, as well as alloys developed under his leadership. The prospects of development of casting high-temperature, high-strength and corrosion-resistant aluminum alloys are shown.

Experience accumulated by Kolobnev in the development of high-temperature aluminum alloys is now being implemented in the framework of the complex research area 8.4. «High-strength corrosion-resistant weldable magnesium and cast aluminum alloys for the new generation aerospace technologies» («The strategic directions of development of materials and technologies of their reprocessing for the period till 2030») Д1].

Keywords: casting heat-resistant aluminum alloys, silumin, high-temperature aluminum alloys, high-strength aluminum alloys, corrosion-resistant aluminum alloys.

Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal state unitary enterprise «All-Russian scientific research institute of aviation materials» State research center of the Russian Federation]; e-mail: admin@viam.ru

Введение

Для развития авиационной и космической техники необходимы разработка и создание новых материалов, в том числе литейных алюминиевых сплавов. В ВИАМ в этом направлении работал Иван Филиппович Колобнев, под руководством которого и при участии сотрудников института: Г.В. Захаровой, З.Н. Неугодской, Н.А. Аристовой, Г.Я. Мишина и других, были разработаны такие сплавы, как АЛ 19, АЛ21, АЛ25, АЛ26, ВАЛ1, ВАЛ6, В2243, ВАЛ9, ВАЛ 10, В124, АЦР1У. Эти сплавы в зависимости от их свойств нашли широкое применение в авиационной, ракетной и других областях техники [1-8].

Трудовая деятельность

В начале своей трудовой деятельности И.Ф. Колобнев был одним из первых ученых, занимавшихся созданием сплавов отечественных марок. В результате совместных исследований И.Ф. Колобнева и Е.М. Ноткина разработаны сплавы систем

Al-Si-Mg-Mn-Cu и Al-Si-Mg-Mn. В 1939 г. эти сплавы были успешно внедрены в производство и получили марки АЛЗ и АЛ4. Сплав АЛ4 вследствие его технологичности и в настоящее время применяют при производстве широкого спектра деталей, работающих при невысоких температурах (до 200°С).

Параллельно с исследованиями влияния состава на жаропрочность алюминиевых сплавов И.Ф. Колобнев занимался проблемой газонасыщения расплавов на основе алюминия. Так, в 1948 г. вышла в свет книга «Газовая пористость и методы борьбы с ней в алюминиевых отливках» [8] - как результат совместной исследовательской деятельности И.Ф. Колобнева и М.Б. Альтмана. В книге описаны причины возникновения пор в отливках и способы борьбы с ними, а также предложена методика определения пористости сплавов в жидком состоянии.

Изучая структуру силуминов, И.Ф. Колобнев пришел к выводу, что благодаря добавкам меди, хрома, магния и марганца можно значительно повысить стабильность а-твердого раствора и температуру его распада. Однако жаропрочность сплавов этого типа практически не повышается по причине содержания в их структуре кремния, находящегося в несвязанном (свободном) состоянии.

Для разработки новых сплавов, способных длительно работать при температурах выше 300°С, И.Ф. Колобнев взял за основу систему Al-Cu-Mn. В результате им совместно с Л.В. Швыревой, H.A. Аристовой, Г.Я. Мишиным разработан сплав АЛ19 (1958 г.), а совместно с В.М. Лебедевым, Г.Б. Строгановым, Н.Р. Никитиной, Г.Х. Эн-тиным и другими - сплав ВАЛ10 (1969 г.). Впоследствии коллеги и ученики Ивана Филипповича (В.М. Лебедев, Л.В. Швырева, Н.Р. Никитина, А.И. Николаева и др.) объединили лучшие свойства этих сплавов, разработав не потерявший до настоящего времени своей актуальности сплав ВАЛ14. Вышеуказанные сплавы предназначены для литья в землю, так как они имеют высокую горячеломкость и низкую жидкотекучесть [9]. Известно, что добавка кремния повышает технологичность сплава. Таким образом, в середине 1980-х гг. был разработан (В.М. Лебедев, И.С. Гоцев, А.И. Николаева и др.) высокопрочный сплав ВАЛ15 системы Al-Cu-Mn-Si, применяемый для литья в кокиль [10].

