Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

А.Р. Луц, А.А. Суслина

АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ

САМАРА 2013

Издается по решению методического совета ФТФ СамГТУ УДК 544-971.2 Алюминий и его сплавы: Учебное пособие / Сост. А.Р.Луц, А.А. Суслина. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2013. – 81 с.:ил.

Материал предназначен для школьников, школьных учителей, студентов и бакалавров младших курсов. Представляет собой научно-популярные сведения о развитии и становлении алюминиевой промышленности, а также рассказывает о современных сплавах на алюминиевой основе. Материал предназначен для факультативного изучения и популяризации естествознания и технических наук.

УДК 544-971. © А.Р. Луц, А.А. Суслина

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 1 Алюминий и основные конструкционные алюминиевые сплавы 1.1 Классификация и маркировка алюминиевых сплавов 1.2 Влияние легирующих элементов на свойства алюминиевых сплавов 1.3 Перспективные алюминиевые системы 2 Новейшие разработки в области алюминиевых сплавов 2.1 Сплавы, неупрочнямые термической обработкой 2.2 Сплавы, упрочняемые термической обработкой 3 Покрытия алюминиевых сплавов 3.1 Современные методы оксидирования 3.1.1 Электрохимическое анодирование 3.1.2 Микродуговое оксидирование 3.2 Другие виды защитных покрытий и способы их нанесения Заключение Список использованных источников

ВВЕДЕНИЕ

Наиболее важные области применения алюминиевых сплавов в настоящее время – авиационная и ракетная техника. Высокие удельные характеристики, технологичность, ценовая доступность – ценные свойства, изначально определившие выбор авиаконструкторов. 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" [1]. Хотя данные проекты разрабатывались в 80-е годы, выбор материалов весьма показателен.

НПО "Энергия", НПО им. Лавочкина и Всероссийский институт авиационных материалов (ВИАМ), руководствуясь специфическими условиями работы орбитального корабля, особенностями конструкции и предыдущим опытом эксплуатации материалов в конструкциях ракет-носителей одноразового применения, для изготовления «Бурана», помимо прочих, выбрали алюминиевые сплавы 1201, Д16ч, В93пч. Немаловажно, что НПО "Молния" совместно с ВИАМ, ЦАГИ был проведен цикл испытаний для определения работоспособности выбранных материалов. Особое внимание уделялось испытаниям на механические свойства в условиях термоциклирования (от -130 до +150°С), определению длительной прочности и ползучести в интервале рабочих температур, вязкости разрушения. Образцы из листов и плит сплава Д16чТ1 и плит сплава 1201Т выдержали 100 циклов нагружения, в то время как образцы из листов сплава 1201Т разрушились после 40... 60 циклов. В связи с этим для обшивок, нервюр, стрингерного набора и других элементов из листов был использован алюминиевый сплав Д16 с пониженным содержанием примесей, т.е. химического состава повышенной чистоты. Необходимо отметить, что используемый алюминиевый сплав Д16 хотя и имеет (по отечественным стандартам) химический состав примененными в конструкции планера американского многоразового космического корабля "Space Shuttle", содержит большее количество примесей, снижающих его термоциклические характеристики. Используемый в конструкции орбитальной ступени "Space Shuttle" алюминиевый сплав 2024-T81 благодаря своему химическому составу (сверхчистый алюминий с легирующими добавками Cu-MgMn) в лабораторных условиях под нагрузкой выдерживает неограниченное количество термоциклов при температурах до 200°С, при этом верхняя граница рабочих температур, обеспечиваемая плиточной теплозащитой, составляет +179°С, что и гарантирует требуемый ресурс конструкции в 100 термоциклов (полетов).

Справедливости ради нужно добавить, что послеполетный анализ орбитальных неответственных деталях конструкции консолей крыла, однако американские инженеры придерживаются мнения об обычных причинах их возникновения, широкофюзеляжных самолетов. Отечественные сплавы группы Д16 также допускали кратковременную работу конструкции в температурном диапазоне +150°...160°С, но за это приходилось платить снижением располагаемого ресурса по количеству термоциклов (космических полетов). Не имея в своем распоряжении освоенных промышленностью нужных алюминиевых сплавов, по качеству аналогичных зарубежным, отечественные конструкторы, стремясь гарантированно обеспечить заданный ресурс конструкции в 100 полетов при сходной с "Space Shuttle" картине тепловых нагрузок, были вынуждены пойти на снижение верхней границы допустимых эксплуатационных температур конструкции до +150°С и ввести как обязательный этап послеполетного обслуживания операцию интенсивного охлаждения конструкции системой наддува и вентиляции планера с использованием наземных средств. Для силовой конструкции планера и для модуля кабины был использован свариваемый термоупрочняемый алюминиевый сплав 1201.

