Исследование влияния аэротермоакустической обработки на механические свойства деформируемых алюминиевых сплавов

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

УДК [532.525/2: 534 + 621.78.066]

Исследование влияния аэротермоакустической обработки на механические свойства деформируемых алюминиевых сплавов

Г. А. Воробьева, Е. Е. Складнова

Рассмотрено применение аэротермоакустической обработки для повышения механических свойств алюминиевых сплавов. Проанализированы изменения технологии, обеспечивающие максимальное упрочнение сплава Д1 после термической и аэротермоакустической обработки.

Ключевые слова: алюминиевые сплавы, механические свойства, удельная прочность, аэротермоакусти ческая обработка, термическая обработка.

Введение

Способом повышения удельной прочности сплавов и снижения массы конструкции наряду с уменьшением плотности материалов является повышение их прочности. Высокопрочные алюминиевые сплавы — значимые конструкционные материалы современной и перспективной авиационной техники. В сплавах этой группы кроме высокой прочности требуется обеспечить повышенные характеристики пластичности, вязкости разрушения, трещиностойкости и коррозионной стойкости. Требования повышения пластичности и вязкости разрушения могут быть обеспечены как за счет жесткого ограничения в сплавах примесей железа и кремния, применения сплавов повышенной и особой чистоты, так и путем использования режимов специальной термической обработки, при этом необходимо сохранение высокой технологичности сплавов. Из конструкционных сплавов на основе системы А1 - Си - М§ - Мп в авиационной промышленности изготавливаются практически все виды полуфабрикатов [1]. Исследования влияния аэротермоакустической обработки (АТАО) на свойства сталей и сплавов, проведенные авторами, показали возможности повышения механических свойств конструкционных сталей и инструментальных материалов при использовании

этой обработки [2, 3]. Интерес представляло и изучение влияния АТАО на механические свойства алюминиевых сплавов.

Материалы и методика исследования

Влияние АТАО исследовали на сплаве Д1. Аэротермоакустическая обработка материалов относится к числу комбинированных способов воздействия на материалы. При ее проведении осуществляется воздействие температурных и акустических полей в целях формирования свойств материалов в желаемом направлении как во всем объеме (глубина упрочненного слоя определяется прокаливаемостью сплава при реализации АТАО в процессе закалки), так и в поверхностном слое, в том числе благодаря образованию поверхностных оксидных структур или применению АТАО после одного из видов химико-термической либо других видов поверхностной упрочняющей обработки.

АТАО как упрочняющая обработка представляет собой организованную определенным образом термообработку в мощном акустическом поле звукового диапазона частот при одновременном воздействии потока газа в диапазоне скоростей от десятка до сотен метров в секунду. При этом охлаждение металла может проводиться до отрицательных темпера-

5 4

Схема газоструйного генератора звука:

1 — заготовка; 2 — резонатор; 3 — клин; 4 — ресивер; 5 — штуцер; 6 — сопловой блок

тур в расширяющемся потоке газа, т. е. дополнительно реализуется криогенная обработка.

Специальное технологическое оборудование для АТАО включает газоструйный генератор звука (ГГЗ), в резонаторе которого происходит охлаждение деталей (рисунок) [2].

Основными операциями в технологии АТАО являются нагрев деталей (заготовок) до определенных температур и последующее охлаждение, включая криогенное воздействие, в мощном акустическом поле звукового диапазона дискретных частот с уровнем звукового давления 150-170 дБ в потоке газа [2, 3].

В промышленных условиях возможны следующие варианты технологических процессов, использующих операции стандартной термообработки (СТО) и АТАО:

• нагрев для закалки с последующим охлаждением в акустическом поле и стандартным отпуском (старением);

• стандартная закалка, нагрев для отпуска (старения) с последующим охлаждением в акустическом поле;

• полная СТО, дополнительный нагрев с последующим охлаждением в акустическом поле.

