The filtration of aluminum alloys used in constructions of aircrafts

Full Text

Алюминиевые сплавы широко применяются в машиностроении, в том числе и при изготовлении конструкций аэрокосмических летательных аппаратов (ЛА) [1-3], главным образом, в связи с тем, что они обладают высокой удельной прочностью (отношение временного сопротивления разрушению к плотности металла - ав/р), которая показывает, насколько прочной в эксплуатации будет конструкция при ее массе. По этому показателю высокопрочные алюминиевые сплавы [4] превосходят чугун, низкоуглеродистые и низколегированные стали и уступают лишь высоколегированным сталям повышенной прочности, а также 126 Технологические процессы и материалы сплавам титана. Кроме того, алюминиевые сплавы обладают высокой стойкостью против коррозии, а также высокими технологическими характеристиками -низкой температурой плавления, хорошей деформируемостью и обрабатываемостью резанием и др. [5]. Для работы узлов в реальных условиях эксплуатации в космосе необходима также стойкость материалов к воздействию факторов космического пространства: высокого вакуума, перепадов температур, радиации и пр. В настоящий момент этим требованиям максимально отвечают алюминиевые деформируемые сплавы, которые и используются наиболее активно. Наглядные примеры - материалы конструкции планеров отечественного орбитального корабля «Буран» и американского космического корабля Space Shuttle (см. http ://www.buran.ru/htm/inside .htm/). Наличие таких положительных характеристик и объясняет тот факт, что в современных ЛА доля алюминиевых сплавов составляет от 2/3 до 3/4 сухого веса пассажирского самолета и от 1/20 до 1/2 сухого веса ракеты (см. http://www.aluminiumleader.com/around/ transport/aircraft). Применяемые в аэрокосмическом машиностроении алюминиевые сплавы делятся на два класса: литейные, из которых изготовляют детали типа корпусов двигателей летательных аппаратов, и деформируемые, из которых прокаткой изготовляют листы, которые применяется для изготовления корпусов и топливных баков, а также прессованием и штамповкой - шпангоутов, стрингеров, лонжеронов и силовых каркасов ЛА. Таким образом, в основе и деформационных, и литейных технологий лежат литейные технологии как приготовления сплавов, так и получения из них литейной продукции [6]. Поэтому при приготовлении обеих групп сплавов применяются по сути одинаковые технологии, сводящиеся к двум основным - рафинирование, при котором из расплава удаляется водород (дегазация) [7; 8] и частично неметаллические включения [9], и модифицирование (измельчение структуры) различными средствами [10-13]. Однако при этом зачастую в расплаве остаются продукты взаимодействия рафинирующих и модифи-цирущих средств с жидким металлом, что ухудшает физико-механические характеристики литых изделий. В связи с этим еще в 60-е годы прошлого столетия были проведены исследования по очистке металлических расплавов от этих продуктов [14; 15]. Эффективность этой технологии оказалась настолько высокой, что работы в этом направлении были продолжены впоследствии [16; 17] и проводятся в настоящее время [18]. Фильтрование алюминиевых расплавов при литье слитков полунепрерывным способом. Фильтрование алюминиевых расплавов рассмотрено на примере литья слитков 0 300 мм полунепрерывным способом из деформируемого алюминиевомагниевого сплава АМг6. При этом в качестве исходной шихты использовался электролизный алюминий, который после перелива в миксер путем легирования доводился до нужного состава. Температура литья слитков составляла 710...720 °С, скорость литья (опускания слитка из кристаллизатора) - 70 мм/мин. При получении алюминия электролизным способом происходит его нагревание вплоть до 900°, что приводит к существенному уменьшению количества, а также к дезактивации присутствующих в расплаве центров кристаллизации и, как результат, к формированию в слитках