Наследование свойств литой структуры быстрозакристаллизованных алюминиевых сплавов деформированными полуфабрикатами

УДК 669.715:621.74:621.777

НАСЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ЛИТОЙ СТРУКТУРЫ БЫСТРОЗАКРИСТАЛЛИЗОВАННЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ДЕФОРМИРОВАННЫМИ ПОЛУФАБРИКАТАМИ

В.Ю. Конкевич, докт. техн. наук, Т.И. Лебедева, канд. техн. наук

Рассмотрены проблемы реализации в деформированных полуфабрикатах из быстрозакристаллизованных алюминиевых сплавов уникальных свойств и возможности деформирования разнородных смесей гранул с добавками пластичной составляющей, а также оптимизации распределения деформаций в условиях всестороннего сжатия, что способствует сохранению наноструктурного зеренного состояния.

Ключевые слова: алюминий, гранулы, наноструктура, быстрая кристаллизация, деформирование, гидропрессование, разнородная смесь.

Inheritance of Cast Structure Properties of Rapidly Solidified Aluminium Alloys by Wrought Semiproducts. V.Yu. Konkevich, T.I. Lebedeva, A.S. Kirilyanchik, M.L. Pervov.

Problems of realization of unique properties in deformed rapidly solidified aluminium alloy semiproducts are discussed. Feasibility of deformation of dissimilar powder mixtures with addition of a plastic constituent and also optimization of deformation distribution under omnidirectional compression conditions, that promotes retention of the nanostructural grained state is shown.

Key words: aluminium, powder, nanostructure, rapid solidification, deformation, hydroextrusion, dissimilar mixture.

Введение

Во второй половине 20 века в мировой науке проявлялся большой интерес к сплавам, получаемым методами быстрой кристаллизации. Поскольку именно в алюминиевых сплавах особенно ярко проявляется влияние высоких скоростей охлаждения при кристаллизации на структуру и свойства, то в ВИЛСе были развернуты работы по разработке и организации производства полуфабрикатов из гранулируемых алюминиевых сплавов, которые возглавил Владимир Иванович До-баткин. Сначала в литейном цехе ВИЛСа был создан пилотный участок, а затем на КраМЗе - цех по производству заготовок из гранулируемых алюминиевых сплавов. При этом гранулы изготавливали методом центробежного литья в воду со скоростью охлаждения при кристаллизации от 103 до 104 К/с.

Создание такого производства стало результатом проведения комплекса работ в ВИЛСе совместно с различными научными и учебными центрами Советского Союза (ВИАМ, ЦНИИМВ, «Прометей», МАТИ, КИЦМ, МИСиС и др.) по разработке составов гранулируемых алюминиевых сплавов и технологии изготовления полуфабрикатов из них.

Металловедческой основой производства гранулируемых алюминиевых сплавов явились принципы легирования алюминиевых сплавов переходными металлами, предложенные В.И. Елагиным [1], а разработка опытно-промышленных технологий производства полуфабрикатов, создание производственных мощностей осуществлялось под руководством В.И. Добаткина. Необходимо отметить также большой вклад В.М. Фёдорова в определении ряда составов гранулируемых

сплавов и исследовании технологии их производства [2].

Гранулируемые сплавы, полученные со скоростью охлаждения при кристаллизации 103-104 К/с

Получение высоких прочностных свойств, жаропрочности, специальных физических свойств и т.п. деформированных полуфабрикатов из гранулируемых алюминиевых сплавов возможно, если они унаследуют в той или иной степени структурные преимущества, которые достигнуты за счет быстрой скорости охлаждения при кристаллизации гранул.

Химический состав гранулируемых алюминиевых сплавов с высоким содержанием переходных металлов разрабатывался исходя из того, чтобы в результате быстрой скорости охлаждения при кристаллизации формировался аномально пересыщенный твердый раствор переходных металлов в алюминии (при легировании так называемыми растворимыми переходными металлами Сг, 7г, И, V) либо образовывались упрочняющие дисперсные эвтектические и первичные фазы переходных (Ре, Ы1, Со) или редкоземельных металлов. При легировании растворимыми переходными металлами упрочнение достигается за счет выделения при распаде аномально пересыщенного твердого раствора дисперсных упрочняющих фаз (Д!37г, А17Сг и т.д.).

