Al-Li сплавы и повышение летно-технических характеристик самолета

1.4. Общая характеристика  Аl-Li сплавов

      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.

      Однако  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.

      Сейчас  задача заключается в  разработке высокопрочного коррозионно-стойкого литейного алюминиевого сплава с  пониженной по сравнению со стандартными алюминиевыми сплавами плотностью.

      После изучения структуры и свойств  литейных сплавов систем Al-Li-Cu и Al-Li-Cu-Mg было установлено, что для получения  оптимального комплекса свойств  – повышенной прочности при умеренной  пластичности, высоких литейных свойств  и низкой плотности, содержание лития  не должно превышать 3,5÷3,6%, меди – 1,5÷1,6%, а содержание магния должно находиться в пределах 0,5÷1,0%.

      Было  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:

1. Модифицирующее действие переходных  металлов связано с выделением  непосредственно из расплава  дисперсных алюминидов этих металлов; наиболее сильное модифицирующее  действие оказывают титан и  цирконий;

2. 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 540ºС перед закалкой;

3. марганец в количестве 0,3÷0,6% способствует  дополнительному твердорастворному  упрочнению.

      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:

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

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

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

1.5. Особенности технологии  получения отливок  из Аl-Li сплавов с высоким содержанием лития

      Плавка  и литье алюминиевых сплавов, легированных литием, сопряжена с  рядом трудностей. Эти сплавы активно  окисляются, особенно при повышенных температурах и в расплавленном  состоянии. Кроме того, алюминиево-литиевые сплавы в значительных количествах  растворяют водород. Важнейшим показателем  качества алюминиево-литиевых сплавов  является также содержание примеси  натрия 7 и, как для всех сплавов, содержание неметаллических включений. Пластичность Al-Li сплавов в литом  состоянии напрямую зависит от содержания натрия в расплаве. Поэтому применение для плавки литейных алюминиево-литиевых сплавов стандартных покровно-защитных флюсов, которые состоят преимущественно  из смеси хлористых и фтористых  солей магния, калия и натрия не представляется возможным, так как  они активно насыщают расплав  натрием и калием.  Химический состав и механические свойства исследованных  сплавов приведены в таблице 1.2. Литий, медь и магний значительно увеличивают прочность при незначительном снижении пластичности, а марганец увеличивает пластичность. Введение циркония обеспечивает повышение обоих параметров оптимизации за счёт выделения дисперсных интерметаллидов и модифицирующего действия.

На  основании проведенных исследований установлено, что оптимальное сочетание  прочностных свойств и пластичности имеет сплав следующего химического  состава: Al-3%,  Li-1,5%,  Cu-0,8%,  Mg-0,4%,  Mn-0,2%,  Zr-0,2%,

Cd-0,1%,  Nb-0,05%.

Химический  состав сплавов и результаты механических испытаний

                                                                                                                         Таблица 1.2

      Оценку  литейных свойств проводили как  по показателям стандартных технологических  проб, так и по результатам механических испытаний в твердо-жидком состоянии. Механическим испытаниям в твердо-жидком состоянии подвергались сплавы, составы  которых приведены в таблице 1.3. В этой же таблице приведены литейные свойства, определенные по показателям  стандартных технологических проб.

      Анализ  полученных данных показывает (табл. 1.3), что наиболее резко повышается склонность к образованию горячих трещин при увеличении содержания лития  до верхнего предела (5%). Сплавы 202 и 208, содержащие 5% Li, имеют наиболее широкий  интервал хрупкости и наиболее низкие значения относительного удлинения  в этом интервале (0,32 и 0,24% соответственно). Увеличение содержания кадмия практически  не влияет на эти характеристики, а  медь действует подобно литию, но её влияние в исследованных концентрациях  значительно слабее.

      Сплав оптимального состава по стойкости  против образования горячих (кристаллизационных) трещин и по жидкотекучести превосходит  все исследованные сплавы. При  величине интервала хрупкости 30°С он характеризуется самым высоким  относительным удлинением в этом интервале (δmin=0,55%) и самым высоким  запасом деформационной способности. Это несомненно связано с комплексным  легированием переходными металлами  – цирконием, ниобием и марганцем  и оптимальным содержанием основных компонентов. Переходные металлы оказывают  модифицирующее действие на структуру  литейных сплавов. Все это улучшает литейные свойства сплава оптимального состава. 
 

Химический  состав, параметры кристаллизации и  литейные свойства сплавов системы  Al-Li-Cu-Mg

                                                                                                   Таблица 1.3

      Наибольший  эффект упрочнения наблюдается при  легировании сплавов системы Al-Li-Cu титаном и цирконием. При введении этих элементов порознь в количестве 0,2% предел прочности увеличивается  в среднем на 25-35 МПа при сохранении пластичности на приемлемом уровне. Однако при большем содержании этих элементов (0,35-0,45%) пластичность снижается достаточно резко. Хорошим упрочнителем литейных сплавов системы Al-Li-Cu является также марганец. Однако эффект упрочнения при легировании марганцем несколько меньший, чем у сплавов с цирконием и титаном. Значительно слабее титана, циркония и марганца проявляется упрочняющее действие хрома. Наибольший эффект упрочнения достигается при комплексном легировании сплавов системы Al-Li-Cu несколькими переходными металлами, например, титаном и цирконием или титаном, цирконием и марганцем.