крупнокристаллической структуры. В свою очередь, крупнокристаллическая структура является причиной низких механических свойств получаемой из слитков методами обработки давлением продукции. С целью повышения качества слитков сплав модифицировали нанопорошками (НП) нитрида бора BN, нитрида тантала TaN и карбида кремния SiC, которые вводили в расплав в объеме прутков, предварительно уложенных в лоток. Расплав фильтровали в восходящем потоке по принятой на металлургическом заводе технологии через последовательно установленные сетки из стеклоткани ССФ-4 и СФФ-0,06. Отлитые слитки гомогенизировали, разрезали на заготовки длиной 550 мм, обтачивали их до 0 280 мм и затем на прессе с усилием 3500 тс со скоростями 10,0, 12,5 и 15,0 мм/с прессовали прутки диаметром 35 мм, из выходного, среднего и утяжного сечений которых вырезали образцы для испытания механических свойств как в горячепрессованном, так и в отожженном (нагрев с печью до 583.608 К, выдержка 30 мин, охлаждение на воздухе) состояниях и полученные при испытаниях результаты для трех сечений усредняли. С целью определения степени загрязненности сплава неметаллическими включениями из поперечных темплетов слитков вырезали по 8 заготовок для изготовления технологических проб. Изучение шлифов поперечных темплетов слитков показало, так же как и во всех ранее проведенных исследованиях, измельчающее воздействие НП. Изучение шлифов поперечных темплетов слитков показало наличие измельчающего эффекта в результате введения в расплав НП. При анализе микроструктуры серийных слитков выявились грубые скопления интерметалли-дов, тогда как в результате введения в расплав НП они раздробляются. Механические свойства образцов в горячепрессованном состоянии оказались более высокими по сравнению со свойствами серийных слитков (<зв = 364 МПа; а02 = 192 МПа; 5 = 18,1 %). Так, модифицирование BN без последующей фильтрации повышает ов до 379 МПа (на 4,1 %), TaN (без фильтрации) - до 383 МПа (на 5,2 %) и SiC с последующей фильтрацией - до 378 МПа (на 3,8 %); соответственно, повышается и а02: до 209 МПа (на 8,6 %), до 213 МПа (на 10,6 %) и до 206 МПа (на 7,0 %). При модифицировании TaN 5 возрастает до 21,0 % (на 15,4 %), SiC - до 19,2 % (на 5,5 %), но несколько снижается в случае BN. В проведенном исследовании была установлена возможность повышения в 1,5 раза (до 10 мм/с) скорости прессования прутков по сравнению с серийной технологией. При этом качество поверхности прутков практически не отличалось от серийных. 127 Вестник СибГАУ. № 2(54). 2014 Из полученных данных видно, что фильтрация (на примере НП SiC) не ухудшает модифицирующее воздействие НП, выразившееся в приросте механических свойств. Более того, при работе с SiC коэффициент загрязненности сплава Кср составил всего 0,07 мм2/см2 (Кср = ZF дефектов на изломах технологических проб / ZF изломов проб, мм2/см2), что оказалось наиболее близким к серийному слитку, для которого этот показатель оказался равным нулю. В то же время при введении в расплав прутка-свидетеля, отпрессованного из гранул без НП, Кср составляет 1,65 мм2/см2, прутка с НП TaN - 1,47 мм2/см2, а с НП BN - 0,67 мм2/см2. Что касается загрязнений, связанных с введением в расплав НП, то этому можно дать следующее объяснение. Известно, что избыточная энергия частиц НП способствует их активному насыщению газами из окружающей атмосферы как на стадии синтеза, так и особенно при хранении на воздухе, даже в двойной полиэтиленовой упаковке. При этом просматривается связь между интенсивностью насыщения газами и технологией синтеза. Так, продукты хлоридного синтеза, к которым относится и НП TaN [19], по сорбционной активности превосходят соединения, полученные синтезом из элементов, которые, в свою очередь, превосходят по этой характеристике продукты восстановительной переработки оксидного сырья, включая и получение SiC с использованием SiO2. В подавляющем