Таким образом, для сплавов, легированных растворимыми переходными металлами, выбор термических и деформационных параметров изготовления полуфабрикатов определялся по условию, чтобы в процессе дегазации, компактирования и прессования обеспечивалась близкая к оптимальной степень распада аномально пересыщенного твердого раствора, при которой достигается его максимальное упрочнение, а в сплавах, легированных нерастворимыми переходными и редкоземельными металлами, в минимальной степени происходила коагуляция эвтектических и первичных фаз.

На рис. 1 показано изменение твердости гранул обоих групп сплавов в зависимости от температуры нагрева. Анализ представленных данных показывает, что если для сплавов, легированных нерастворимыми метал-

лами, термические и деформирующие воздействия ведут к снижению упрочнения, то для сплавов, легированных растворимыми переходными металлами, изменение твердости происходит по кривой с максимумом. Таким образом, выбор рациональных термических и деформационных параметров может обеспечить значительное упрочнение структуры деформированных полуфабрикатов по сравнению с литым состоянием.

1 У ✓ У N V2 ь Ч

г ч X \

О 100 200 300 400 500 7", °С

Рис. 1. Изменение твердости гранул после 10-часового нагрева при различных температурах:

1 - сплав Al-6Fe-2Ni

Исходя из этого большинство конструкционных гранулируемых алюминиевых сплавов, которые производились и производятся в нашей стране, легировали растворимыми переходными металлами, например, сплавы 1419 системы Al-Cr-Zr и 1419У системы Al-Mn-Cr-Zr-Ti-V, разработанные совместно ВИЛСом и ВИАМом

Для того, чтобы обеспечить близкую к оптимальной степень распада аномально пересыщенного твердого раствора, дисперсность (не более ~500 нм) упрочняющих фаз и соответственно высокие механические свойства, температура и время нагрева гранул при дегазации, компактировании, прессовании строго контролируются.

Поскольку технологические параметры производства определяют уровни механических свойств и производительности, то вопросам деформирования гранул посвящен целый ряд работ таких известных специалистов, как А.И. Колпашников, А.В. Ефремов, Ю.А. Горбунов, В.Л. Бережной, А.В. Шепельс-кий, РД. Щербель и многих других.

Уровни легирования переходными металлами сплавов типа 1419, 1949, 1959, 1969,

1979, 1209, 1579 и др. были выбраны исходя из условий кристаллизации гранул со скоростью охлаждения от 103 до 104 К/с. Как показали исследования кинетики распада твердого раствора, изменения структуры от степени деформации и др., при производстве деформированных полуфабрикатов из гранул этих сплавов можно применять технологические схемы и параметры деформирования, близкие к тем, которые используют при горячей деформации традиционных алюминиевых сплавов аналогичного химического состава, хотя для обеспечения межгранульного схватывания предпочтительно интенсифицировать сдвиговые деформации [3, 4].

Проведенный комплекс исследований позволил организовать промышленное производство деформированных (прессованных, катаных) полуфабрикатов из гранулируемых алюминиевых сплавов, обладающих уровнем физико-механических свойств, значительно превышающим уровень служебных характеристик сплавов, получаемых по традиционной технологии. Так, например, сплав 1419 может длительно эксплуатироваться при температуре до 400 °С, прочность листов из этого сплава после пайки на 200-250 % превышает прочность сплава АМц.

Промышленное производство горячепрес-сованных прутков из сплава 1379, которые используют для изготовления поршней, получило высокую оценку и награждено медалью Форума «Высокие технологии ХХ1 века». Изготовление поршней из сплава 1379 (рис. 2) позволило организовать в АК «Туламашза-

Рис. 2. Поршни из гранулируемого алюминиевого сплава 1379п

вод» выпуск современного высокоэффективного дизельного двигателя оригинальной российской конструкции.

