Алюминий-литиевые сплавы (стр. 1 из 2)
Работу напечатала студентка V курса
группы керамика Петракова Екатерина.
Киев-2001.
Алюминий-литиевые сплавы являются новым классом широко известных алюминиевых систем и характеризуются прекрасным сочетанием механических свойств: малой плотностью, повышенным модулем упругости и достаточно высокой прочностью. Это позволяет создавать аэрокосмическую технику с меньшей массой, что даёт возможность экономии горючего, увеличения грузоподъемности и улучшения других характеристик летательных аппаратов.
Алюминиевые сплавы, легированные литием, относятся к стареющим системам и отличаются сложностью фазовых и структурных превращений в процессе их термообработки. Эти изменения оказывают сильное влияние на характеристики трещиностойкости, вязкости разрушения, коррозионной стойкости и сопротивления циклическим нагрузкам. Поэтому их понимание представляет большое научное и практическое значение.
Перечислю кратко основные свойства сплавов Al-Li. Увеличение содержания лития уменьшает плотность алюминия. Добавки лития в пределах твердого раствора приводят к непрерывному увеличению удельного сопротивления. Модуль упругости алюминия возрастает с увеличением содержания лития. При максимальной растворимости лития в твердом растворе модуль упругости составляет 8000кГ/мм2. Увеличение содержания лития приводит к повышению прочностных характеристик алюминия. При содержании лития до 2% прочность сплавов возрастает без снижения пластичности, при дальнейшем увеличении содержания лития пластичность резко снижается. Литий при концентрациях до 0,8% сообщает алюминиевым сплавам повышенную стойкость к коррозии, более высокую, чем у чистого алюминия.
В данной работе я хочу остановиться на рассмотрении промышленных алюминий-литиевых сплавах. Рассмотрим сначала их общую характеристику.
Повышенный интерес к легированию алюминиевых сплавов литием, самым легким из металлов с плотностью ~ 0,54 г/см3, обусловлен тем, что каждый процент лития снижает плотность алюминия на 3%, повышает модуль упругости на 6% и обеспечивает в сплавах значительный эффект упрочнения после закалки и искусственного старения.
К настоящему времени создан целый класс сплавов пониженной плотности различного назначения;
сплавы для изготовления сварных конструкций;
высокопрочные сплавы для замены сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu типа В95;
сплавы с высокой трещиностойкостью для замены сплавов типа Д16 системы Al-Cu-Mg;
жаропрочные сплавы.
На базе системы Al-Mg-Li разработан оригинальный сплав 1420. Он самый легкий (плотность 2,47г/см3), коррозионностойкий, свариваемый,имеет сравнительно высокую (по сравнению с предыдущими сплавами) прочность и повышенный модуль упругости (7500 кГ/мм2).Сплав закаливается как при охлаждении в воде, так и на воздухе. Механические свойства сплава в процессе старения при 200С не изменяются, что позволяет легко производить всевозможные технологические операции по деформации в закаленном состоянии. Этот сплав относится к среднепрочным и широко применяется в сварных конструкциях, обеспечивая снижение массы до 20-25% при повышении жесткости до 6%. Также из этого сплава изготовляют плиты, панели, профили, прутки, листы (в состоянии Т1 (см. ниже)).
С целью повышения прочностных свойств, особенно предела текучести, предложены модификации сплава 1420 (1421 и 1423), которые дополнительно легированы скандием и различаются лишь содержанием магния.
Высокопрочные сплавы 1450 и1451 системы Al-Cu-Li характеризуются высокой прочностью не только при комнатной, но и при повышенных температурах, а также обладают хорошей коррозионной стойкостью. При замене сплава В95 сплавами 1450 и 1451 (последний предназначен главным образом для изготовления листов) масса конструкции может снизиться на 8-10% при повышении жесткости до 10%. Высокой жаропрочностью при температурах до 2250С обладает сплав ВАД23, дополнительно содержащий марганец и кадмий.
Для замены сплавов типа Д16 на базе системы Al-Mg-Li-Cu разработаны сплавы 1430 и 1440 с более низкой (на ~ 8%) плотностью, повышенным (на 10%) модулем упругости и достаточно высокой трещиностойкостью. Сплав 1430 отличается от сплава 1440 повышенной (в 1,5-2 раза) пластичностью и несколько уступает ему по характеристикам малоцикловой усталости.
Интенсивные работы по созданию алюминий-литиевых сплавов велись также в США, Великобритании и Франции. В середине 80-х годов появились сплавы 2090 системы Al-Cu-Li, 2091 системы Al-Cu-Li-Mg, 8090 и 8091 системы Al-Li-Cu-Mg и публикация состава сплава Navalite системы Al-Mg-Li-Cu.
Сплавы 2090 (аналог отечественного сплава 1450) и 8091 предложены для замены высокопрочных сплавов типа 7075 (отечественные сплавы типа В95), по сравнению с которыми они имеют пониженную на 8-10% плотность и повышенный модуль упругости.
Сплавы 8090 (аналог отечественного сплава 1440), 2091 и Navalite (аналог сплава 1430) рекомендованы для замены сплавов средней прочности с повышенной трещиностойкостью типа 2024 и 2014 (типа Д16 и АК8), по сравнению с которыми они имеют пониженную (на ~ 8%) плотность и повышенный (на ~ 10%) модуль упругости.
Химический состав (основных легирующих и примесных элементов) алюминий-литиевых сплавов приведен в таблице 1.