Сплавы на основе алюминия целесообразно применять в поршнях двигателей ввиду их малой плотности. Однако разработанные и применяемые в то время сплавы не обладали необходимой жаропрочностью либо были нетехнологичными. Иван Филиппович Колобнев совместно с М.В. Бусаровым и Л.В. Швыревой разработали технологичные сплавы для поршней системы Al-Si-Cu-Ni, получившие марки АЛ25, АЛ26, ВАЛ6 [11], с рабочей температурой 300°С. Помимо разработки заэвтектических силуминов и режимов термической обработки алюминиевых сплавов И.Ф. Колобнев исследовал методы их модифицирования, так как традиционные модификаторы не позволяли получить необходимые свойства [12].

До 1950 г. самым жаропрочным литейным алюминиевым сплавом считался сплав АЛ1, однако для некоторых отраслей промышленности требовались сплавы с рабочей температурой, существенно превышающей 300°С. Исследования, проведенные И.Ф. Колобневым, показали, что сплавы с высоким содержанием меди и сплавы системы Al-Cu-Ni обладают наиболее высокой жаропрочностью. Разработанные им совместно со специалистами ВИАМ сплавы получили марки АЛ21 (Г.В. Захарова, З.Н. Неугодова и др.) и ВАЛ1 (H.A. Аристова, Н.М. Филатова и др.). Рабочая температура этих сплавов составляет 350°C. Установлено также, что в повышении жаропрочности не последнюю роль играют редкоземельные элементы [13]. Таким образом, И.Ф. Колобнев совместно с Г.Я. Мишиным разработали жаропрочный литейный алюминиевый сплав АЦР1У системы Al-Ce-Cu с рабочей температурой до 400°C - самый жаропрочный в то время сплав в мире.

Механические свойства сплавов систем А1-Си-Мп, А1-Си-№ и А1-Се-Си приведены на рис. 1 (сплавы расположены по дате разработки). Для сравнения на рис. 1 приведен также сплав АЛ1 системы А1-Си-М§-№ - аналог «британского сплава», разработанного ровно 100 лет назад. Видно, что, сплавы практически не теряют прочности при повышении температуры. При температуре 250°С сплав ВАЛ10 уступает по жаропрочности остальным сплавам, а сплав АЦР1У по свойствам уже сравним с характеристиками сплава ВАЛ1. При температуре 350°С (на рис. 1 данные не приведены) сплав АЦР1У превышает по жаропрочности сплавы ВАЛ1 (на 10 МПа) и АЛ21 (на 20 МПа).

а:

ег£\ МПа

160

120

4?0

.40

1?0

АЛ]-Т5 лл: 1-7" АЛ19-Т5 АЩЧУ-П БАЛ] 0-75 БА13-Г4 С" п л

о.I

ол хота 400

300

200

100

АЛ1ЛЗ АЛ21Л7 АЛ19-П ДЦР1У71 ВАЛ1А-Т3 ЕА.И-Г+ Сплав.

Рис. 1. Механические свойства высокопрочных и жаропрочных сплавов при комнатной и высоких температурах: а - жаропрочность при 250°С на базе 100 ч

Отдельно следует упомянуть о коррозионностойких сплавах систем А1-М§ и А1-2п-М§. Их основной недостаток - низкие рабочие температуры, не превышающие 80-150°С. Изучая возможности повышения рабочих температур данных сплавов, И.Ф. Колобнев разработал сплавы АЛ22 (система А1-М§-Б1) и АЛ24 (система А1-2п-М§). Однако значительно повысить жаропрочность этих сплавов технически невозможно [13].