В дальнейшем для несварной силовой конструкции (поясов шпангоутов, стенок, лонжеронов и т.д.) применялся высокопрочный термоупрочняемый алюминиевый сплав 1163Т1 (типа Д16ч) взамен штамповок сплава В93пчТ2 и плит сплава 1201Т1, что позволило снизить вес конструкции, а также избавиться от коробления при механической обработке деталей из штамповок В93пчТ2. Несмотря на вышесказанное, широкое применение сплавов 1201, Д16, 1163 и других в искусственно состаренном состоянии требует учета ряда особенностей как при конструировании деталей, так и в технологии их изготовления и сборки.

Последние сообщения исследователей показывают, что металловедение космических материалов развивается преимущественно в направлении усовершенствования высокопрочных алюминиевых сплавов системы Al-Zn-Mg [2].

Так, например, сообщается, что международной группой ученых, в состав которой вошли российские, американские и австралийские исследователи, был разработан новый алюминиевый сплав, прочность которого сопоставима с прочностью стали, передает ScienceNOW со ссылкой на полную версию отчета, опубликованную в Nature Comunications. Сплав с новыми физическими свойствами был создан на основе американского алюминиевого сплава 7075, который давно и широко применяется в аэрокосмической промышленности. Технология включает в себя ряд стадий физического воздействия, а в заключение материалу дают время "состариться" при комнатной температуре. В результате предел текучести алюминиевого сплава составляет 1 ГПа.

Таким образом, очевидно, что усовершенствование существующих и разработка новых материалов на основе алюминия по-прежнему является актуальной задачей современного материаловедения. Попробуем разобраться во всем разнообразии современных алюминиевых материалов и найти самые подходящие из них для службы в трудных условиях стратосферы и космоса.

1 АЛЮМИНИЙ И ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ

АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ

1.1 Классификация и маркировка алюминиевых сплавов разработанные сплавы, как российских, так и иностранных разработчиков, то для их сопоставления и сравнения имеет смысл привести действующие виды маркировки алюминиевых сплавов.

В Российской Федерации ГОСТ 4784 "Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые. Марки" дает маркировку сплавов тремя способами: как в буквенно-цифровом виде, так и только в цифровом виде, а также и с учетом требований международного стандарта (международная маркировка) ИСО 209- (ISO 209-1 Wrought aluminium and aluminium alloys - Chemical composition and forms of products - Part 1: Chemical composition). При этом цифровая маркировка по ГОСТ не совпадает с международной маркировкой алюминиевых сплавов [3]. Цифровая маркировка по ГОСТ обозначает слева - направо: первая цифра - основной металл (1-алюминий); вторая цифра - легирующая система; третья и четвертая цифры марка и модификация.

Помимо приведенной цифровой маркировки, в настоящее время повсеместно используется смешанная буквенная и буквенно-цифровая маркировка алюминиевых сплавов. Например, деформируемые сплавы обозначаются буквами Д, АД, АК, АМ, АВ; литейные – АЛ. Буквой Д обозначают сплавы дуралюминия Д1, Д16 и т.д.

Буквы АВ означают сплав авиаль. Буквы АМг и АМц обозначают сплав алюминия с магнием (Мг) и марганцем (Мц), причем цифры, следующие за буквами АМг1;

АМг6 соответствуют примерному содержанию магния в этих сплавах. Буквы АД отвечают алюминию деформированному, цифра указывает чистоту алюминия.

Чистота сплавов обозначается следующими буквами, стоящими после маркировки сплава: Пч, Ч, Оч – соответственно практически чистый, чистый и очень чистый, по примесям железа, кремния и других контролируемых элементов. Состояние полуфабрикатов из алюминиевых сплавов обозначается следующей маркировкой: М – мягкий, отожженный; Т – закаленный и естественно состаренный; Т1 – закаленный и искусственно состаренный; Н – нагартованный; Н1 – усилено нагартованный (нагартовка листа ~20%) и т.д. [4].

