Алюминий-литиевые сплавы

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 ρ_n и модуль упругости Е алюминий-литиевых сплавов

Марка сплава	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 (К_с, К_1с), 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.

Если в листах алюминий-литиевых сплавов зерна имеют размеры <15 мкм, то они обладают эффектом сверхпластичности и используются для изготовления деталей сложного рельефа. Хорошие показатели сверхпластичности получают на листах из сплава 2090 и 1450 с нерекристаллизованной структурой. В процессе сверхпластической формовки этих листов протекает динамическая рекристаллизация и обеспечивается высокая пластичность.

Влияние холодной деформации между закалкой и старением.  Значительный эффект в повышении прочностных свойств, характеристик вязкости разрушения и трещиностойкости, сопротивления коррозии наблюдается на сплавах систем Al-Cu-Li и Al-Li-Mg-Cu при использовании регламентированной холодной деформации растяжением закаленных полуфабрикатов перед искусственным старением. В результате такой обработки увеличиваются плотность и дисперсность гетерогенно зарождающихся выделений упрочняющих фаз, уменьшаются ширина приграничных зон, свободных от выделений, размер и количество частиц стабильных фаз на границах.

Режимы термомеханической обработки, включающие строго регламентированную деформацию растяжением на 3-6 % перед искусственным старением, являются основными при производстве листов, плит, прессованных полуфабрикатов из алюминий-литиевых сплавов. Листы, плиты и профили из сплава 2090 в состоянии Т8Е41 подвергаются деформации на 6 % перед старением, а полуфабрикаты из сплавов 8090, 2091, 8091 – на 3 %. Вследствие такой обработки повышается сопротивление коррозионному растрескиванию и расслаивающей коррозии.

Влияние режимов старения. Алюминий-литиевые сплавы могут быть состарены до трех состояний: недостаренное (мягкий режим), до максимальной прочности («пик» старения) и перестаренное. Для того, чтобы обеспечить нужное сочетание прочности, пластичности, вязкости и коррозионной стойкости, разрабатывались оптимальные режимы старения. Установлено, что для большинства сплавов высокая пластичность и вязкость разрушения в сочетании со средним уровнем прочностных свойств достигаются после низкотемпературного старения в мягком режиме – недостаренное состояние. Однако лучшая коррозионная стойкость обеспечивается в результате перестаривания или старения на максимальную прочность. Наилучший комплекс свойств (механические свойства при растяжении – вязкость разрушения) получен при сочетании высокой деформации (2-8%) после закалки с низкотемпературным старением.

И, наконец, рассмотрим свойства промышленных полуфабрикатов из сплавов Al-Li. Из промышленных сплавов изготавливают различные полуфабрикаты – листы, плиты, штамповки и разнообразной формы прессованные изделия, которые могут применяться в зависимости от требуемого комплекса и уровня свойств в нескольких состояниях.

В системе обозначений состояний термически упрочняемых сплавов, принятой за рубежом, указываются различные виды термической обработки и используемые сочетания и последовательности холодной деформации и старения. Некоторые из них приведены ниже (буква Т обозначает термическую обработку для получения стабильных состояний):

Т1 – охлаждение от температур горячей деформации с последующим естественным старением для получения более стабильного состояния.

Т2 - охлаждение от температур горячей деформации, нагартовка и последующее естественное старение для получения более стабильного состояния.

Т3 – закалка, холодная деформация и последующее естественное старение. После закалки полуфабрикаты подвергают холодной деформации для повышения прочности, при этом влияние холодной деформации при прогладке или растяжке оговариваются в технической документации.

Т4 – закаленное и естественно состаренное состояние.

Т5 – охлаждение от температур горячей деформации и последующее искусственное старение.

Т6 – закалка и искусственное старение. Полуфабрикаты не подвергают холодной деформации после закалки. Влияние холодной деформации при прогладке или правке не оговариваются в технической документации.

Т7 – закалка и перестаривание. Перестаривание обеспечивает получение свойств за максимумом прочности на кривой старения при некоторых специально контролируемых характеристиках с целью достижения стабильности размеров, более низкого уровня остаточных напряжений или повышения коррозионной стойкости.

Т8 – закалка, холодная деформация и последующее искусственное старение. Применимы для полуфабрикатов, подвергаемых холодной деформации для повышения прочности, а также для которых влияние холодной деформации при прогладке или растяжке оговариваются в технической документации. Степень холодной деформации обозначается цифрой 8.

Т9 – закалка, искусственное старение и последующая холодная деформация.

Т10 – охлаждение от температур горячей деформации, холодная деформация и последующее искусственное старение.

Закалка или обработка на твердый раствор состоит в нагреве литых или деформированных полуфабрикатов до соответствующей температуры, выдержке при этой температуре, продолжительность которой достаточна для перехода составляющих в твердый раствор, и быстром охлаждении для фиксации твердого раствора. Например, у некоторых сплавов серии 6000 необходимые механические свойства достигаются либо при охлаждении с печью от температуры нагрева под закалку, либо при охлаждении от температур горячей деформации со скоростью, достаточной для того, чтобы избежать распада твердого раствора, что аналогично операции закалки. В таких случаях для дифференциации соответствующих состояний используют обозначения Т3, Т4, Т6, Т7, Т8 и Т9.

Кроме термической обработки, в этой системе обозначений существуют еще обозначения таких состояний: F - без какой- либо дополнительной обработки после изготовления; О – отожженное состояние; W – закаленное состояние, нестабильное. Эти состояния менее стабильны, чем состояния, получаемые при термической обработке.