Что касается сплавов, легированных нерастворимыми компонентами, то в качестве примера можно привести освоение опытно-промышленного производства проволоки для бортпроводов из сплава 1417 системы Al-РЗМ [2]. Изготовление проволоки требует очень высокой степени деформации, но эвтектические фазы стабильны, и в результате в готовой проволоке сохраняется структура твердого раствора с дисперсными эвтектическими фазами, проволока обладает требуемой прочностью в сочетании с высокой пластичностью и необходимой электропроводимостью.

Необходимо отметить, что для ряда конструкционных высокопрочных сплавов используется принцип комплексного легирования переходными металлами, т.е. сплавы легируют как растворимыми, так и нерастворимыми металлами. Каждый тип металлов по-своему влияет на упрочнение, кинетику и эффект старения твердого раствора растворимых (Zn, Mg, Cu) легирующих компонентов, прокали-ваемость и т.п. Рациональное сочетание легирующих переходных металлов позволяет обеспечить уникальные показатели механической прочности и коррозионной стойкости полуфабрикатов из высокопрочных сплавов и делает их порой незаменимыми при производстве силовых конструкций, работающих в тяжелых условиях эксплуатации со знакопеременными нагрузками, с коррозионным воздействием. Например, профили из гранулируемого сплава 1959 обладают значительно более высокими характеристиками конструктивной прочности по сравнению со сплавом типа В96 и используются в авиационных конструкциях.

Гранулируемые сплавы, полученные со скоростью охлаждения при кристаллизации 105-107 К/с

Увеличение скоростей охлаждения требует нового подхода к технологии переработки быстрозакристаллизованных частиц.

Сплавы системы Al-Fe можно, пожалуй, отнести к наиболее изученным и изучаемым

при исследовании влияния высоких скоростей охлаждения на структуру алюминиевых сплавов. На этих сплавах особенно ярко видны эффекты быстрой кристаллизации: с увеличением скорости охлаждения при кристаллизации происходит измельчение первичных интерметаллидных фаз, изменение их морфологии (рис. 3) [5]. Исследования влияния высоких и сверхвысоких* (105-107 К/с) скоростей охлаждения при кристаллизации на структуру и свойства частиц из алюминиевых сплавов, проведенные в 80- 90-х годах в МАТИ под руководством Б.С. Митина, в ВИЛСе под руководством В.И. Добаткина и В.И. Елагина, а также за рубежом, показали, что эти структурные изменения протекают

Рис. 3. Изменение размера и морфологии фазы Л13Ре с увеличением скорости охлаждения при кристаллизации

* Термины условные.

«линейно» до некоторого предела. При достижении критических условий охлаждения при кристаллизации происходит скачкообразное изменение структуры и твердости сплава -формирование так называемой структуры типа А, обладающей чрезвычайно высокой твердостью (И^>3000 МПа). При исследовании в обычном световом микроскопе последняя выглядит как однородный белый фон. Это даже вызвало у многих ученых ошибочное представление о том, что причиной образования такой структуры явился скачок растворимости железа в твердом растворе на основе алюминия. Однако исследования параметра кристаллической решетки не подтвердили факта растворения большого (8 % мас.) количества железа в твердом растворе. Исследования, проведенные с помощью просвечивающего электронного микроскопа, показали, что структура типа А представляет собой ячейки твердого раствора размером 50-100 нм, по границам которых располагается эвтектика (а+А!6Ре) с толщиной прослоек эвтектических фаз около 5-10 нм (рис. 4). Характерной особенностью структуры типа А является то, что при определенном термическом и деформационном воздействии происходит ее «катастрофическая деградация», выражающаяся в резком снижении твердости. Проведенные в работе [6] исследования поведения структуры типа А при нагревах показали, что высокая твердость частиц сохраняется до тех пор, пока сохраня-