В своих разработках Иван Филиппович уделял большое внимание унификации сплавов (для уменьшения их номенклатуры на производстве) и получению сложных

отливок (вместо поковок с последующей механической обработкой), что экономически более выгодно. Так, были разработаны медистые силумины АЛ4М и В124 [14], сохранившие положительные свойства обычных силуминов, но имеющие более высокую температуру эксплуатации (до 250°С), а также обеспечивающие герметичность свыше 300 ат. Типичная отливка из сплава В124 (получена центробежным способом литья) показана на рис. 2.

-в

ч

Рис. 2. Крыльчатка из сплава В124

с,. УПа

400

-

200 -

100 -

НО

<С. МПа

а\

но

ьч>

ьч>

Щш Щ130 I т?о

I II II II I

УЛ

АЛ4-Т6 АЛЗЛЯ АЛ^ЛЗ АЛЙМ-ТЗ к 124-76 Сплав.

б)

АЛ&Л; АЛ4-1Я АЛ?-ГЙ АЛЗ-и АЛЫМ-ТЗ Ы24Л6 С п л а в

Рис. 3. Механические свойства силуминов и медистых силуминов: а - предел прочности при 20

Свойства сплавов типа силумин и медистый силумин приведены на рис. 3. Видно, что прочность сплавов значительно снижается с повышением температуры (рис. 3, а), а жаропрочность (рис. 3, б) для медистых силуминов несколько выше, чем для сплавов системы Al-Si-Mg. Сплавы АЛ5 и АЛ9 приведены для сравнения - это аналоги американских сплавов, разработанных фирмой Alcoa в 1925 и 1937 гг. соответственно.

Очевидно, что указанные в паспортах гарантированные свойства выше для тех сплавов, в составе которых содержится меньше вредных примесей. Например, относительное удлинение сплава АЛ9-1 в 2 раза выше, чем аналогичная характеристика сплава АЛ9 [15]. Однако получить сплав с узкими интервалами содержания легирующих элементов и низким содержанием примесей в производственных условиях сложнее, чем в лабораторных. Таким образом, И.Ф. Колобнев совместно с Е.М. Ноткиным разработали сплав АЛ 10В, при изготовлении которого можно использовать вторсырье. Сплав АЛ 10В внедрен в промышленное производство в 1941 г. - в экономически сложное для страны время. Эта работа получила третью премию МАП (Министерство авиационной промышленности). Другой сплав, при изготовлении которого можно использовать отходы производства, загрязненные железом, - жаропрочный сплав АЛ20 сложной системы Al-Cu-Mg-Si-Fe-Mn-Cr (И.Ф. Колобнев, Д.А. Петров, Г.В. Захарова и др.).

Перспективы развития литейных сплавов

Работы по совершенствованию сплавов не прекращались. Помимо сплавов ВАЛ14 и ВАЛ15 разработаны: жаропрочный сплав ВАЛ18 (система Al-Cu-Ni), технологичный медистый силумин АЛ4МС, коррозионностойкие сплавы ВАЛ 16 и ВАЛ 19 (система Al-Mg), высокопрочные сплавы ВАЛ 12 (система Al-Zn-Mg) и ВАЛ20 (система Al-Cu-Mg).

Е.С. Гончаренко усовершенствовала сплав АЛ4М, добавив в него скандий. Новый сплав получил марку АЛ4МС [16, 17]. В настоящее время этот сплав обладает самым высоким и оптимальным сочетанием механических свойств (предела прочности и относительного удлинения) из существующих медистых силуминов (рис. 4, а). Сплав АЛ4МС - высокопрочный высокотехнологичный материал системы Al-Si-Cu-Mg, обеспечивающий при литье в кокиль Ов_360-400 МПа и 5^4%, не склонный к трещи-нообразованию, работоспособный при температуре 250°С, из которого можно отливать детали любыми способами, в том числе прогрессивными способами литья по газифицируемым и выжигаемым моделям.