В США принята единая цифровая, четырехзначная система обозначений деформируемых алюминиевых сплавов, введенная Алюминиевой Ассоциацией (АА) [3]. Она является наиболее распространенной и используется в качестве международной. В е основе - система легирования алюминиевых сплавов, база основной легирующий компонент. Первая цифра обозначения указывает на систему легирования, к которой относится сплав.

1000 серия — чистый алюминий с минимум 99% содержанием алюминия по весу.

2000 серия — сплавы, легированные медью, дуралюмины, они были когда-то самым распространенным из аэрокосмических сплавов. Главный недостаток — чувствительность к коррозионному растрескиванию и сплавы этой серии все чаще заменяются на серию 7000.

3000 серия — сплавы, легированные марганцем. Сплавы типа АМц.

4000 серия — сплавы, легированные кремнием. Они также известны как силумины.

5000 серия — сплавы, легированные магнием. Сплавы типа АМг.

6000 серия — сплавы, легированные магнием и кремнием, самые пластичные, и могут быть термоупрочнены закалкой на твердый раствор, но не достигают высокой прочности, как в 2000 и 7000 серии.

7000 серия — сплавы, легированные цинком, магнием, термоупрочняемые, самые прочные из алюминиевых сплавов.

8000 серия в основном используются для литиевых сплавов и прочих систем легирования.

непосредственно сплав и дают информацию о его чистоте. Если сплав опытный, то ставят индекс "Х" и маркировка становится пятизначной.

Число состояний полуфабрикатов из алюминиевых сплавов в США составляет несколько сотен.

Система обозначений состояний распространяется на все виды полуфабрикатов из деформируемых алюминиевых сплавов, кроме слитков. Она основана на последовательности основных термических обработок для получения различных состояний. Обозначение состояний следует за обозначением сплава. Основное состояние обозначается буквой, а их разновидности - одной или несколькими последовательности основных операций, обусловливающих различие в характеристиках, тогда вводятся дополнительные символы. Обозначение основных состояний: F - после изготовления; О - отожженное; Н - нагартованное. За Н всегда следуют две или более цифры. Первая цифра указывает на конкретную последовательность основных операций: Н1 - только нагартованное; Н2 нагартованное и частично отожженное; Н3 - нагартованное и стабилизированное.

Цифры, следующие за Н1, Н2 и Н3, указывают на степень нагартовки. Цифра обозначает состояние с пределом прочности, который достигается холодной прокаткой с обжатием (температура прокатки не превышает 50°С) 75 % после полного отжига. Состояние между О (отожженное) и 8 обозначается цифрами от до 7. Материал, имеющий предел прочности посередине между состояниями О и 8, обозначается цифрой 4; между 0 и 4 - цифрой 2; между 4 и 8 - цифрой 6. Цифрой обозначается состояние, в котором предел прочности сплава превышает прочность в состоянии Н8 минимум на 13 МПа. Для Н состояния с двузначным обозначением, где вторая цифра является дополнительной, стандартные значения предела прочности находятся точно посередине между прочностью двух соседних Нсостояний.

Третий знак (цифра) указывает на некоторое отличие от состояния с двузначным обозначением: W - закалка; Т - термическая обработка, приводящая к стабильному состоянию, отличному от F, О или Н.

Цифры от 1 до 10 после Т показывают конкретную последовательность основных термических обработок: Т1 - охлаждение с повышенной температуры изготовления полуфабрикатов и естественное старение к стабильному состоянию;

Т2 - отжиг; Т3 - закалка с последующей холодной деформацией; Т4 - закалка с последующим естественным старением к стабильному состоянию; Т5 - охлаждение с повышенной температуры изготовления полуфабрикатов и искусственное старение; Т6 - закалка и искусственное старение; Т7 - закалка с последующей стабилизацией; Т8 - закалка, холодная деформация и искусственное старение; Т9 закалка, искусственное старение и холодная деформация; Т10 - охлаждение с повышенной температуры изготовления, искусственное старение и холодная деформация. Дополнительные символы к обозначениям Т1-Т10 указывают на различия в термической обработке. Дополнительные обозначения для Тсостояний полуфабрикатов, подвергнутых деформации для снятия напряжений, могут быть двух- и трехзначными и ставятся после основного обозначения состояния полуфабриката (Т551, Т6511).

В Германии система обозначений легких металлов устанавливается DIN [3]. Стандартные обозначения базируются на химических символах основных легирующих элементов с добавлением перед ними или после них буквенных или цифровых обозначений.