Рис. 4. Наноструктура сверхбыстрозакристаллизованных частиц сплава типа Л1-8Ре

ется ячеистый характер структуры. Как только ячейки разрушились, происходит резкое падение твердости. На рис. 5 представлены

А1 5,9 % мае. Ре 6,2 % мае. 1\Н

2400

0 2200

н

1 я 2000 о Е

1800 л г- 1боо

о

1400

s

CD т

1200

о

800 600

0 100 200 300 400 500 600 700 Температура выдержки, °С

Рис. 5. Изменение твердости быстрозакристал-лизованных частиц сплава системы Al-Fe-Ni в зависимости от температуры нагрева [7]

данные лаборатории ВВС США [7] по изучению характера изменения твердости структуры типа А, которые аналогичны нашим данным. Такой характер изменения твердости дает основание говорить о «каркасном» механизме упрочнения структуры типа А (рис. 6).

Отжиг 1 ч

-( AJL

-

- V)

/RY ГРУбая

i i i i i i

Рис. 6. Схема изменения наноструктуры (структура типа А) в результате термического и деформационного воздействий [2]:

а - ячейки а-твердого раствора размером ~100 нм, окаймленные эвтектикой а+Д!6Ре; б - ячейки а-твердого раствора, окаймленные эвтектикой а+Д!3Ре, каркасное строение сохранилось, твердость снизилась не более чем на 10 %; в - разрушение каркасного строения, падение твердости на 60-80 %

Аналогичный механизм упрочнения был замечен при изучении материала САП. Компактная заготовка из САПа отличается очень высокой жаропрочностью, так как окись алюминия на поверхности алюминиевой пудры

формирует как бы каркас. При горячей деформации брикета этот каркас разрушается и жаропрочность прессованного полуфабриката резко снижается [8]. (Рассматривая процесс сверхбыстрой кристаллизации сплава с точки зрения постулатов синергетики [9], можно говорить о том, что при достижении определенных, критических значений скорости теплового обмена происходит самоорганизация структуры, приводящая к формированию каркаса).

Таким образом, реализация высокой твердости в готовом изделии становится возможной только в том случае, если при технологическом переделе, которому подвергаются быстрозакристаллизованные частицы, удастся сохранить наноструктурный каркас.

Проведенные эксперименты показали [10], что при обычной технологии прямого прессования в очаге деформации вследствие мощного энергетического воздействия происходит интенсивная коагуляция упрочняющих фаз, что приводит к очень низкому уровню механических свойств прессованных полуфабрикатов (временное сопротивление разрыву при статическом растяжении для сплавов Д!-8 % Ре составляет 200-300 МПа). Прямое прессование через плоскую матрицу с использованием в качестве «твердой смазки» алюминиевой шайбы приводит к существенному снижению усилия прессования, но проработка структуры очень неравномерная, в центральной зоне вследствие некачественной сварки частиц между собой возникают рыхлоты.

По нашему мнению, перспективным способом сохранения всех преимуществ наноструктуры литых частиц в прессованных полуфабрикатах может оказаться горячее гидродинамическое выдавливание (рис. 7, а).

По основным положениям теории течения разработана математическая модель процесса горячего гидродинамического прессования гранул, позволяющая установить связь между условиями процесса (скоростью деформирования, вытяжкой, профилем матричной воронки, реологическими свойствами смазки и механическими свойствами обрабатываемого материала, температурой нагрева заготовки и инструмента) с показателя-

б

Рис. 7. Деформированная координатная сетка:

а - горячее гидродинамическое выдавливание; б- прямое прессование

ми напряженного, деформированного и скоростного состояния материала в пластической зоне (рис. 8).

В результате удалось установить, что для получения максимальных и изотропных механических свойств прутковых полуфабрикатов из гранулированных материалов методом выдавливания необходимо выполнить следующие условия [10]:

- накопленная деформация на начальной стадии выдавливания должна превышать критическую для разрушения оксидной пленки на гранулах (быстрозакристаллизованных частицах);

- накопленная деформация в пластической зоне не должна превышать критическую с целью сохранения наноструктуры деформируемых частиц.