ТАБЛИЦА 1. Химический состав, плотность ρn и модуль упругости Е алюминий-литиевых сплавов
| Маркасплава | Массовое содержание элементов, % | ρ,г/см3 | Е,ГПа | ||||||
| Li | Mg | Cu | Zr | Sc | Fe | Si(не более) | |||
| 1420 | 1,8-2,3 | 4,5-6,0 | - | 0,08-0,15 | - | 0,2 | 0,15 | 2,47 | 76 |
| 1423 | 1,8-2,2 | 3,2-4,2 | - | 0,06-0,10 | 0,10-0,20 | 0,15 | 0,10 | 2,50 | 77 |
| 1430 | 1,5-1,9 | 2,3-3,0 | 1,4-1,8 | 0,08-0,14 | - | 0,15 | 0,10 | 2,57 | 79 |
| 1440 | 2,1-2,6 | 0,6-1,1 | 1,2-1,9 | 0,10-0,20 | - | 0,15 | 0,10 | 2,56 | 80 |
| 1450 | 1,8-2,3 | ≤0,2 | 2,7-3,2 | 0,08-0,16 | - | 0,15 | 0,10 | 2,6 | 79,5 |
| 1451 | 1,5-1,8 | ≤0,2 | 2,7-3,2 | 0,08-0,16 | - | 0,15 | 0,10 | 2,63 | 78,5 |
| ВАД23 | 0,9-1,4 | - | 4,8-5,8 | 0,4-0,8 Mn | 0,1-0,25 Cd | 0,3 | 0,2 | 2,72 | 76 |
| 8090 | 2,2-2,7 | 0,6-1,3 | 1,0-1,6 | 0,04-0,16 | - | 0,30 | 0,2 | 2,54 | 79,5 |
| 8091 | 2,4-2,8 | 0,5-1,2 | 1,6-2,2 | 0,08-0,16 | - | 0,50 | 0,3 | 2,56 | 80 |
| 2090 | 1,9-2,6 | 0,25 | 2,4-3,0 | 0,08-0,15 | - | 0,12 | 0,1 | 2,59 | 80 |
| 2091 | 1,7-2,3 | 1,1-1,9 | 1,8-2,5 | 0,04-0,16 | - | 0,30 | 0,2 | 2,57 | 78 |
| Navalite | 1,6-2,8 | 1,7-3,9 | 0,9-1,4 | 0,14 | - | - | - | - | - |
Отечественные сплавы несколько отличаются от соответствующих зарубежных аналогов по содержанию основных легирующих элементов и дополнительным комплексным микролегированием. Кстати, за рубежом нет аналога отечественному сплаву 1420. Это объясняется значительными трудностями при плавке и литье сплавов системы Al-Mg-Li. Поэтому зарубежные фирмы сосредоточили свои усилия на разработке и освоении более технологичных, но менее плотных, чем 1420, сплавов систем Al-Cu-Li и Al-Cu-Li-Mg.
В процессе освоения промышленного производства полуфабрикатов из сплава 1420 у нас были решены сложные технологические проблемы, характерные и для других алюминий-литиевых сплавов, обусловленные:
присутствием химически активных элементов – лития и магния;
высокой степенью легирования, достигающей 14% (атомное содержание);
сильной локализацией деформации в полосах скольжения и интенсивным упрочнением с резким уменьшением пластичности при холодной пластической деформации;
отсутствием режимов смягчающего отжига, обеспечивающего разупрочнение и повышение пластичности до уровня, необходимого для осуществления значительной холодной деформации;
пониженной пластичностью и вязкостью разрушения в высотном направлении массивных полуфабрикатов.
Большое внимание было уделено таким вопросам:
уменьшение газосодержания в сплаве;
повышение чистоты по таким примесям, как Na, K, Fe, Si;
отработка технологии получения полуфабрикатов с регламентированной микроструктурой, включая листы с ультрамелкозернистой структурой для сверхпластичной формовки;
отработка технологии сварки плавлением, обеспечивающей высокие ресурсные характеристики.
Из алюмимний-литиевых сплавов изготавливают практически все виды полуфабрикатов – прессованные, штамповки, плиты, листы.
Теперь рассмотрим влияние различных факторов на свойства промышленных сплавов Al-Li.
Работоспособность алюминий-литиевых сплавов определяется главным образом такими ресурсными характеристиками, как скорость роста трещины усталости, коэффициент интенсивности напряжений в вершине трещины (Кс, К1с), малоцикловая усталостная долговечность, сопротивление коррозионному растрескиванию, расслаивающая и межкристаллитная коррозия.
На уровень указанных свойств большое влияние оказывает ряд факторов. К наиболее важным факторам относятся:
· характер зеренной структуры: степень рекристаллизации, анизотропии формы зерна, наличие и плотность выделений на границах зерен и субзерен, наличие приграничных зон, свободных от выделений;
· холодная деформация растяжения между закалкой и старением полуфабрикатов;
· режим искусственного старения.
Влияние зеренной структуры на свойства сплавов. Полуфабрикаты с преимущественно рекристаллизованной структурой обладают более высокими характеристиками вязкости разрушения и трещиностойкости при несколько пониженных прочностных свойствах по сравнению с нерекристаллизованной структурой.
Наилучшие результаты обычно получают на полуфабрикатах с мелким, близким к равновесной форме, зерном. Однако повышение вязкости разрушения не всегда связано с наименьшим размером зерна. Положительный эффект наблюдается также на полуфабрикатах, в которых в процессе перестраивания выделяются частицы вторичных фаз – Т2, S. Полуфабрикаты с рекристаллизованной структурой характеризуются повышенным сопротивлением расслаивающей коррозии.