В кратком обозначении на первом месте ставится Аl - основной металл, потом следует символ основного легирующего элемента с числом, соответствующим его среднему содержанию в сплаве, например АlМn, АlМg3, AlМg4.5Мn, АlZnМgСu1.5.

Чистый алюминий обозначается символом алюминия и цифрой содержания его в %, например Аl99.5 - алюминий, содержащий 99,5% Аl. В обозначение первичного алюминия вводится буква Н, например Аl99.5Н - первичный алюминий чистотой 99,5 %. Алюминий повышенной чистоты обозначается буквой R, например Аl99.99R алюминий повышенной чистоты в чушках, поставляемый металлургическим заводом, минимальной чистоты 99,99 %; Аl99,98R - алюминий повышенной чистоты в виде полуфабриката минимальной чистоты 99,98 %. Для сплавов повышенная чистота основного металла алюминия отмечается обозначением степени чистоты, например Аl99.9Мg1; для алюминия повышенной чистоты вместо степени чистоты пишется только значок R, например АlRМg1.

При обозначении деформируемых полуфабрикатов часто перед маркой сплава через дефис ставится буква, указывающая на область применения: Е проводниковый материал для электротехники; S - сварочный материал; L - припой, Sd - электродная проволока. У алюминия для проводников обозначение степени чистоты опускается (E-Аl) соответственно для сплавов Е-АlМgSi0.5; S-AlМg5; LAlSi12.

Плакированный полуфабрикат обозначается дополнением pl перед буквой F, например АlСuМgРplF37. Обработка поверхности "блестящее качество" нестандартных сокращений не разрешается, но часто применяется для обозначения нестандартных материалов.

Цифровая система обозначения регламентируется DIN 17007. Полная система состоит из семи позиций: 1 - основа сплава или материала (0 - для чистого железа и ферросплавов, 1 - для стали, 2 - для тяжелых металлов, 3 - для легких металлов, 4-8 для неметаллических материалов); позиции от 2-й до 5-й - специфика марки, определяется в основном химическим составом или технологией получения сплава;

позиции 6 и 7 - приведенное число; указывается для всех легких металлов по единой системе обозначения состояний поставки материалов. Для алюминия установлена серия от 3.0000 до 3.4999. Последующее подразделение этой серии осуществляется путем присвоения номера (цифровой маркировки) материалу в соответствии с типом сплава и степенью его чистоты. Знак ЕQ, предусмотренный для обозначения "блестящего качества", прибавляется и к номеру материала от Е0 до Е6.

Для указания состояния полуфабрикатов используются так называемые F-числа, например АlМg3F18. Они указывают минимальные значения предела прочности в кгс/мм2.

Состояния поставки полуфабрикатов обозначаются с помощью буквенных сокращений, которые прибавляются к марке материала, например АlМgSi1p, GAlSi12g.

Сокращенные обозначения состояний поставки следующие: w - мягкое (отжиг); прессованное (трубы, прутки, профили) без окончательной p термообработки; как правило, это полуфабрикаты из АlМgSi1p; wh - катаное; для горячекатаных или холоднокатаных на конечную толщину изделий, без последующей термообработки; zh - тянутое; для труб, прутков и проволоки.

В цифровой системе для обозначения состояний поставки используются двузначные числа. Цифры от 0 до 99 делятся на десятки для групп приведенных чисел. Смысл разбитых на десятки цифр одинаков для всех легких металлов и означает следующее: 00-09 необработанный (00 - чушки, 01 - литье в землю, 02 литье в кокиль, 05 - литье под давлением, 07 - горячекатаный, нагартованный, 08 прессованный кованый); 10-19 мягкий, 10 - мягкий без указания величины зерна, 11с указанием величины зерна, 19 - по специальным условиям поставки); 20- холоднодеформированный, нагартованный и сверхнагартованный (30 нагартованный); 40-49 закаленный и состаренный, без последующей механической обработки; 50-59 закаленный и естественно состаренный с последующей холодной деформацией; 60-69 искусственно состаренный, без последующей механической деформацией; 80-89 отпущенный, без предшествующей холодной деформации; 90специальные виды обработки.

Сопоставление обозначений состояний (обработки) полуфабрикатов из деформируемых алюминиевых сплавов по российской и международной системам приведено в таблице 1.

