Фильтрация алюминиевых сплавов, применяемых в конструкциях летательных аппаратов

Полный текст

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 %).

Об авторах

Генрих Гаврилович Крушенко

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева; Институт вычислительного моделирования Сибирского отделения Российская академия наук

Email: genry@icm.krasn.ru
доктор технических наук, профессор кафедры двигателей летательных аппаратов, Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева; главный научный сотрудник, Институт вычислительного моделирования Сибирского отделения Российской академии наук.

Марина Александровна Воеводина

Хакасский технический университет Сибирского федерального университета

Email: v.m.a@list.ru
кандидат технических наук, доцент кафедры автомобилей и автомобильного хозяйства

Список литературы

Дополнительные файлы