Вплив еквіатомного вмісту Cu та Mg на процеси старіння жароміцного зварюваного
Електронний науковий журнал "ПРАЦІ ВІАМ"
ФЕДЕРАЛЬНЕ ДЕРЖАВНЕ УНІТАРНЕ ПІДПРИЄМСТВО "ВСЕукраїнський НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ АВІАЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ" ДЕРЖАВНИЙ НАУКОВИЙ ЦЕНТР Укаїни<2
Авторизація
Наведено результати дослідження впливу еквіатомного вмісту Cu і Mg на характер дифузії атомів у кристалічній решітці α-твердого розчину при 20°С, процеси старіння жароміцного зварюваного конструкційного сплаву системи Al-Cu-Mg. Відзначається позитивний вплив специфіки легованості та дифузійних процесів сплаву 1151 на технологічність при виробництві конструкцій та на підвищення надійності роботи виробу. Пропонується групу нових сплавів алюмінієвого кута системи Al-Cu-Mg позначити як сплави еквіатомного типу (СЕТ).
Конструкційні алюмінієві сплави системи Al-Cu-Mg успішно застосовуються в авіаційних та ракетно-космічних виробах, що працюють в умовах підвищених температур та навантажень. Значна частина досліджень [1-7] цих сплавів присвячена вивченню впливу на жароміцність різних факторів - температури, тривалості та умов нагріву, а також легованості на процеси структурних еволюцій. Для широко відомих жароміцних сплавів алюмінієвої групи (Д16, Д16ч., 1163, Д19, АК4 і т. д.) досить повно досліджено процеси дифузії атомів фаз-зміцнювачів у структурі при 20 ° С та температурно-часових режимах штучного старіння.
Розробка нового типу конструкційних жароміцних сплавів системи Al-Cu-Mg, композиція яких заснована на еквіатомному вмісті Cu та Mg (наприклад, сплав 1151), зажадала глибокого систематизованого вивчення специфіки тонких структурних перетворень та їх впливу на характеристики цього сплавів.Проведені дослідження [4, 8] впливу еквіатомного вмісту Cu і Mg на жароміцність сплаву 1151 встановили, що сплав нового типу (порівняно з існуючими алюмінієвими сплавами) відрізняється: значною загальмованістю міграції вакансій (головного, визначального фактора дифузії атомів), практичною відсутністю кристалічній решітці пересиченого -твердого розчину, наявністю в якості дифузійно-рухливої зміцнюючої фази тільки фази S (Al2CuMg).
Найбільш повно все вищесказане проявляється у сплавів із співвідношенням Cu:Mg, рівним R=1. Однак необхідно враховувати, що (на відміну від теоретичних розрахунків) на практиці будь-який сплав має певні допуски щодо змісту кожного елемента і, отже, фактично значення R для реальних «еквіатомних сплавів» відповідатиме
1. Чим ближче у сплаву величина Rк 1, тим повніше проявляється структурна специфіка та переваги, властиві сплавам нового типу. Для сплаву 1151 − R=1,05.
На малюнку представлена схема розподілу значеньRв межах концентраційного поля сплаву 1151. Слід також враховувати, що навіть для теоретичного сплаву з R=1 в кристалічній решітці може бути невелика напруженість, так як радіус rCu на 10,5% менше rAl, а rMg - на 1 89% більше (табл. 1).
Схема розподілу значень відношення R (Cu:Mg – % атомн.) в концентраційній площі жароміцного сплаву 1151 системи Al−Cu−Mg.
Основні точки концентраційної площі: 1,232(1); 1,008 (2); 0,904 (3); 1,105 (4); 1,052 (5) Однорівневі лінії: 1,15 (А); 1,052 (Б); 1 (В)
З метою більш повного зняття напруженості кристалічних ґрат доцільно введення в композицію сплаву деякої компенсаційної добавки перехіднихметалів (ПМ). При виборі ПМ для легування сплаву необхідно обов'язково враховувати: діаграму стану ПМ з Al, температуру трифазного перетворення, максимальну розчинність Al (див. табл. 1), можливе утворення інтерметалідів і вплив ПМ на структуру [9].