Таблица 1 – Обозначений видов обработки деформируемых алюминиевых сплавов Н2 (П) Н14 Полунагартованное (1/2), повышение прочности Т1 Т6 Закаленное + искусственно состаренное на максимальную Т12 Т77 Закаленное + искусственно состаренное. Улучшение ТН** Т31, Т36, Закаленное + естественно состаренное + нагартованное. На Т37, Т39 степень деформации нагартовки указывает вторая цифра.

Т1Н Т81, Т83, Закаленное + нагартованное + искусственно состаренное. На Т86, Т87 степень деформации (нагартовки) указывает вторая цифра.

Т1Н1 Т9 Закаленное + искусственно состаренное + нагартованное.

1.2 Влияние легирующих элементов на свойства Деформируемые конструкционные алюминиевые сплавы – это, главным образом, сплавы алюминия с четырьмя компонентами: Cu, Mg, Zn и Si, к числу которых относительно недавно добавились Li и Ag [5]. Все перечисленные компоненты выбраны по одному признаку – они имеют наибольшую по сравнению с другими известными элементами растворимость в твердом алюминии, резко снижающуюся с понижением температуры, в результате чего при охлаждении сплавов с этими компонентами из твердого раствора выделяются интерметаллидные фазы, а при нагреве – растворяются. Это фазовое превращение (единственное в твердых алюминиевых сплавах) открыло возможность в сильной степени влиять на структуру и свойства сплавов посредством термической обработки.

Промышленные сплавы, разработанные на основе систем Al-Cu-Mg, Al-Mg-Si, Al-Cu-Mg-Si, Al-Zn-Mg-Cu, Al-Zn-Mg, Al-Mg-Li, Al-Cu-Li, Al-Cu-Mg-Ag, имеют высокий комплекс свойств после упрочняющей термической обработки (закалки и старения), когда матрицей сплава является твердый раствор, упрочненный дисперсными частицами интерметаллидных фаз, выделившихся из твердого раствора при старении.

Это относится к сплавам всех систем, т.е. механизмы упрочнения всех сплавов едины: твердорастворный + дисперсионное твердение. Отличие рассматриваемых сплавов друг от друга определяется составом, кристаллической структурой и свойствами дисперсных частиц интерметаллидов, выделяющихся из пересыщенного твердого раствора, от которых зависит эффект упрочнения. Главным свойством этих частиц является очень высокая по сравнению с матрицей твердость. В таблице приведены состав и микротвердость упрочняющих фаз, присутствующих в промышленных алюминиевых сплавах.

Таблица 2 – Максимальная растворимость легирующих компонентов в твердом алюминии и микротвердость основных упрочняющих фаз в промышленных алюминиевых сплавах Вторичные дисперсные выделения этих интерметаллидных фаз определили высокий уровень прочностных характеристик, достигнутый для алюминиевых сплавов и определивший возможность их применения для ответственных конструкций, в том числе в самолетостроении. Упрочняющий эффект от интерметаллидных фаз зависит от многих факторов: объемной доли фазы, степени ее диспергирования, когерентности метастабильных и равновесных выделений с матрицей и собственной твердости. Дальнейшие исследования в области химического состава и совершенствования режимов термической обработки продолжаются по сегодняшний день и будут рассмотрены в данном обзоре ниже.

технологических характеристик за счет легирования алюминиевых сплавов металлами, которые мало растворяются или практически не растворимы в твердом алюминии, но образуют с алюминием различные интерметаллидные соединения [5].

К таким металлам относятся переходные и многие редкоземельные металлы. В образующихся в сплавах алюминия с некоторыми переходными и редкоземельными металлами.

Таблица 3 – Максимальная растворимость металлов в твердом алюминии и микротвердость алюминиевых фаз, образующихся в сплавах Система Макс. растворимость Интерметаллидная фаза Микротвердость, HV, твердости основных упрочняющих фаз в промышленных сплавах (таблица 2) и при условии их рационального диспергирования, они могут стать эффективными упрочнителями алюминиевых сплавов.

Марганец в промышленных деформируемых алюминиевых сплавах, как правило, содержится в пределах от 0,3 до 0,9% [5]. Особенность влияния марганца на свойства алюминиевых сплавов заключается в том, что он после одинаковой термической обработки очень мало упрочняет холоднодеформированные горячедеформированные, полученные при определенных температурно-скоростных условиях деформирования. Так, добавка 0,4% Мп в сплав типа Д16 (с 5 % Си) повышает в холоднотянутых прутков, которые после закалки и естественного старения полностью рекристаллизованы, с 480 до 510 МПа, а в горячепрессованных прутков, имеющих после такой же термической обработки нерекристаллизованную структуру, — с 480 до 580 МПа.