Другая группа сплавов - коррозионностойкие (на рис. 4, б представлены сплавы разных составов: АЛ24 системы Al-Zn-Mg; АЛ13, АЛ22 - системы Al-Mg-Si, остальные - системы Al-Mg). Наличие кремния в составе сплавов способствует уменьшению чувствительности к образованию трещин, увеличению жидкотекучести и плотности литья, а также повышению жаропрочности, но вместе с тем - резко снижает их пластичность. Максимальная рабочая температура сплавов системы Al-Mn-Si составляет 150°С. Отличительная особенность сплава АЛ 13 - возможность его использования в литом состоянии (без применения термообработки). Сплав АЛ24 (другие названия -ВАЛ4, В15), разработанный И.Ф. Колобневым, М.Б. Альтманом, О.Б. Лотаревой, благодаря оптимальному содержанию цинка и магния имеет еще более высокую температуру эксплуатации - до 200°С, самую высокую для коррозионностойких сплавов. Остальные сплавы этой группы называются магналиями, рабочая температура которых составляет всего 80°С (для сплавов АЛ8, АЛ23-1, АЛ27-1). Традиционные магналии подвержены естественному старению, которое невозможно зафиксировать, в результате чего резко снижается относительное удлинение этих сплавов [18]. С целью улучшения эксплуатационных характеристик разработаны сплавы ВАЛ16 и ВАЛ19 (содержащий скандий) со стабильными свойствами и температурой эксплуатации 140 и 125°С соответственно. Сплавы ВАЛ 16 и ВАЛ19 также являются свариваемыми: коэффициент ослабления сваркой составляет 0,8-0,95.

гтг МЛа

400

300

200

100

«У

¿.И

гтг МЛа

400

300

200

]00

ал^-г? алымлч еш-и вллал; ллшс-тз

ЦЭЁЛТ.) [19б^т.)

б)

8.

20

Ю

ЛЛБ-Г+

АЛ]Э АЛЗ^-Р" ЙЛ 13-1-И ЛЛН-Т5 АЛ;т.]-Г+ БА11&Т4 ВАШЗ-И

е.. МПа

АЛ1?-та

ВАЛЮ-и ВАЛ14-ТЗ

снеюг.)

ВАЛ12-ТЗ EA.Ui.TJ

ВАЛЕО-ТЗ

Сплав

Рис. 4. Предел прочности

Следующая группа сплавов - высокопрочные. Сплавы данной группы обладают самыми высокими механическими свойствами при комнатной температуре, но не являются жаропрочными (рис. 4, в). В основном это сплавы системы Al-Cu-Mn. Наибольшей прочностью обладает сплав ВАЛ12 системы Al-Zn-Mg-Cu: gb>540 МПа при литье в кокиль, однако вследствие высокой склонности к насыщению водородом его не применяют для литья в песчаные формы.

Среди новых разработок - сплав ВАЛ20 системы Al-Cu-Mg типа твердого раствора - высокопрочный технологичный сплав с оптимальным сочетанием свойств [19, 20], предназначенный для литья в песчаные формы фасонных отливок сложной конфигурации деталей внутреннего набора (корпуса, качалки, кронштейна), работоспособный при температурах 200 (длительно) и 250°С (кратковременно), обладающий следующим

уровнем механических свойств: ов>420 МПа, 5>7,0%, о^ =120 МПа, о^ =100 МПа,

=60 МПа. По сравнению со сплавами-аналогами (В АЛ 10 и ВАЛ 14) сплав ВАЛ20 с

жидкотекучестью 300 мм является более технологичным, а также в его составе не содержится кадмий.

Заключение

Под руководством и при непосредственном участии Ивана Филипповича Колобнева разработано большое количество сплавов, которые вследствие высоких технологических и экономических показателей востребованы в различных отраслях промышленности и в настоящее время. Впоследствии большее развитие получили высокопрочные, технологичные и коррозионностойкие сплавы, меньшее - жаропрочные и сплавы для поршней (АЦР1У, АЛ25, АЛ26, ВАЛ6) в связи с тем, что свойства этих сплавов, достигнутые И.Ф. Колобневым, повысить не удается.