Дана робота спрямована на вивчення впливу специфіки структурних процесів сплаву еквіатомного типу 1151 на природне старіння та ефективність тривалості перерви між загартуванням та накладенням штучного старіння («інкубаційного періоду») при використанні цього виду термообробки.
Для визначення ефекту зміцнення листів зі сплаву 1151 при природному старінні, широко використовуваному для алюмінієвих сплавів, трьома організаціями протягом досить тривалого часу було здійснено унікальний експеримент (табл. 2).
Дослідження проводили на металі однієї партії Т-500-88 холоднокатаних листів товщиною 3 мм серійного виробничого постачання (СМЯ), що пройшли гарт у стандартних заводських умовах (нагрів у селітрової ванні), відповідно до чинної НТД. Механічні властивості при 20°С визначали на зразках через 7 діб після гарту - як для всіх промислових сплавів системи Al-Cu-Mg. Значення властивостей, записаних у сертифікаті СУЯ № 722 від 1987 р., стали вихідними порівняно з результатами випробувань у наступні періоди часу (див. табл. 2). З наведених даних ясно, що сплав 1151 не схильний до природного старіння. Результат експерименту повністю підтверджує основну відмінність сплавів еквіатомного типу (СЕТ) – загальмованість дифузійних процесів у структурі [4, 8].
Характеристики основних легуючих елементів, що застосовуються в деформованих сплавах системиAl-Cu-Mg[9]
(елементи розташовані в порядку зменшення параметра кристалічних ґрат, нм)
Атомний радіус елемента
Тип діаграми стану з Al
Гранична розчинність у твердому Al, % (за масою)
Температура трифазного перетворення, °С
фактичне значення, нм
щодо атома Al, %
Результати випробувань* при 20°С на статичне розтягування листа товщиною 3 мм (А;напрямок П) зі сплаву 1151-Т (серійна партія Т-500-88) після тривалого вилежування при 20°С
Дата та місце випробування
Тривалість природного старіння
Ефект природного старіння
Грудень 1987 р. (сертифікат СМЯ №722)
Червень 2004 р. (ВІАМ)
Березень 2010 р. (ВАТ «НВО Машинобудування»)
* У чисельнику – середні значення, у знаменнику – мінімальні та максимальні.
Наступний експеримент було проведено спільно з ВАТ «СМ Компанія» у 2005-2006 роках. (при серійному постачанні партії листів) з метою встановлення впливу перерви між загартуванням та накладенням штучного старіння («інкубаційний період») на значення механічних властивостей. Для сплавів алюмінієвої групи необхідне застосування «інкубаційного періоду» протягом 7 діб, оскільки за цей час у структурі формуються зонні утворення, частина яких (з rчастиці) при наступному штучному старінні стає зародками для утворення та зростання вторинної дисперсної частинки фази-зміцнювача . Що більше таких зародків, то значніший ефект штучного старіння.
Випробовували холоднокатані листи зі сплаву 1151, виготовлені з плоских гомогенізованих в одному садку злитків, однієї плавки (одного хімічного складу). Експеримент проводили на листах завтовшки 1,5; 2 та 4 мм з метою з'ясування можливоговпливу різного ступеня холодної деформації на значення механічних властивостей листів зі сплаву 1151 (табл. 3).
З представлених у табл. 3 результатів слідує:
− тривалість «інкубаційного періоду» не впливає на значення механічних властивостей листів у штучно зістареному стані;
− практично не спостерігається відмінності у значеннях механічних властивостей у станах Т та Т1;
− із збільшенням товщини листа з 1,5 до 4 мм спостерігається невелике зростання значень механічних властивостей.
Результати випробувань* листів (напрямок П) при 20°С (статичне розтягування) зі сплаву 1151 у станах Т і Т1 з різним інтервалом (добу) між загартуванням та штучним старінням
Значення характеристик у станах
ТУ1.595-6-804-2004 (не менше)
на 7 діб після загартування (фактичні дані щодо сертифікату)
при накладенні штучного старіння після загартування
ТУ1.595-6-804-2004 (не менше)
Листи завтовшки 1,5 мм (А)
Листи завтовшки 2 мм (А)
Листи завтовшки 4 мм (А)
* У чисельнику – середні значення, у знаменнику – мінімальні та максимальні.