Цирконий в алюминиевых сплавах обычно содержится в пределах от 0,1 до 0, %. Выделения фазы Al3Zr более дисперсны, чем алюминида Мn (10- 100 нм). Тем не менее, эффект дисперсионного твердения от выделений фазы Al3Zr в связи с малым содержанием циркония в сплавах, так же, как и в случае алюминидов Мn, невелик, но влияние выделений более дисперсного циркониевого алюминида на процесс рекристаллизации в деформированных полуфабрикатах и, соответственно, на их зеренную структуру значительно сильнее. Нерекристаллизованная (полигонизованная) структура после термической обработки с высоким эффектом структурного упрочнения для сплавов с добавкой циркония может быть получена для более широкой номенклатуры полуфабрикатов, чем для сплавов с марганцем, — практически для всех прессованных, катаных плит, штамповок и поковок, а также для некоторых холоднодеформированных полуфабрикатов (листов) из сплавов систем А1 - Zn - Mg и Al - Zn - Mg - Си, которые имеют по сравнению с дуралюминами и AI - Cu-сплавами более низкую температуру нагрева под закалку С. Малая добавка циркония в высокопрочные сплавы системы AI - Zn Mg - Си авиакосмического назначения привела к существенному повышению прочности, трещиностойкости и сопротивления усталости. Все сплавы этой системы, разработанные в последние десятилетия в ВИАМе с участием ВИЛСа, содержат 0,1-0,2% Zr (В96Ц, В96Ц-3, 1933) [5].

Скандий, использование которого в качестве легирующего компонента в алюминиевых сплавах началось в 80-х годах, оказался, по крайней мере, применительно к некоторым сплавам, наиболее эффективным легирующим элементом из всех ранее известных; выделения фазы AI3Sc значительно более дисперсны (1- нм), чем выделения алюминидов Мп и Zr. Скандий при содержании в сплавах 0,15 обусловливает очень высокий эффект дисперсионного твердения слитков при правильно выбранных температурных режимах их обработки. Если упрочнение деформированных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов от добавок Mn, Zr, Cr определяется в большей степени формированием в полуфабрикате субзерен ной структуры и в меньшей степени непосредственным дисперсионным твердением, то упрочнение от добавки скандия, например сплавов системы Al - Mg, в равной мере обусловлено влиянием обоих факторов. Кроме того, упрочнение сплавов систем Al Mg и Al - Zn - Mg от добавки скандия, особенно совместно с цирконием, после термической обработки присуще всем деформированным полуфабрикатам, включая холоднодефор-мированные листы, подвергнутые значительной холодной деформации. Упрочнение сплавов системы Al - Mg от малых добавок скандия и циркония соизмеримо с упрочнением от основного компонента — магния. Так, отожженные листы из сплава АМг6 (6 % Mg - 0,6 % Мn) имеют предел текучести 160 - 180 МПа, а аналогичные листы из сплава 01570 (6% Mg - 0,4 % Мn - 0,2 % Sc - 0,1 % Zr) — 300 - 320 МПа, т.е. малые добавки скандия и циркония повышают предел текучести почти в 2 раза. Таким образом, можно с достаточным основанием говорить о системе А1 - Mg - Sc - Zr, как о базовой системе термически упрочняемых сплавов нового типа [5].

Серебро. Роль добавки серебра в алюминиевые сплавы изучена в меньшей степени по сравнению с цирконием и скандием. В ранних работах было обнаружено, что микролегирование серебром в количестве 0,1% (масс.) оказывает стимулирующее воздействие на процесс дисперсионного твердения тройных и более сложных Al-Zn-Mg-сплавов в области температур 120-220°С [6].

Бериллий добавляется для уменьшения окисления при повышенных температурах [4]. Небольшие добавки бериллия (0,01-0,05%) применяют в алюминиевых литейных сплавах для улучшения текучести в производстве деталей двигателей внутреннего сгорания (поршней и головок цилиндров).

Бор вводят для повышения электропроводимости и как рафинирующую добавку.

Бор вводится в алюминиевые сплавы, используемые в атомной энергетике (кроме деталей реакторов), т.к. он поглощает нейтроны, препятствуя распространению радиации. Бор вводится в среднем в количестве 0,095-0,1%.

