и Технические науки Шифр совета Д 212.110.04 Тел. ученого секретаря 417-8878 E-mail mitom@implants.ru Предполагаемая дата защиты 24 декабря 2009г. в 16.30 диссертации Место защиты диссертации Оршанская, 3, ауд. 220А

Автореферат и текст объявления были размещены на сайте МАТИРоссийского государственного технологического университета им. К.Э.Циолковского в сети Интернет 24 ноября 2009 года.

Ученый секретарь диссертационного совета С.В.Скворцова

На правах рукописи

БОРИСОВ Юрий Владимирович ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ЛИТЕЙНЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ СИСТЕМ Al-Li-Cu И Al-Li-Cu-Mg И РАЗРАБОТКА НА ИХ ОСНОВЕ ВЫСОКОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ ФАСОННЫХ ОТЛИВОК Специальность 05.16.01 Металловедение и термическая обработка металлов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва - 2009

Работа выполнена на кафедре Материаловедение и технология обработки материалов ГОУ ВПО МАТИ - Российского государственного технологического университета им. К.Э. Циолковского.

Научный консультант: - д.т.н., профессор Никитин Сергей Леонидович

Официальные оппоненты: - д.т.н., профессор Конкевич Валентин Юрьевич - к.т.н., доцент Ряховский Александр Павлович

Ведущая организация: ОАО НИАТ.

Защита состоится 24 декабря 2009 года в 16 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.110.04 в ГОУ ВПО МАТИ - Российском государственном технологическом университете им. К.Э. Циолковского по адресу:

Москва, ул. Оршанская, 3, МАТИ - РГТУ им. К.Э. Циолковского, ауд. 220А.

Отзыв на автореферат в одном экземпляре (заверенный печатью организации) просим направлять по адресу: 121552, Москва, ул. Оршанская, 3, МАТИ- РГТУ им. К.Э. Циолковского.

Факс: (495) 417-89-78.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Университета.

Автореферат разослан 23 ноября 2009 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Скворцова С.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Развитие авиакосмической техники, приборостроения, автомобильной промышленности и других отраслей машиностроения требует использования в конструкциях качественно новых легких и высокопрочных материалов, отличающихся высокими эксплутационными свойствами. К таким материалам относятся литейные алюминиевые сплавы.

Отливки из алюминиевых сплавов широко используются в конструкциях различных типов: литых, клепаных, сварных, комбинированных и т.д. Производство отливок из алюминиевых сплавов во всем мире характеризуется постоянным и прогрессирующим ростом. Это обусловлено тем, что литье готовых деталей обладает принципиальными преимуществами не только из-за более низкой трудоемкости и стоимости процесса, но и благодаря возможности изготовления деталей, которые нельзя получить другими способами.

Повышение свойств литейных сплавов является важной задачей. Поэтому закономерно стремление исследователей создавать все более прочные и легкие сплавы с хорошими технологическими свойствами.

С этой точки зрения представляют интерес алюминиевые сплавы, легированные литием, самым легким из металлов с плотностью ~ 540 кг/м3. Каждый процент лития снижает плотность алюминия на 3% и повышает модуль упругости на 6%. Кроме того, литий имеет переменную уменьшающуюся с понижением температуры растворимость в твердом алюминии. Это создает возможность создавать термически упрочняемые литейные сплавы.

Перспективными для создания высокопрочных коррозионностойких литейных сплавов с пониженной плотностью должны быть сплавы системы Al-Li-Cu и Al-Li-Cu-Mg. Об этом свидетельствуют имеющиеся достижения в области разработки и использования в промышленности деформируемых алюминиевых сплавов на основе этих систем.

Однако в научной литературе практически отсутствуют сведения по литейным алюминиево-литиевым сплавам. Поэтому разработка основ легирования и создания литейных сплавов на основе систем Al-Li-Cu и Al-Li-Cu-Mg - актуальная задача. Она является предметом исследования в настоящей работе.

Цель работы состояла в изучение влияния легирующих элементов на структуру и свойства литейных алюминиевых сплавов систем Al-Li-Cu и Al-Li-Cu-Mg и разработка на этой основе высокопрочных сплавов с пониженной плотностью для фасонных отливок и режимов упрочняющей термической обработки.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.

1. Разработать технологические режимы получения фасонных отливок из сплавов систем Al-Li-Cu и Al-Li-Cu-Mg с высоким содержанием лития (2,5-4,5%) и с добавками Cd, Be и переходных металлов.