Оптимизация процесса прессования гранулированных полуфабрикатов достигается определением технологических параметров, обеспечивающих, с одной стороны, схватывание гранул между собой, а с другой - сохра-

нение наноструктурного состояния. Поэтому для снижения накопленной деформации очень важным является состояние поверхностной оксидной пленки частиц.

Существует целый ряд способов достижения сверхвысоких скоростей охлаждения при кристаллизации [11]. На рис. 9 показаны частицы, полученные разными методами, при этом скорость охлаждения при кристаллизации ~106 К/с достигается любым из этих методов. Проведенные исследования показали, что наименьшую степень окисленности, то есть наименьшую толщину поверхностной оксидной пленки имеют ленточки, полученные методом спинингования. Наиболее окислены иголки, полученные экстракцией из расплава.

Эксперименты показали, что горячее гидродинамическое выдавливание с определенным уровнем вытяжки при деформировании сверхбыстрозакристаллизованных ленточек толщиной от 20 до 40 мкм, в общем объеме которых доля наноструктуры типа А составляла около 50 %, позволило получить на прутках из сплава системы Д!-Ре-Сг-7г-Мо уровень временного сопротивления разрушению при статическом растяжении около 800 МПа.

На наш взгляд, также перспективно изготовление деформированных полуфабрикатов из гранул с наноструктурными частицами с использованием технологии деформирования смесей разнородных гранул, которая заключается в том, что к высоколегированным, труднодеформируемым гранулам сплава-основы добавляют гранулы малолегированного пластичного сплава-наполнителя [12]. При прессовании пруткового полуфабриката образуется структура каркасного типа: гранулы высоколегированного сплава обволакиваются пластичным материалом гранул наполнителя (рис. 10). Таким образом, происходит повышение пластических свойств сформированного композиционного материала по сравнению с пластическими свойствами наноструктурного сплава, что можно объяснить следующими причинами:

- преимущественной деформацией в слоях пластичного наполнителя;

- более «мягкой» схемой деформации основы за счет образованной гранулами

Рис. 8. Алгоритм программы процесса горячего гидродинамического выдавливания быстрозакристаллизованных частиц

Рис. 9. Быстрозакристаллизованные частицы, полученные различными методами:

а - иголки

Рис. 10. Макроструктура прессованной полосы композиционного материала 65 % ВПр 19+35 % АД0

наполнителя «подушки» каркаса, приближая ее к всестороннему неравномерному сжатию.

При использовании в качестве основы быстрозакристаллизованных частиц наност-руктурного сплава указанная схема создает

предпосылки в значительной степени снизить энергетическое воздействие на них при прессовании и получить в итоге наноструктурные деформированные полуфабрикаты.

Для анализа условий формирования каркасной структуры на стадии брикетирования был проведен расчет деформаций и напряжений с использованием конечно-элементного анализа ДЫБУБ. Сопротивление деформации компонентов композиционного материала задавали исходя из значения показателя Н, характеризующего неравномерность деформации гранул. Показатель Н определяли как отношение сопротивления деформации основы к сопротивлению деформации наполнителя [12].

Модель (рис. 11) позволила оценить влияние показателя неравномерности деформации Н [12] на распределение деформаций между гранулами. Установлено, что для более равномерного распределения наполнителя вокруг гранул высоколегированной основы и формирования каркасной структуры деформированного полуфабриката необходимо иметь

талл-наполнитель образует в готовом полуфабрикате из композиционного материала тонкую сетку-каркас. Последний увеличивает трещиностойкость материала, усталостные и ударные характеристики, позволяет получать высокопрочные композиционные материалы с уникальным сочетанием прочности и пластичности.

Рис. 11. Модель брикета (а) и прессованной полосы (б) из разнородных гранул:

деформация гранул высоколегированного труднодеформируемого сплава (черные) под действием всестороннего сжатия пластичными гранулами сплава-наполнителя.

