Экономнолегированные жаропрочные алюминиевые сплавы: принципы оптимизации фазового состава

В результате длительного естественного старения (1 год) в структуре сплава В-1469-Т с содержанием 1,2% (по массе) Li сформированы зоны ГПБ - на кривых ДСК при нагреве 10 К/мин при температуре 122°С наблюдается эндотермический пик (А -см. рис. 1) растворения зон ГПБ.

Показано, что выделение стабильной n-фазы при старении сплава 1913 характеризуется в 2 раза меньшей энергией активации по сравнению с энергией выделения Г1-фазы при старении сплава В-1469.

Для сплавов, не прошедших низкотемпературную стадию старения, очевидно, энергия активации выделений метастабильных и стабильных фаз будет выше, о чем свидетельствует смещение пиков тепловых эффектов на кривых ДСК у свежезакаленных образцов исследованных сплавов В-1469 и 1913 в область более высоких температур.

ЛИТЕРАТУРА

1. Wei F., Zhao Z.K., Liu P.Y., Zhou T.T. Materials Forum. 2004. V. 28. P. 75.

2. Уэндландт У. Термические методы анализа. М.: Мир. 1978. 200 с.

3. Starink M.J., Gregson P.J. //Scr. Metall. Mater. 1995. V. 33. P. 893-900.

4. Истомин-Костровский B.B., Шамрай В.Ф., Грушко O.E., Клочкова Ю.Ю., Рязанцева М.А. //Металлы. 2010. №5. С. 73-78.

5. Lukina E.A., Alekseev A.A., Antipov V.V. and etc. Proc. of the 12th Intern. Conf. on Aluminium Alloys, September 5-9, 2010, Yokohama, Japan //The Japan Institute of Light Metals. 2010. P. 1984-1989.

6. Fang W., Jinshan L., Rui H., Hongchao K. //Chinese Journal of Aeronautics. 2008. V. 21. P. 565-570.

7. Бокштейн С.З. Строение и свойства металлических сплавов. М.: Металлургия. 1971. 224 с.

8. Mukhopadhyay A.K., Tite C.N.J., Flower H.M., Gregson P.J., Sale F. //Journal de Physique. 1987. V. 48. 9. P. 439-446.

УДК 669.018.44:669.717 H.A. Белов

ЭКОНОМНОЛЕГИРОВАННЫЕ ЖАРОПРОЧНЫЕ АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ: ПРИНЦИПЫ ОПТИМИЗАЦИИ ФАЗОВОГО СОСТАВА*

Представлены результаты анализа многокомпонентных фазовых диаграмм применительно к жаропрочным алюминиевым сплавам. На базе этого анализа обоснована принципиальная возможность создания экономнолегированных сплавов для получения деталей, ответственного назначения, работающих при нагревах до 300-350°С. Предлагаются жаропрочные алюминиевые сплавы нового поколения: литейный системы Al-Fe-Mn-Ni-Zr и деформируемый системы Al-Cu-Mn-Zr. Эти сплавы существенно превосходят промышленные сплавы системы Al-Cu по совокупности служебных, технологических и экономических характеристик.

Ключевые слова: алюминиевые сплавы, многокомпонентные фазовые диаграммы, жаропрочность.

Наиболее высокой жаропрочностью среди алюминиевых сплавов обладают сплавы системы Al-Cu: литейные типа АМ5 (ГОСТ 1583-93) и деформируемые типа 1201, Д16, АК4-1 (ГОСТ 4784-97) [1, 2]. Однако их рабочие температуры не превышают

* По материалам доклада на научно-технической конференции «Создание и исследование конструкционных материалов для новой техники», посвященной 100-летию С.З. Бокштейна

250°С, и повысить этот уровень для базовых композиций данных сплавов вряд ли возможно. С другой стороны, известно, что существенно улучшить жаропрочность алюминиевых сплавов можно путем легирования их переходными металлами (ПМ) с повышенной концентрацией [2]. Положительные результаты были достигнуты при использовании различных методов сверхбыстрого затвердевания расплава и последующих операций порошковой металлургии (так называемая RS/PM технология) [3].