2. Изучить влияние основных компонентов - лития, меди и магния на структуру и свойства фасонных отливок и определить оптимальное содержание этих металлов.

3. Изучить влияние переходных металлов (ПМ) на механические и технологические свойства сплавов систем Al-Li-Cu и Al-Li-Cu-Mg в интервале температур твердо-жидкого состояния и оценить литейные свойства сплавов.

4. На основании установленных закономерностей определить интервалы концентраций основных компонентов и ПМ, обеспечивающих получение оптимального комплекса свойств (высокой прочности, пониженной плотности и хорошей технологичности), и выбрать составы сплавов систем Al-Li-Cu и Al-Li-Cu-Mg, предназначенных для литья в кокиль.

5. Изучить закономерности изменения структуры и свойств при термической обработке литейных сплавов систем Al-Li-Cu и Al-Li-Cu-Mg и на этой основе разработать оптимальные режимы гомогенизации, закалки и старения отливок.

6. Опробовать в условиях опытного производства новые литейные сплавы на основе систем Al-Li-Cu и Al-Li-Cu-Mg.

Научная новизна состоит в следующем:

1. Впервые изучено влияние основных компонентов на структуру и свойства литейных сплавов систем Al-Li-Cu и Al-Li-Cu-Mg и установлено, что для получения оптимального комплекса свойств - повышенной прочности при умеренной пластичности, высоких литейных свойств и низкой плотности, содержание лития не должно превышать 3,53,6%, меди - 1,51,6%, а содержание магния должно находиться в пределах 0,51,0%.

2. Изучено влияние переходных металлов (Ti, Zr, Mn, Cr) на структуру и свойства сплавов систем Al-Li-Cu и Al-Li-Cu-Mg и установлены следующие закономерности:

- модифицирующее действие переходных металлов связано с выделением непосредственно из расплава дисперсных алюминидов этих металлов;

наиболее сильное модифицирующее действие оказывают титан и цирконий;

- упрочняющее действие титана, циркония и марганца связано с выделением из твердого раствора дисперсных алюминидов, которое может быть усилено путем применения специальной термической обработки - длительного отжига при 540С пред закалкой;

- марганец в количестве 0,30,6% способствует дополнительному твердорастворному упрочнению.

3. На основании изучения механических свойств сплавов систем Al-Li-Cu и Al-Li-Cu-Mg в интервале температур твердо-жидкого состояния установлена взаимосвязь между химическим составом и их литейными свойствами и получены математические модели, позволяющие оценивать влияние легирующих элементов и их концентраций на жидкотекучесть и горячеломкость, и показано следующее:

- увеличение содержания лития (>3,5%) и меди (>2%) приводит к повышению горячеломкости вследствие расширения интервала хрупкости в твердожидком состоянии и снижения пластичности в этом интервале;

- титан и цирконий, наоборот, приводят к снижению горячеломкости из-за увеличения пластичности в твердо-жидком состоянии;

- увеличение содержания лития в исследованном интервале концентраций приводит к повышению жидкотекучести.

Практическая значимость.

На основании проведенных исследований впервые на базе систем Al-Li-Cu и Al-Li-Cu-Mg разработаны два высокопрочных термически упрочняемых алюминиевых литейных сплава пониженной плотности ( = 25002530 кг/м3), предназначенных для получения фасонных отливок методом литья в кокиль.

Путем систематических исследований разработан для плавки и литья Al-Li сплавов покровный флюс, в состав которого входит древесный уголь и борная кислота. Этот флюс обеспечивает защиту от окисления сплавов с высоким содержанием лития (до 5%). Разработана технология получения фасонных отливок в условиях опытного производства из алюминиево-литиевых сплавов с высоким содержанием лития, включающая применение специального флюса, дегазацию расплава аргоном.

Разработаны режимы упрочняющей термической обработки отливок из новых литейных сплавов систем Al-Li-Cu и Al-Li-Cu-Mg, состоящей из гомогенизирующего отжига при 5405С, время выдержки 8-10 часов с последующей закалкой в воде (80-100С) для обоих сплавов и старение по различным режимам:

- для сплава системы Al-Li-Cu-Mg рекомендован режим старения 150С, 4-часов, он обеспечивает получение следующего уровня механических свойств:

В=350370 МПа, =46%;

- для сплава системы Al-Li-Cu разработаны два режима старения:

одноступенчатый - 170С, 10 ч, с уровнем механических свойств - В=375385 МПа, =45% и двухступенчатый - 120С, 8 ч + 160С, 4 ч. Он обеспечивает получение более высокой пластичности при близких значениях предела прочности:

В=370375 МПа, =5,56,5%.