Н больше 1,2 и меньше 3. При значениях Н больше 3 деформация развивается в основном за счет гранул пластичного сплава-наполнителя, который затекает в зазоры между гранулами основы, заполняя пространство между ними, при этом гранулы металла-основы деформируются незначительно. При Н меньше 1 деформация протекает за счет гранул основы и каркасная структура не образуется, гранулы наполнителя не деформируются и остаются отдельными включениями, расположенными равномерно по сечению брикета.

Для получения каркасного строения и повышения пластичности необходимо, чтобы количество пластичных гранул сплава-наполнителя было не менее 10 % об. При таком содержании пластичной составляющей ме-

Заключение

Таким образом, для получения нанострук-турных деформированных полуфабрикатов с уровнем физико-механических свойств, значительно превосходящих свойства полуфабрикатов из традиционных алюминиевых сплавов, необходимо:

- обеспечить высокую устойчивость литой наноструктуры;

- обеспечить минимальную окисленность поверхности быстрозакристаллизованных наночастиц;

- использовать такую схему и такие режимы горячей деформации, при которых термическое и деформационное воздействия обеспечат схватывание гранул, но не приведут к деградации наноструктуры.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Елагин В.И. Легирование деформируемых алюминиевых сплавов переходными металлами. - М.: Металлургия, 1975. - 248 с.

2. Добаткин В.И., Елагин В.И., Федоров В.М. Быстрозакристаллизованные алюминиевые сплавы. - М.: ВИЛС, 1995. - 341 с.

3. Петров А.П., Федоров А.А., Еремеев В.В., Беспалов С.А. Влияние конструкции прессового инструмента на интенсивность сдвиговых деформаций при прессовании профилей прямоугольного сечения из быстрозакристаллизованных алюминиевых сплавов//Технология

машиностроения. 2009. № 11.

4. Бережной В.Л. и др. Новые процессы брикетирования и прессования с интенсификацией механизмов деформирования гранул и порошков/В кн.: Перспективные технологии легких и специальных сплавов. - М.: Физматлит, 2006. C. 117-133.

5. Елагин В.И., Федоров В.М., Лебедева Т.И. Исследование сплавов системы Al-Fe, полученных при высоких скоростях охлаждения при кристаллизации//Металлургия гранул. - М.: ВИЛС, 1988. Вып. 4. C. 184-193.

6. Бондарев Б.И., Лебедева Т.И., Конкевич В .Ю., Шмаков Ю.В. Механизм упрочнения сверхбыстрозакристаллизованных сплавов на основе системы алюминий-железо//Метал-лы. ДАН. 1993. № 2.

7. US Air Force Studies PM Aluminium Alloys. - MPR, 1983. October. P. 581.

8. Саттон У., Чорне Дж. Перспективы металлов, армированных волокнами окислов/волокни-

стые композиционные материалы/Под ред. Бокштейна С.З. - М.: Мир, 1967. - 284 с.

9. Редчиц А.В., Конкевич В.Ю., Лебедева Т.И., Редчиц В.В. Самоорганизация структуры при быстрой кристаллизации алюминиевых сплавов с высоким содержанием переходных материалов в процессе сварки и лазерной обработки/сварочное производство. 2001. № 4. С. 7-10.

10. Кирилянчик А.С., Конкевич В.Ю. Проблемы получения деформируемых полуфабрикатов из наноструктурных частиц быстрозакристаллизо-ванных алюминиевых сплавов//Технология машиностроения. 2001. № 4.

11. Бондарев Б.И., Шмаков Ю.В. Технология производства быстрозакристаллизованных алюминиевых сплавов. - М.: ВИЛС, 1997. - 231 с.

12. Первов М.Л., Конкевич В.Ю. Пути повышения пластичности эвтектических сплавов алюми-ния//Кузнечно-штамповочное производство. 2006. № 8. С. 31-33.