С учетом высокой стоимости изделий, получаемых с помощью RS/PM технологий, в МИСиС автором и его коллегами были разработаны принципиально новые литейные и деформируемые жаропрочные алюминиевые сплавы, ориентированные на традиционные литейные технологии и имеющееся оборудование [4-6]. Разработке новых жаропрочных алюминиевых сплавов, предназначенных для получения фасонных отливок, предшествовало создание принципов их легирования на базе анализа многокомпонентных фазовых диаграмм [7-9]. Технологический цикл получения фасонных отливок и деформированных полуфабрикатов из новых сплавов намного короче по сравнению с технологией получения марочных сплавов системы Al-Cu (в частности, отсутствует операция закалки).

В качестве примера рассмотрен сплав АН4Мц2, относящийся к группе никали-нов [4]. Базовая композиция, использованная при разработке этого сплава, впервые указана в патентах РФ №2001145 и №2001147 (публ. 15.10.1993, бюл. №37-38), а научная сущность оптимизации состава и структуры сплава АН4Мц2 отражена в работах [7, 8]. Получение тонкостенных фасонных кокильных отливок из никалина АН4Мц2 в производственных условиях ОАО «ВАСО» и ОАО «Ил» подтвердило их высокие литейные свойства на уровне безмедистых силуминов типа АК7ч. (т. е. гораздо выше, чем у сплавов типа АМ5). Сравнение характеристик сплава АН4Мц2 с марочными сплавами показывает, что в отличие от последних, которые при нагреве свыше 250°С сильно разупрочняются, свойства предлагаемого сплава при комнатной температуре после длительного нагрева до 350°С (включительно) полностью сохраняются. Однако ника-лин АН4Мц2 следует рассматривать скорее в качестве модельной композиции, поскольку в его составе предполагается низкое содержание железа, т. е. для его производства требуется алюминий высокой чистоты.

Для обоснования возможности разработки экономнолегированного жаропрочного никалина был проведен анализ фазового состава системы Al-Ni-Mn-Fe-Si-Zr. Этот анализ показал, что наличие железа и кремния существенно усложняет фазовый состав по сравнению с базовым сплавом АН4Мц2. С другой стороны, установлено, что с уменьшением концентрации никеля с 4 до 2% допустимая концентрация железа, при которой не образуются первичные интерметаллиды и обеспечивается высокая дисперсность эвтектики, увеличивается до ~0,5-0,7% (рис. 1). При этом интервал кристаллизации не превышает 10°С, что позволяет обеспечить высокие литейные свойства. Анализ фазовой диаграммы Al-Ni-Mn-Fe-Si-Zr также показал, что допустимая концентрация кремния должна быть существенно ниже, чем железа. Это связано с тем, что этот элемент значительно расширяет интервал кристаллизации, что увеличивает склонность сплава к образованию горячих трещин при литье (рис. 2).

Оптимизация фазового состава позволила разработать новый жаропрочный литейный никалин АН2ЖМц (заявка на пат. РФ 2010144164 от 29.10.2010), который по совокупности экономичности, технологичности и основных эксплуатационных свойств существенно превосходит наиболее жаропрочные марочные литейные алюминиевые сплавы типа АМ5. Этот сплав имеет доэвтектическую структуру, весьма близкую к распространенным силуминам типа АК7ч. Гетерогенизирующий отжиг приводит к образованию дисперсоидов Al6Mn и Al3Zr, которые обеспечивают удачное сочетание низко- и высокотемпературных механических свойств. Отливки из никалина АН2ЖМц

можно получать на имеющемся оборудовании, при этом их термообработка достаточно проста, так как включает в себя только отжиг. Особенно предпочтительны тонкостенные отливки сложной формы, поскольку в этом случае, с одной стороны, реализуются высокие литейные свойства сплава АН2ЖМц, а с другой - повышенная скорость охлаждения желательна с точки зрения дисперсности эвтектики и полного вхождения циркония в алюминиевый твердый раствор при кристаллизации.

Ре, %

2,52,01,5-

^е

^^е, Мп)

10 мкм

Al №, %

Рис . 1. Проекция ликвидус диаграммы Al-Ni-Mп-Fe при 1%Mn и микроструктура сплава Л!-4%М- 1%Mn-0,5%Fe

610-

590-

570-

550

Ь^-(Д1)+ Al9

Ь^-(Д1)+ Al9+Al3Ni

L^

0,2

0,4

0,6

0,

1,0

Qs, %

1 мкм

Рис. 2. Влияние примеси кремния на неравновесную кристаллизацию (а), горячеломкость (б) и микроструктуру (в) никалина АН2ЖМц