Сплавы прошли опробование на производственной базе ФГУП НИЧ МАТИ - РГТУ им. К.Э. Циолковского и показали при литье хорошие технологические свойства, о чем свидетельствует полученный акт по разработке и исследованию литейных Al-Li сплавов.

Апробация работы. Результаты работы были доложены на 7-ой Всероссийской научно-практической конференции Применение ИПИ-технологий в производстве (Москва, МАТИ, 12-13 ноября 2009 г.) и на Международном авиакосмическом конгрессе IAC/09 (Россия, Москва, 23-27 августа 2009 г).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 5-ти работах, список которых приведен в конце автореферата, в том числе в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией - 1.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка использованной литературы из наименований. Работа изложена на 106 страницах машинописного текста, содержит 33 рисунка и 31 таблицу.

Глава I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА Al-Li СПЛАВОВ Рассмотрены вопросы применения в авиации алюминиевых сплавов, легированных литием, отмечаются их ценные свойства и имеющиеся недостатки. В работе кратко рассмотрены структурные и фазовые превращения в двойных Al-Li сплавах, приводятся их свойства. Отмечается, что основными легирующими компонентами отечественных и зарубежных деформируемых Al-Li сплавов являются Cu и Mg. Поэтому промышленные Al-Li сплавы по химическому составу делят на три группы: сплавы систем Al-Li-Mg, Al-Li-Cu и Al-Li-Cu-Mg. Для улучшения свойств используют дополнительные легирующие элементы, которые вводят в эти сплавы в значительно меньших количествах, чем медь и магний.

Наиболее важными элементами являются переходные металлы - Zr, Sc, Mn, Ti и Cr.

В работе рассмотрены промышленные деформируемые сплавы систем Al-Li-Mg, Al-Li-Cu и Al-Li-Cu-Mg. С использованием соответствующих диаграмм состояния и диаграмм фазовых превращений при старении рассмотрен фазовый состав этих сплавов и особенности структурных превращений при термической обработке.

Вместе с тем отмечено, что исследование и разработка литейных алюминиевых сплавов, легированных литием, сталкивается с рядом существенных проблем. Главная из них заключается в том, что в научной литературе практически отсутствуют сведения по литейным алюминиево-литевым сплавам. Имеются лишь данные о проведении работ по литейным сплавам на основе системы Al-Li-Mg.

Практически все исследования в области создания алюминиево-литиевых сплавов нового поколения и их термической обработки относятся к деформируемым сплавам. Эти сплавы имеют свои специфические особенности, связанные с технологией получения из них полуфабрикатов и изделий. Поэтому принципы их легирования без существенной корректировки не могут быть перенесены на литейные сплавы систем Al-Li-Cu и Al-Li-Cu-Mg.

Глава заканчивается заключением, в котором формулируется, что основной целью работы является разработка высокопрочного коррозионно-стойкого литейного алюминиевого сплава с пониженной по сравнению со стандартными алюминиевыми сплавами плотностью. Задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной цели, приведены во введении.

Глава II. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ, СПОСОБЫ ИЗ ПОЛУЧЕНИЯ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА Объектом исследований являлись литейные сплавы систем Al-Li-Cu и Al-Li-Cu-Mg. При проведении работы использовали многокомпонентные сплавы этих систем, дополнительно легированные переходными металлами (Mn, Ti, Zr, Cr, Nb), а также Be и Cd. Для приготовления опытных сплавов в лабораторных условиях использовалась электропечь сопротивления мощностью 10 кВт с выемным графитовым тиглем ёмкостью 30 марок.

В качестве шихтовых материалов использовались чистые металлы и лигатуры, цирконий вводился из фтороцирконата калия K2ZrF6. Литий в расплав вводили под колокольчиком под покровом флюса. Рафинирование осуществлялось путем продувки расплава аргоном и способствовало повышению качества отливок.

Учитывая высокую химическую активность Al-Li сплавов с высоким содержанием лития (2,5-5%), для защиты от окисления и насыщения водородом их плавку осуществляли под покровом специально разработанного флюса, в состав которого входил активированный древесный уголь и борная кислота.