Существует  три наиболее важных фактора структурного упрочнения сплавов под действием  переходных металлов.

      Во-первых, это модифицирование. Наиболее сильное  модифицирующее действие на структуру  сплавов системы Al-Li-Cu сказывают  титан и цирконий. В отливках, легированных этими переходными  металлами, структура сильно диспергирована: резко уменьшаются размеры дендритных ячеек и толщина интерметаллидных фаз на их границах, уменьшается  также макрозерно отливок. Модифицирующее действие марганца и хрома значительно  слабее.

      Второй  фактор – это твердорастворное упрочнение, которое наиболее сильно проявляется  при легировании сплавов системы Al-Li-Cu марганцем. Этот элемент имеет  наиболее высокую предельную растворимость  в твердом алюминии и его растворное упрочнение проявляется наиболее резко. Несколько слабее растворное упрочнение проявляется при легировании  хромом, предельная растворимость которого в алюминии в два раза меньше, чем марганца.

      Третий  фактор упрочнения – это дисперсионное  твердение за счет распада пересыщенного  алюминиевого твердого раствора при  технологических нагревах отливок. Эффект упрочнения зависит от размера  частиц алюминидов  (от их дисперсности), объемной доли выделяющейся фазы и  от расстояния между частицами в  твердом растворе. Чем дисперснее частицы, тем выше эффект упрочнения. Приоритет в этом отношении имеет  цирконий. Он образует дисперсные частицы  алюминида Al3Zr с кубической решеткой L12 и периодом близким к алюминию. Частицы этой фазы имеют размеры порядка 10-70 нм, они когерентны с матрицей и обеспечивают при дисперсном твердении максимальный эффект упрочнения. Алюминиды марганца и хрома (Al6Mn и Al7Cr) 16 имеют размеры на порядок больший (~ 100-1000 нм) и соответственно дают меньший эффект упрочнения, чем алюминиды циркония.

      Увеличение  содержания лития, меди и циркония сопровождается повышением предела прочности. Положительное  влияние титана проявляется значительно  слабее и выражается только через  парное взаимодействие с литием и  медью.

      Положительное влияние Li, Cu и Zr на прочностные свойства литейных сплавов находятся в  хорошем соответствии с ролью  этих элементов в деформируемых  сплавах системы Al-Li-Cu, а литий  кроме других замечательных качеств  обеспечивает максимальный эффект повышения  прочности. Именно литий наиболее существенно  повышает прочностные свойства сплавов. Однако увеличение его концентрации приводит к снижению пластичности.

      Дальнейшее  улучшение механических свойств  обеспечивается легированием титаном  и цирконием. Введение титана и циркония приводит к существенному измельчению  макро- и микрозерен. Наибольший эффект модифицирования обеспечивается при  совместном введении в сплав добавок  титана и циркония. 
 

1.6. Конструктивно-технологическое  совершенствование

летательного  аппарата при внедрении  перспективных алюминиевых  сплавов

      Алюминиево-литиевые сплавы являются единственными из алюминиевых сплавов, способными выдержать конкуренцию с полимерными композиционными материалами (ПКМ). В целом, объем применения алюминиевых сплавов неуклонно падает, в то же время как использование алюминиево-литиевых сплавов в силовых конструкциях ЛА растет. На первом этапе создания алюминиево-литиевых сплавов ставится задача замены ими всех традиционных алюминиевых сплавов; на втором этапе – создание посредством легирования их различными элементами новых алюминиево-литиевых сплавов, обладающих комплексом характеристик, которые невозможно пока получить для алюминиевых сплавов. По прогнозам специалистов консорциума Airbus Industrie, объем применения алюминиево-литиевых сплавов в конструкциях коммерческих самолетов следующего поколения достигнет 30-40%. Алюминиево-литиевые сплавы сопоставимы по своим механическим характеристикам с ПКМ, в то же время они не требуют внедрения в производство новых технологий, позволяя использовать традиционную авиационную технологию. Применение гнутых профилей, изготовленных из алюминиево-литиевых материалов, ощутимо увеличит функциональную эффективность силовых конструкции ЛА, так как позволит снизить массу конструкции на 10-12% за счет меньшей массовой плотности сплавов и одновременно увеличить ресурс до 50-60 тыс.ч. Хотя алюминиевые сплавы, легированные литием, являются труднодеформируемыми, применение термомеханической обработки позволит не только изготовить кондиционные гнутые профили с прочностными характеристиками, выдержанными на уровне традиционных высокопрочных алюминиевых сплавов, но и получить детали с заданным комплексом механических свойств.