Управление параметрами аэротермоакусти-ческого воздействия (температуры, скорости

охлаждения, скорости потока газа, амплитудно-частотных характеристик) осуществляется за счет варьирования геометрических характеристик установок, параметров рабочего газа (воздух, азот и др.), времени термоакустического воздействия, введения дополнительных охлаждающих сред (впрыск жидкости) и т. д. Экспериментальные оценки эффективности охлаждения сред, используемых при АТАО, показали, что они могут варьироваться в пределах от скорости, аналогичной скорости охлаждения в техническом масле (температура масла 20 °С), до скорости охлаждения в потоке воздуха. Эффективность охлаждения возрастает при использовании водовоздуш-ных смесей.

Аэротермоакустическая обработка материалов может быть использована для уменьшения (устранения) химической неоднородности литых сплавов, как при проведении объемного упрочнения, так и для формирования свойств в поверхностном слое материалов.

Исследование проводилось на плоских образцах на статическое растяжение, изготовленных из листового сплава Д1 (толщина листа 4 мм).

Результаты исследования и обсуждение

К широко распространенным деформируемым алюминиевым сплавам относятся сплавы Д1 и Д16 (табл. 1) [4].

При кристаллизации сплавов типа дюралюминия в структуре сначала образуется а-твердый раствор, а затем выделяются фазы СиА12 и 8 (А^СиМ§). Фазовый состав и структурные составляющие дюралюмина приведены в табл. 2.

Марганец в сплавах присутствует в виде дисперсных частиц фазы Т (А^М^Си), не растворяющихся при последующих нагревах, в том числе и при закалке, что повышает температуру рекристаллизации и улучшает

Таблица 1

Содержание элементов, % по массе, в деформируемых алюминиевых сплавах

Марка сплава Си М§ Мп А1

Д1 3,8-4,8 0,4-0,8 0,4-0,8 Осн.

Д16 3,8-4,5 1,2-1,8 0,3-0,7 Осн.

МЕТ^^^РАБОТК)»

Таблица 2

Фазовый состав и структурные составляющие сплавов Д1 и Д16

Марка сплава Фаза Структурные составляющие

в равновесном состоянии в неравновесном состоянии

Д1 а + е + Б а + е + Б а + эвт (а + е) + эвт (а + е + Б) + е + Б

Д16 а + е + Б а + эвт (а +Б) + е +Б а + эвт (а + Б) + эвт (а + е + Б) + е + Б

механические свойства и коррозионную стойкость дюралюмина. Медь и магний образуют 9-фазу (СиА12) и 8-фазу (А^СиМд), упрочняющие сплав при термообработке. При кристаллизации в неравновесных условиях (быстрое охлаждение при литье промышленных сплавов) в сплавах появляется двойная, а иногда и тройная эвтектики (табл. 2), которая образует сетку.

АТАО образцов сплава Д1 осуществлялась как предварительная обработка по режиму: нагрев при 500 °С, выдержка и последующее охлаждение в резонаторе ГГЗ в течение 10 мин. Режимы последующей термической обработки приведен в табл. 3, там же приведены результаты механических испытаний образцов сплава после СТО и АТАО [3].

Как видно из табл. 3 применение АТАО в качестве предварительной обработки деформируемого сплава Д1 (лист) повышает прочность и пластичность при естественном старении (20 °С) закаленного сплава: ав, а0,2 и 8 возрастают на 10, 15 и 30 % соответственно. При искусственном старении (220 °С, 1 ч) прочность растет более значительно: ав и а0,2 возрастают на 15 и 30 % соответственно при снижении относительного удлинения до 1314 %. Более низкая температура старения (200 °С, 1 ч), так же как и увеличение времени выдержки при той же температуре (220 °С) до 1 ч 40 м, не обеспечивают максимального упрочнения. При использовании АТАО в качестве предшествующей обработки сплава Д1 на стадии последующего проведения стан-

Таблица 3

Механические свойства сплава Д1 после СТО, СТО и АТАО

Вид заготовки, номер режима Режим закалки Режим старения АТАО Механические свойства