Встановлений режим штучного старіння для сплаву 1151 обраний не з метою підвищення значень характеристик міцності, а для збереження корозійної стійкості сплаву 1151 при тривалій (десятки тисяч годин) експлуатації конструкцій літальних апаратів у всекліматичних умовах.
Повна відсутність впливу тривалості «інкубаційного періоду» на значення механічних властивостей листів зі сплаву 1151 у штучно зістареному стані – наслідок характерної загальмованості дифузійних процесів, що перешкоджає появі при 20 ° С будь-яких дисперсних утворень фази-зміцнювача.
При прокатцілистів зі сплаву 1151 різної товщини величини холодної деформації значно відрізняються: величина деформації при прокатуванні листа товщиною 1,5 мм
1,5 рази більше, ніж листа завтовшки 4 мм. Це є наслідком високої технологічності сплаву 1151: серійну прокатку рулонної заготовки товщиною 8 мм на товщину 4 і 1,5 мм виробляють без застосування проміжного відпалу. Велика холодна деформація листа товщиною 1,5 мм призводить до утворення дуже дрібних мікрозерен, що є причиною зниження значень характеристик міцності листа товщиною 1,5 мм (див. табл. 3) на
2 кгс/мм2 (19,6 МПа).
Дослідження структури листів зі сплаву 1151 після вилежування при 20°З застосуванням електронної мікроскопії (при збільшенні ×10000–50000) і рентгеноскопії (для вимірювання параметра кристалічної решітки α-твердого розчину) показали відсутність дисперсних утворень, характерних для різних стадій природного стар. У структурі листів, досліджених через 22,25 року після загартування, виявлені поодинокі тонкі дисперсійні частинки, при цьому параметр кристалічної решітки α-твердого розчину залишився без зміни: на рівні чистого Al (а=0,4049 нм).
Результати досліджень показали відсутність природного старіння сплаву 1151, що підтвердило високий рівень загальмованості дифузійних процесів, характерну для СЕТ [4, 8]. Специфіка структурної стабільності СЕТ в інтервалі температури солідус (TS -20°С) повністю підтверджується вертикальним розрізом алюмінієвого кута системи Al-Cu-Mg, розташованим паралельно стороні Al-Mg при різних вмістах Cu [4, 8, 11, 12], на яких зміна хімічного складу -твердого розчину цих сплавів у зазначеному температурному інтервалі представлено у вигляді вертикальної прямої лінії.
Слід зазначити, що відсутність природного старіння у сплаву 1151 дуже позитивно для процесів металургійного та машинобудівного виробництв при здачі готової продукції та проведенні листового штампування. Найбільш значущим наслідком застосування СЕТ є підвищення надійності конструкції при експлуатації - не накопичуються внутрішні напруги в деталях і вузлах конструкції, що викликаються природним старінням.
На підставі всебічних комплексних досліджень [4, 8] встановлено наявність нових жароміцних конструкційних сплавів, що зварюються в системі Al-Cu-Mg, що володіють комплексом властивостей, дуже вигідно відрізняють їх від існуючих алюмінієвих сплавів. Сплави системи Al−Cu−Mg, композиція яких заснована на еквіатомному вмісті Cu та Mg, доцільно об'єднати у групу «сплавів еквіатомного типу» − СЕТ, характерним представником яких є жароміцний зварюваний конструкційний сплав 1151.
Специфіка дифузійних процесів, що протікають у сплавах такого типу, перешкоджає розпаду пересиченого -твердого розчину при 20°С, виключає необхідність застосування «інкубаційного періоду» між загартуванням і накладенням штучного старіння. Особливість легування сплаву 1151 перешкоджає виникненню внутрішніх напруг в конструкціях при експлуатації через відсутність процесів природного старіння, що підвищує надійність роботи виробу.