большинстве случаев наиболее вредными из адсорбированных газов является кислород и его соединения, вызывающие при последующих переделах, связанных с нагревом, формирование на поверхности частиц оксидного или карбонитридного (нитридного) слоя, что в итоге затрудняет или делает невозможным достижение у порошковых материалов специального комплекса свойств. В то же время относительно SiC известно [20], что это соединение обладает высокой окислительной способностью вплоть до 1873 К. Приведенные данные могут свидетельствовать в пользу того, что SiC не является источником загрязнений. Что касается загрязнений, связанных с применением НП BN, то анализ процесса его получения путем кар-ботермического восстановления оксида бора в высо-коэнтальпийном газовом потоке (исходные реагенты: порошкообразный В2О3, углеродистый восстановитель пропан и азотирующий агент аммиак, в качестве плазмообразующего газа использовали азот) [21] не позволил установить их прямых источников. Возможно, это связано с повышенной химической активностью BN [22]. Тем не менее, как отмечается всеми, кто связан с производством НП, источником загрязнений могут служить только газы, адсорбированные либо в процессе синтеза НП, либо при их хранении. Установить источник загрязнений при применении прутка, отпрессованного из гранул, еще сложнее, так как в нем вообще отсутствует НП, и, кроме того, в данном исследовании в расплав вводили точно такой же пруток, но содержащий в своем объеме НП SiC, и загрязнения при этом было близко к нулю. Фильтрование алюминиевых расплавов при литье деталей. В качестве примера рассмотрены результаты применения фильтрования расплава при литье широко применяемого в промышленности до-эвтектического алюминиево-кремниевого сплава АК7. При производстве отливок из сплавов этого вида с целью измельчения структурных составляющих и, как следствие, повышения уровня механических свойств литых изделий применяется известный еще с 20-х годов прошлого столетия способ обработки расплава натрием [23], называемый в настоящее время модифицированием и выполняемый посредством нанесения на зеркало металла 1,5...2,0 мас. % флюсов, состоящих из натрийсодержащих солей с последующей выдержкой до 15 мин без перемешивания [24]. Однако при таком способе обработки расплава взаимодействие между солями и жидким металлом происходит в основном в поверхностных слоях металлической ванны, и выделившийся при этом натрий распространяется по ее объему только путем диффузии, что, во-первых, замедляет процесс модифицирования, и, во-вторых, весь объем расплава не «прорабатывается» равномерно: по направлению к его донной части эффект модифицирования уменьшается, что, в конечном счете, проявляется в том, что залитые из этого объема отливки будут иметь более низкий уровень механических свойств, чем залитые из верхнего объема. В работе опробовано модифицирование путем замешивания в расплав при 730.750 °С в течение 4.6 мин уменьшенного до 0,8 % по сравнению с обычной дозой (1,5.2,0 %) количества универсального флюса (50 % NaCl + 30 % NaF + 10 % KCl + 10 % Na3AlF6). При этом упакованную в алюминиевую фольгу дозу флюса помещали в окрашенный титановый колокольчик, погружали в расплав и производили его перемешивание. Затем с поверхности металла снимали окисную пленку и шлак с целью его очистки от непрореагировавших солей и продуктов их взаимодействия. Заливку металла в форму производили через частицы фильтрующего материала, помещенного в цилиндрическую керамическую емкость с соотношением высоты засыпки фильтра к диаметру h/D = = 1,17, имеющую отверстие в дне и устанавливаемую на заливочное отверстие в кокиле. Такое устройство имеет идентичную конструкцию с конструкцией вертикальных фильтрующих колонн, широко применяемых в химической промышленности для очистки различных жидкостей [25]. Фильтрующим материалом служила смесь предварительно сплавленных при 1300 °С