Для деформированных полуфабрикатов, в которых остаточные термические напряжения уменьшают посредством холодной деформации, используют следующие обозначения:

ТХ51 – уменьшение остаточных напряжений после закалки посредством растяжки с определенной остаточной деформацией (0,5-3,0%) в зависимости от вида полуфабриката. Обработка с таким обозначением применяется главным образом для плит, катаных и холоднодеформированных полос и прутков, не подвергаемых дополнительной правке после растяжения. Применительно к прессованным пруткам, полосам, профилям и трубам используют обозначение: ТХ510 – без дополнительной правки после растяжки; ТХ511 – с незначительной правкой после растяжки для обозначения стандартных требований по допускам.

ТХ52 – уменьшение остаточных напряжений сжатием. Применяется для полуфабрикатов, в которых уменьшение остаточных напряжений после закалки производится посредством правки сжатием с остаточной деформацией 1-3%.

ТХ54 – уменьшение остаточных напряжений растяжением и сжатием. Применяется для штамповок, остаточные напряжения в которых уменьшают путем холодной калибровки в окончательном штампе.

Вместо буквы «Х» в обозначениях вида обработки полуфабрикатов, вызывающей снижение остаточных напряжений, в зависимости от состояния указываются соответствующие цифры 3, 6, 7 или 8 (например, вместо ТХ52 будет Т652 или Т852).

Те же самые цифры могут использоваться в сочетании с символом состояния W для обозначения нестабильного закаленного состояния полуфабрикатов, для которых необходима правка для уменьшения остаточных напряжений.

Для деформированных полуфабрикатов, термообработанных из состояния О и F без правки после закалки, используются такие обозначения: Т42 – закалка из состояний О или F и последующее естественное старение до получения устойчивого состояния; Т62 - закалка из состояний О или F и последующее искусственное старение.

Изменяя режимы термической и термомеханической обработки алюминий-литиевых сплавов, можно получать различный комплекс свойств.

Алюминий-литиевые сплавы наиболее эффективно применяются в летательных аппаратах. Это связано с тем, что они имеют более высокую стоимость, но при этом более низкую плотность и более высокий модуль упругости по сравнению с традиционными алюминиевыми сплавами систем Al-Cu-Mg и Al-Zn-Mg-Cu.

Оптимальное сочетание прочностных свойств, коррозионной стойкости, характеристик трещиностойкости и вязкости разрушения обеспечивается получением полуфабрикатов с заданной регламентированной структурой и применением термомеханической обработки, включающей закалку, определенную холодную деформацию и старение. Например, для обеспечивания высокой трещиностойкости с целью замены сплава 2024Т3 рекомендуется применять листы сплава 2091 в состоянии Т8Х, которые после закалки подвергают 3%-ной холодной деформации растяжением и последующему искусственному старению при 135⁰С , 10 ч. Средняя прочность при некотором понижении характеристик трещиностойкости достигается на листах из сплава 2091 в состоянии Т8 – закалка, растяжение на 3%, старение при 185⁰С, 24 ч. Аналогичные режимы термомеханической обработки применяют и при изготовлении полуфабрикатов из отечественных алюминий-литиевых сплавов.

Алюминий-литиевые сплавы занимают особое положение среди других стареющих алюминиевых систем, что обусловлено их более высоким модулем упругости и меньшей плотностью, свойствами, открывающими новые возможности применения металлических легких материалов, в частности для аэрокосмической техники. Однако при этом им свойствен один недостаток – низкая пластичность в состоянии максимальной прочности. Для его преодоления проведено много исследований влияния различных факторов на пластичность и характеристики разрушения алюминий-литиевых сплавов. Выяснено, что причинами пониженной пластичности и вязкости разрушения являются неоднородность деформации; наличие зон, свободных от выделений упрочняющей фазы, связанных с зарождением различных фаз, содержащих литий, по границам зерен; появление пор возле крупных частиц и наличие естественных примесей, таких как K, Na, S, H₂, Fe, Si, образующих или легкоплавкие эвтектики по границам зерен, или выделение по ним фаз. Перечислю основные меры, которые были предложены для решения этой проблемы (повышения пластичности). В первую очередь это легирование алюминий-литиевых сплавов медью и магнием, которые образуют тройные фазы с литием и вызывают твердорастворное упрочнение. Эти фазы наряду с промежуточной способствуют упрочнению сплавов при старении, и более однородной его деформации. Этой же цели служит и легирование алюминий-литиевых сплавов цирконием и скандием. Еще есть метод двухступенчатого старения. Такое старение вызывает более равномерное распределение фаз выделения и стабилизацию дисперсной структуры. Однако следует сказать, что еще не исчерпаны все возможные способы улучшения пластичности сплавов Al-Li.

Исследованию алюминий-литиевых сплавов, усовершенствованию технологии производства различных полуфабрикатов, разработке новых композиций сплавов и оценке перспективности их применения, особенно в авиационной технике, уделяется большое внимание во многих странах.

 

 

 

Список литературы.

1.   И. Н. Фридляндер, К. В. Чуистов, А. Л. Березина, Н. Н. Колобнев. Алюминий-литиевые сплавы. Структура и свойства. – Киев, «Наукова думка», 1992.

2.   И. Н. Фридляндер. Металловедение алюминия и его сплавов. – М.: «Металлургия», 1971.

3.   И. Н. Фридляндер. Конструкционные сплавы (серия Алюминиевые сплавы). – М.: «Металлургия», 1968.

4.   Алюминий: свойства и физическое металловедение: Справ. – М.: «Металлургия», 1989.

5.   Применение алюминиевых сплавов (серия Алюминиевые сплавы): Справочное руководство (под ред. А. Т. Туманова). – М.: «Металлургия»,1973.