Температура нагрева, °С Время выдержки, среда охлаждения "в °0,2 8, % НИВ/НВ

МПа

Лист, СТО* Закалка, с 500 °С, вода чные данные до 500 °С, о 20 5 суток, воздух - 410 240-260 20 -/95

Пруток, СТО* 20 - 490 320 14 -/105

Лист 220 1,5 ч, воздух 420-430 300 16-18 77-78/-

1 200 1 ч, воздух АТАО** до закалки сплава устическое пол 470-472 380-390 13-14 80-83/-

2 220 485-492 400 12-14 79-80/-

3 220 1 ч 40 м, воздух 465-470 370-380 13-14 77-78/-

4 20 5 суток, воздух оке воздуха + ак 450 295 26-28 75-76

5 * Справо Нагрев 10 [4]. хлаждение в пот 440-446 е, 10 мин. 268-278 26-28 75-76

МЕТт(РАУШ

дартной закалки повышается концентрация вакансий, что способствует образованию комплексов вакансия — легирующий элемент и вакансионных кластеров [5]. Последующая выдержка при температуре 220 °С приведет к ускоренному старению в течение 1 ч (при стандартной обработке максимальное упрочнение закаленных дюралюминов достигается при температуре 200 °С примерно за 6 ч) [5]. Повышение прочностных характеристик при старении закаленного дуралюмина может быть связано также с увеличением дисперсности интерметаллидных фаз, выделяющихся из твердого раствора, их более равномерным распределением, так как плотность образующихся кластеров, зарождающихся гомогенно, очень высокая. Увеличение прочности после СТО при естественном старении сопровождается снижением пластичности, в то время как предварительная АТАО и последующая СТО наряду с ростом прочности обеспечивают и рост пластичности, что позволяет дополнительно использовать холодную пластическую деформацию в качестве формообразующей и упрочняющей обработки. Условный предел текучести сплава (полуфабрикат в виде листа) приближается в этом случае к значениям этой характеристики, соответствующим свойствам прутка (табл. 3), пластичность же намного выше.

При обработке давлением (ковке, холодной штамповке, прокатке) слитков при получении изделий или полуфабриката происходит наклеп сплава, сопровождающийся значительным снижением пластичности и повышением прочности материала, что делает их дальнейшую обработку затруднительной, а в ряде случаев и невозможной. Изменение механи-

ческих свойств связано также с тем, что при деформации ускоряются диффузионные процессы и образуются зоны Гинье - Престона (ГП) [1] протяженностью 1-10 нм и толщиной 0,5-1 нм с концентрацией меди меньше, чем в соединении СиА12, что повышает прочность и снижает пластичность сплава. Для повышения пластичности необходимы кратковременный нагрев (несколько секунд или минут) до температуры 300 °С и ускоренное охлаждение, что полностью снимает упрочнение, т. е. происходит возврат.

Важнейшим параметром оценки свойств алюминиевых сплавов является достижение оптимальных значений пластичности и прочности, характеризуемого отношением относительного удлинения при испытаниях на растяжение к пределу прочности (Ад = §5/ав) и называемого коэффициентом пластичности [6]. Наиболее высокие значения пластичности были получены при использовании нагрева токами высокой частоты (ТВЧ) взамен печного нагрева. Зависимость коэффициента пластичности сплавов Д16 и Д1 от режимов нагрева приведена в табл. 4 [6].

Значения механических свойств сплавов Д16 и Д1 при максимальных значениях коэффициента пластичности приведены в табл. 5.