Результаты исследований по повышению жаропрочности алюминиевых сплавов, отраженные в книгах Ивана Филипповича Колобнева, можно использовать и в настоящее время для разработки новых и усовершенствования существующих алюминиевых сплавов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Каблов E.H. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3-33. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33.

2. Каблов E.H. Авиакосмическое материаловедение // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2008. №3. С. 2-14.

3. Каблов E.H. России нужны материалы нового поколения // Редкие земли. 2014. №3. C. 8-13.

4. Гончаренко Е.С., Трапезников A.B., Огородов Д.В. Литейные алюминиевые сплавы (к 100-летию со дня рождения М.Б. Альтмана) //Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2014. №4. Ст. 02. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 25.01. 2016). DOI: 10.18577/2307-6046-2014-0-4-2-2.

5. Корнышева И.С., Волкова Е.Ф., Гончаренко Е.С., Мухина И.Ю. Перспективы применения магниевых и литейных алюминиевых сплавов // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 212-222.

6. Антипов В.В. Стратегия развития титановых, магниевых, бериллиевых и алюминиевых сплавов // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 157-167.

7. Алюминиевые сплавы в авиакосмической технике / под общ. ред. E.H. Каблова М.: Наука, 2001. 192 с.

8. Колобнев И.Ф., Альтман М.Б. Газовая пористость и методы борьбы с ней в алюминиевых отливках. М.: ИТЭИН, 1948. 49 с.

9. Колобнев И.Ф. Фасонное литье алюминиевых сплавов. М.: Машгиз, 1953. 266 с.

10. Лебедев В.М., Мельников A.B., Постников Н.С., Черкасов В.В. Высокоэффективные литейные алюминиевые сплавы // Авиационные материалы на рубеже XX-XXI веков: науч.-техн. сб. М.: ВИАМ, 1994. С. 101-105.

11. Колобнев И.Ф. Литейные алюминиевые сплавы. М.: Оборонгиз, 1961. 112 с.

12. Альтман М.Б. Металлургия литейных алюминиевых сплавов. М.: Металлургия, 1972. 153 с.

13. Колобнев И.Ф. Жаропрочность литейных алюминиевых сплавов. 2-е изд. М.: Металлургия, 1973. 320 с.

14. Колобнев И.Ф. и др. Высокопрочный герметичный сплав В124. М.: ГОСНИНТИ, 1969. 29 с.

15. Альтман М.Б., Стромская Н.П. Повышение свойств стандартных литейных алюминиевых сплавов. М.: Металлургия, 1984. 128 с.

16. Гончаренко Е.С., Корнышева И.С. Перспективы применения отливок из алюминиевых сплавов // Литейное производство. 2012. №1. С. 21-23.

17. Гончаренко Е.С., Корнышева И.С. Отливки из алюминиевых сплавов. Исследования, материалы, технологии // Литейное производство. 2013. №2. С. 2-4.

18. Колобнев И.Ф. Термическая обработка алюминиевых сплавов. 2-е изд. М.: Металлургия, 1966. 396 с.

19. Дуюнова В.А., Гончаренко Е.С., Мухина И.Ю., Уридия З.П., Волкова Е.Ф. Научное наследие академика И.Н. Фридляндера. Современные исследования магниевых и литейных алюминиевых сплавов // Цветные металлы. 2013. №9. С. 71-78.

20. Гончаренко Е.С., Алябьев И.П., Трапезников A.B., Огородов Д.В. Получение отливок из сплава ВАЛ20 путем оптимизации конструкции деталей изделий ОАО «Туполев» // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2014. №8. Ст. 01. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 25.01. 2016). DOI: 10.18577/2307-6046-2014-0-8-1-1.