Деформируемые сплавы должны обладать высокой технологичностью при обработке давлением, при этом желательно исключить операцию гомогенизации слитков. Для того чтобы добиться сочетания высокой технологичности и необходимых требований к эксплуатационным свойствам, автором и его коллегами предложена принципи-

ально новая группа жаропрочных алюминиевых сплавов (далее АЛТЭК), которые предназначены для получения различных деформированных полуфабрикатов (листы, прутки, профили, панели, трубы, штамповки, поковки) [6]. Базовой системой для этих сплавов является система А1-Си-Мп-Гг при содержании легирующих компонентов не более 5% (по массе) и обычных требованиях по примесям (в том числе по железу). По значению исходных механических свойств предлагаемые сплавы находятся приблизительно на одном уровне с известными жаропрочными сплавами типа 1201 (ав=350-450 МПа). Особенностью предлагаемых сплавов является то, что технологический цикл получения деформированных полуфабрикатов существенно короче. В частности, отсутствуют операции гомогенизации (слитков) и закалки (полуфабрикатов).

Анализ фазовой диаграммы А1-Си-Мп (рис. 3) показал, что оптимальная структура может быть достигнута в области концентраций 1-3% Си и 1-2% Мп. При таких концентрациях количество эвтектических включений (в том числе А12Си) в литом состоянии минимально. Это означает, что практически все количество меди и марганца находится в алюминиевом твердом растворе. Такая почти однофазная структура, реализуемая в литых слитках сплава АЛТЭК, обеспечивает высокую пластичность (в том числе при холодной деформации). В процессе отжига холоднокатаных листов образуются дисперсоиды А120Си2Мп3 (их типичный размер в пределах 100-500 нм), которые существенно затрудняют рекристаллизацию и в значительной мере сохраняют деформационное упрочнение. С другой стороны, анализ фазовой диаграммы А1-Гг (в том числе применительно к неравновесным условиям) показал, что добавка циркония в количестве 0,4-0,6% позволяет повысить прочность вследствие образования дисперсои-дов А13Гг, которые также формируются при отжиге листов, но обладают существенно меньшими размерами (<10 нм). Таким образом, технология получения полуфабрикатов упрощается до предела: литье слитков, деформация (в том числе без предварительного нагрева), отжиг полуфабрикатов при 300-450°С. При этом отжиг обеспечивает не только оптимальное сочетание механических свойств, но и стабилизирует структуру (т. е. при нагревах ниже температуры отжига структура, а, следовательно, и механические свойства не меняются).

а) б)

Mn, % T, °C

Рис. 3. Изотермическое при 540°С

Производство новых сплавов взамен марочных сплавов типа 1201 не потребует специального оборудования. Для получения слитков и деформируемых полуфабрикатов можно будет использовать имеющееся оборудование.

Промышленное использование предлагаемых сплавов может принести следующие преимущества:

- повышение производительности за счет сокращения технологического цикла получения деформированного полуфабриката;

- освобождение площадей от неиспользуемого оборудования (в частности, закалочных печей и закалочных емкостей);

- сокращение числа рабочих (в частности, занятых в процессе термообработки, а также в обслуживании печей);

- уменьшение потребления электроэнергии за счет сокращения продолжительности термообработки и снижения температуры;

- уменьшение объема вредных выбросов за счет сокращения продолжительности работы печей;

- сокращение брака (в частности, коробления деформируемых полуфабрикатов), возникающего при закалке, вследствие устранения в технологическом цикле данной операции;

- возможность повышения рабочих температур для изделий.

Проект, основанный на данной разработке, победил в 2008 г. в Международном конкурсе инноваций «Применение алюминия в транспорте», организованном OK «Русал» и Международным институтом алюминия (IAI). В 2009 г. работа по разработке сплава АЛТЭК (пат. РФ 2287600, публ. 20.11.2006, бюл. №32) награждена дипломом лауреата выставки «Металл-Экспо» в 2009 г. В настоящее время прорабатывается проект по использованию этого сплава в нефтяной промышленности для изготовления ступеней погружного насоса, которые изготовляют в основном из специального никельсодержаще-го чугуна - нирезиста.