фторидов (50 % MgF2 + 50 % СaF2), которую после разливки в изложницы и затвердевания дробили на кусочки размером 4.6 мм и подогревали до 800 °С перед засыпкой в установленную на кокиль нагретую «заливочную» емкость. Оценочный расчет суммарной площади поверхности всех фильтрующих частиц, находящихся во внутреннем цилиндрическом объеме (D = 60 мм, h = 70 мм) заливочной емкости, с учетом их «рельефа», дает величину порядка 0,25 м2. Назначение фильтрующего материала заключается в адсорбции остатков расплава модифицирующих солей и механического 128 Технологические процессы и материалы «захвата» различных инородных примесей (частицы окисной плены, неметаллические включения, а также удаление водорода, адсорбированного на этих частицах и др.). Эти процессы интенсифицируются в результате протекания расплава по поверхности частиц множеством струек [15]. Выбор фторидов в качестве фильтрующего материала объясняется тем, что согласно данным, полученным на сплаве АК9ч, отличающемся от сплава АК7 малыми добавками магния и марганца [16], при близком увеличении механических свойств в результате фильтрования через графит, магнезит, корунд и сплав фторидов последний дает максимальное снижение содержания водорода. Этот эффект, согласно гипотезе, высказанной М.Б. Альтманом еще в 1965 году [9], связан с удалением из расплава при фильтровании комплексов «оксид алюминия - водород» (AI2O3-H2). Для сравнения заливали детали из сплава той же плавки, но модифицированного обычным способом (засыпка 1,5 % универсального флюса на поверхность расплава, выдержка 15 мин, очистка зеркала металла) и залитого без фильтрации. В качестве отливки была выбрана серийная фасонная деталь с черновой массой 5 кг, из вертикальной стенки которой вырезали горизонтально расположенные фрагменты, а из них вытачивали стандартные 5-кратные образцы для испытания механических свойств. Результаты испытаний при литье в кокиль показали, что эффект повышения физико-механических характеристик сплава наступает раньше при модифицировании замешиванием, а полученные из этого сплава отливки имеют более высокие механические свойства и плотность (определяли методом гидростатического взвешивания) (табл. 1). Фильтрование расплава было использовано и при литье из специального сплава системы Al-Si-Mg (6,0-6,5 % Si; 1,0-1,2 % Mg; ост. - Al) детали типа заглушки, входящей в сборочную единицу силового агрегата, работающего в сложнонагруженных условиях. Изучаемыми факторами являлись очередность загрузки и агрегатное состояние шихтовых материалов, а также температурные режимы плавки и металлургической обработки расплава (рафинирование и модифицирование) и температуры заливки. Особенностями проведенного исследования является применение двух нестандартных, но взаимосвязанных технологий, используемых при приготовлении и заливке сплава. Одна из них заключается в применении высокого перегрева расплава и способа его охлаждения перед заливкой, другая - в очередности загрузки шихтовых материалов, причем в разных агрегатных состояниях (твердом и жидком). Первая из них (перегрев расплава) заключается в применении так называемой температурной обработки расплава, технологию которой еще в 40-е годы прошлого столетия разработал и использовал при приготовлении сплава Al - 12 % Si известный специалист в области литейного производства, профессор А.