Влияние нагрева сплава ТВЧ на коэффициент пластичности авторы работы [6] объясняют влиянием ускоренной подачей теплоты, которая обеспечивает ускоренное образование стабильной 9-фазы по схеме ГП ^ 9-фа-за, минуя образование метастабильной, хрупкой 9-фазы, при этом происходит релаксация упругих напряжений в структуре. При нагреве ТВЧ со скоростями нагрева 50-150 °С/с увеличивается число центров стабильной 9-фазы

Таблица 4

Влияние режимов обработки на технологическую пластичность деформируемых сплавов Д1 и Д16

Марка сплава Режим обработки Значения коэффициента пластичности Ад

после термической обработки через 48 ч е. с. через 96 ч е. с. через 7 суток

Д16 Печной нагрев при температуре 245-275 °С 0,045 0,043 0,022 —

Д16 Нагрев ТВЧ при температурах 210-245 °С при скорости нагрева и последующем охлаждении со скоростью 150 °С/с 0,049 0,047 0,042 —

Д1 ТО (закалка + е. с.) + АТАО 4 — — 0,06 0,06

П р и м е ч а н и е. е. с. — естественное старение. Значения коэффициента пластичности после АТАО по режимам 2, 3, 4 (см. табл. 3).

МЕТ^^^РАБОТК)»

Таблица 5

Влияние режима обработки на механические свойства сплавов Д16 и Д1

Марка сплава, номер режима Режим обработки ИИВ ав, МПа 85, %

Д16 Печной нагрев при температуре 245-275 °С 55 430 20

Д16 Нагрев ТВЧ при температурах 210-245 °С при скорости нагрева и последующем охлаждении со скоростью 150 °С/с 60 450 23

Д1-1 Закалка + естественное старение 5 суток 71-75 420 21

Д1-2 АТАО 2 80-83 470 14

Д1-3 АТАО 3 79-80 490 14

Д1-4 АТАО 4 75-76 450 27

П р и м е ч а н и е. Режимы АТАО 2, 3, 4 приведены в табл. 3.

и обеспечивается ее равномерное распределение в объеме сплава. Это повышает механические свойства (табл. 5) и устойчивость термообработанного сплава к последующему естественному старению. При использовании АТАО упрочнение достигается как за счет увеличения степени дисперсности образующихся фаз, так и за счет измельчения зерен и блоков в сталях и сплавах. Дислокации, располагаемые преимущественно по границам блоков, обеспечивают повышение прочности с0,2 без значительного снижения пластичности сплава [2].

АТАО не только обеспечивает дополнительный рост прочности деформируемых сплавов, упрочняемых термической обработкой, при сохранении пластичности, но и является экологически чистой и ресурсосберегающей технологией.

Выводы

1. Включение АТАО в СТО деформируемого сплава Д1 обеспечивает максимальный эффект упрочнения в качестве обработки, предшествующей закалке и естественному старению или искусственному старению при температуре 220 °С, 1 ч, что гарантирует повышение удельной прочности сплава.

2. Высокие значения пластичности деформируемых алюминиевых сплавов, получаемые после включения АТАО в технологический процесс упрочнения, дают возможность использовать в последующем холодную пластическую деформацию в качестве формообразующей или дополнительной упрочняющей обработки.

3. Применение экологически чистой технологии АТАО обеспечивает не только упрочнение стареющих алюминиевых сплавов, но и экономию электроэнергии за счет сокращения продолжительности обработки.

Литература

1. Фриндляндер И. Н. Металловедение и термическая обработка металлов: журн. 2002. № 7. С. 10-18.

2. Инструментальные материалы: учеб. пособие для вузов / Г. А. Воробьева [и др.]. СПб.: Политехника. 2005. С. 268.

3. Ерофеев В. К., Воробьева Г. А., Генкин П. Г. Аэротермоакустическая обработка металлов и сплавов // Металлообработка, 2001. № 6. С. 18-22.

4. Лахтин Ю. М. Металловедение и термическая обработка металлов. М.: Металлургия, 1984. С. 359.

5. Новиков И. И. Теория термической обработки металлов. М.: Металлургия, 1974. С. 399.

6. Зимин Н. В., Голяков А. С. / Металлообработка: 2008. № 1. С. 31-35. Индукционная термическая обработка на возврат деформируемых алюминиевых сплавов.