Таким образом, на базе анализа многокомпонентных фазовых диаграмм (применительно к жаропрочным алюминиевым сплавам) обоснована принципиальная возможность создания экономнолегированных сплавов для получения деталей ответственного назначения, работающих при нагревах до 300-350°С. Предложены жаропрочные алюминиевые сплавы нового поколения: литейный никалин АН2ЖМц системы Al-Ni-Mn-Fe-Zr и деформируемый сплав АЛТЭК системы Al-Cu-Mn-Zr. Эти сплавы существенно превосходят промышленные сплавы системы Al-Cu (типа АМ5 и 1201) по совокупности служебных, технологических и экономических характеристик.

ЛИТЕРАТУРА

1. Промышленные алюминиевые сплавы: Справ. изд. /С.Г. Алиева, М.Б. Альтман и др.- М.: Металлургия. 1984. 528 с.

2. Колобнев И.Ф. Жаропрочность литейных алюминиевых сплавов.- М. Металлургия. 1973. 320 с.

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

4. Белов H.A., Золоторевский B.C. Литейные сплавы на основе алюминиевоникеле-вой эвтектики (никалины) как возможная альтернатива силуминам //Цветные металлы. 2003. №2. С. 99-105.

5. Белов H.A., Алабин А.Н. Перспективные алюминиевые сплавы с добавками циркония и скандия //Цветные металлы. 2007. №2. С. 99-106.

6. Белов Н.А., Алабин А.Н. Перспективные алюминиевые сплавы с повышенной жаропрочностью для арматуростроения как возможная альтернатива сталям и чугу-нам //Арматуростроение. 2010. №2. С. 50-54.

7. Belov N.A. Principles of Optimising the Structure of Creep Resisting Casting Aluminium Alloys Using Transition Metals //Journal of Advanced Materials. 1994. 1 (4). P. 321-329.

8. Белов H.А. Использование многокомпонентных диаграмм состояния для оптимизации структуры и состава высокопрочных литейных алюминиевых сплавов //Изв. вузов. Цветная металлургия. 1995. №1. С. 48-57.

9. Belov N.A., Alabin A.N., Eskin D.G., Istomin-Kastrovskiy V.V. Optimization of Hardening of Al-Zr-Sc Casting Alloys //Journal of Material Science. 2006. V. 41. P. 5890-5899.

УДК 669.018.44:669.24

И.А. Тренинков, A.A. Алексеев, Д.В. Зайцев, Е.В. Филонова

ИССЛЕДОВАНИЯ ФАЗОВЫХ И СТРУКТУРНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ, А ТАКЖЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ПРОЦЕССЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПОЛЗУЧЕСТИ В СПЛАВЕ ВЖМ4*

Проведен системный анализ строения узлов обратного пространства кристаллической решетки. Определены кристаллографические плоскости (244) и (133), имеющие минимальные искажения, обусловленные остаточными напряжениями. Показано, что для определения периодов решеток у- и у'-фаз целесообразно использовать эти плоскости. Исследован характер изменения структуры в процессе высокотемпературной ползучести сплава ВЖМ4. Показано, что начиная с выдержки 200 ч в у-фазе формируется объемная дислокационная структура. При выдержках 400 и 500 ч она заполняет все пространство у-фазы. В образцах после испытаний на высокотемпературную ползучесть выявлена дислокационная структура в у'-фазе. При высокотемпературной ползучести выявлен процесс дополнительного распада, в результате которого выделяются нано-размерные ТПУ фазы. Определены остаточные напряжения в у- и у'-фазах.

Ключевые слова: жаропрочный никелевый сплав, у- и у'-фазы, ползучесть, монокристалл, рентгеновская дифракция, рафт, ПЭМ, РЭМ, напряжение.

Современные никелевые суперсплавы представляют собой твердые растворы на основе никеля с ГЦК неупорядоченной структурой: у-фаза (матрица), упрочненная выделениями у'-фазы, являющейся легированным твердым раствором на основе интерме-таллида Ni3Al с упорядоченной ГЦК кристаллической структурой (L12) [1]. В настоящее время наиболее перспективными являются литые монокристаллические жаропрочные никелевые сплавы, легированные рением и рутением (в частности ВЖМ4) так как они позволяют повысить уровень рабочих температур и ресурс деталей [2].

Системный анализ

После полной термической обработки структура сплава ВЖМ4 представляет собой кубоидные частицы у'-фазы, обрамленные прослойками у-фазы. Для лучшего понимания дифракционной картины рентгеновских лучей проведен системный анализ

* По материалам доклада иа научно-технической конференции «Создание и исследование конструкционных материалов для новой техники», посвященной 100-летию С.З. Бокштейна