Г. Спасский [26]. В этой работе было установлено, что в результате перегрева жидкого сплава Al - 12 % Si выше обычно применяемых «низкотемпературных» технологий, при кристаллизации формируется тонко-дисперсная структура фаз (дендриты a-твердого раствора и эвтектика), аналогичная структуре, получаемой при модифицировании сплава общепринятым тройным модификатором (45,0 % NaCl + 40 % NaF + + 15 % Na3AlF6). В настоящем исследовании рабочий сплав готовили путем введения в расплавленную основу сплава (силумин СИЛ0) в разной очередности: магния, образующего в сплаве упрочняющее соединение Mg2Si; лигатур Al - 4,34 % Ti и Al - 3,40 % Zr, содержащих интерметаллические соединения, соответственно TiAl3 и ZrAl3, частицы которых выполняют роль центров кристаллизации; лигатуры Al - 3,0 % Be, с помощью которой на поверхности расплава образуется прочная защитная пленка ВеО и лигатуры Al - 50 % Cu, содержащей упрочняющее соединение CuAl2. При приготовлении сплава варьировали очередность загрузки шихтовых материалов и их агрегатного состояния, используя технологию, при реализации которой объем расплава, содержащего 50 % навески силумина и лигатуру Al-Mn, доводили до 950 °С с целью улучшения растворимости марганца, а объем расплава, содержащего остальной силумин, доводили до 700 °С, после чего в него вводили лигатуру Al-Mg с целью уменьшения окисления магния и вливали первый объем во второй открытой струей. Таблица 1 Влияние способа обработки сплава АК7 универсальным флюсом на механические свойства и плотность Время между заливкой и обработкой расплава, мин Временное сопротивление ств, МПа Относительное удлинение, % Твердость, НВ, МПа Плотность в твердом состоянии р, кг/м3 Флюс на поверхности / замешивание Прирост, % Флюс на поверхности / замешивание Прирост, % Флюс на поверхности/ замешивание Прирост, % Флюс на поверхности/ замешивание Прирост, % ГОСТ 160 - 2,0 - 500 - Не оговаривается 0 165 - 5,8 - 520 - 2640 - 4 171/181 5,85 12,9/15,6 20,93 530/535 0,94 2643/2662 0,71 7 176/185 5,11 14,2/16,7 17,60 535/545 1,87 2646/2755 4,12 10 175/183 4,57 14,8/16,9 14,19 535/540 0,93 2655/2755 3,77 15 179/184 3,37 16,0/16,4 2,50 535/540 0,93 2654/2750 3,62 129 Вестник СибГАУ. № 2(54). 2014 Таблица 2 Влияние технологии плавки и заливки на механические свойства сплава АК9ч Технология плавки: вливание перегретого до 950 °С объема расплава (силумин + лигатура Al-Mn) в низкотемпературный (700 °С) объем (силумин + лигатура Al-Mg) при заливке в кокиль Механические свойства Временное сопротивление ств, МПа Относительное удлинение 5, % Твердость НВ, МПа Открытой струей 253/7,70 6,0/в 2 раза 700/- Закрытой струей 260/10,63 8,2/2,73 700/- С фильтрацией через стеклоткань 275/17,02 8,2/2,73 897/28,14 ГОСТ 1583-93 235 3,0 700 Примечание. В графах «механические свойства»: первая цифра - величина, вторая - прирост относительно ГОСТ 1583-93. Затем при 750 °С производили модифицирование сплава тройным модификатором и производили заливку в кокиль. Результаты испытания механических свойств при литье в кокиль показали их увеличение (табл. 2) по сравнению с требуемыми по ГОСТ 158393 (ств > 235 МПа; 5 > 3,0 %) при заливке открытой струей: ств до 253 МПа (на 7,7 %), 5 до 6,0 % (в два раза), твердость НВ практически не изменялась и оставалась на уровне 700 МПа. В случае приготовления сплава по описанной выше технологии, но с заливкой металла в форму закрытой струей, ств повысилось до 260 МПа (на 10,63 %), 5 - до 8,2 % (в 2,73 раза), а при дополнительной фильтрации расплава через стеклоткань ССФ-06 ств повысилось до 275 МПа (на 17,02 %), 5 осталось на том же уровне - 8,2 %, тогда как НВ увеличилась до 897 МПа (на 28,14 %).

About the authors

Genry Gavrilovich Krushenko

Siberian State Aerospace University named after academician M.F. Reshetnev; Institute of Computational Modeling of Siberian branch of Russian Academy of Sciences

Email: genry@icm.krasn.ru
Doctor of Engineering Sciences, professor of the Department of Aircraft engines, Siberian State Aerospace University named after academician M.F. Reshetnev, chief researcher of the Institute of Computational Modeling of Siberian branch of Russian Academy of Sciences.

Marina Alexandrovna Voevodina

Khakassian Technical Institute, branch of Siberian Federal University

Email: v.m.a@list.ru
Candidate of Engineering sciences, associate professor of the Department of vehicles and vehicle fleet

References

Supplementary files