Висмут. Металлы с низкой температурой плавления, такие как висмут, свинец, олово, кадмий вводят в алюминиевые сплавы для улучшения обрабатываемости резанием. Эти элементы образуют мягкие легкоплавкие фазы, которые способствуют ломкости стружки и смазыванию резца.

Железо. В малых количествах (>0,04%) вводится для увеличения прочности и улучшения характеристик ползучести.

Индий. Добавка 0,05 — 0,2% упрочняет сплавы алюминия при старении, особенно при низком содержании меди.

Кадмий. Примерно 0,3% кадмия вводят для повышения прочности и улучшения коррозионных свойств сплавов.

Кальций придает пластичность. При содержании кальция 5% сплав обладает эффектом сверхпластичности.

Кремний является наиболее используемой добавкой в литейных сплавах. В количестве 0,5-4% уменьшает склонность к трещинообразованию.

Олово улучшает обработку резанием.

Титан. Основная задача титана в сплавах — измельчение зерна в отливках и слитках, что очень повышает прочность и равномерность свойств во всем объеме.

Основной прогресс в области исследования конструкционных алюминиевых сплавов в XXI столетии можно ожидать на пути усовершенствования уже известных и разработки технологии сплавов новых систем легирования. К таким системам относятся:

Сплавы системы Al-Mg. Традиционно к сплавам этой группы относят, в первую очередь, сплавы алюминия с магнием (АМг) и марганцем (АМц). Они имеет невысокую прочность, хорошую пластичность, свариваемость и коррозионную стойкость [4]. Сплавы могут упрочняться только холодной пластической деформацией. Сплавы АМг5 и АМг6 относятся к наиболее прочным сплавам системы алюминий-магний. Они характеризуются высокой технологической пластичностью, а также относительно высокими пределом прочности (в=110- МПа) и текучести (0,2=40-160 МПа) по сравнению с другими алюминиевыми сплавами в отожженном состоянии. Применяя различную степень нагартовки, можно получить разные механические свойства. Деформация на 20-30% резко повышает прочностные характеристики, но значительно снижает пластичность.

Кроме того, алюминиево-магниевые сплавы обладают высокой вибрационной стойкостью.

2 Сплавы системы Al-Mg-Si (в России эти сплавы называют авиалями, а за рубежом – сплавами 6ХХХ серии) представлены сплавами АВ, АД31, АД33 [4].

Избыток кремния в сплавах этой группы по сравнению с тем его количеством, которое необходимо для образования силицида магния, значительно повышает прочность состаренного сплава (рис. 1) [7]. Применяются для деталей средней прочности, работающих при температурах от -70 до +50°С, отличаются удовлетворительной обрабатываемостью резанием в закаленном и состаренном состоянии, что связано с присутствием добавок свинца и висмута. Сплавы системы Al-Mg-Si-Cu наиболее перспективны для замены сплавов типа Д16 при изготовлении основных элементов конструкции авиа- и ракетной техники. В частности, преимуществами относительно нового отечественного сплава являются высокая коррозионная стойкость, технологическая пластичность при горячей и холодной деформации, значительные прочность и сопротивление многоцикловой усталости.

Рисунок 1 - Микроструктура сплавов системы Al-Mg-Si: а - Х 100; б - X Сплавы данной системы 6013 производства Alcoa (США) и 6056 производства Peshiney (Франция) частично уже используются для самолетов фирмы Airbus и фирмы Boeing последних моделей [8].

3 Системы А1 - Fe - РЗМ и А1 - Ni - РЗМ, где в качестве РЗМ могут применяться Се, Y, La и др. [5]. Во многих сплавах этих систем при скоростях охлаждения при затвердевании 106 °С/с и выше формируется аморфная структура. Лабораторные образцы с аморфной структурой имеют высокую прочность, но прочность дополнительно повышается при смешанной структуре, когда из аморфной матрицы выделяются нанометрические частицы кристаллического алюминиевого твердого раствора и интерметаллических фаз. Формирование смешанной структуры достигается либо регулированием скорости охлаждения сплавов при затвердевании (некоторое снижение скорости по сравнению с той, которая требуется для образования аморфной структуры), либо путем термической обработки образцов с аморфной структурой. Образцы со смешанной структурой (лента толщиной мкм) из сплава Al88Ni9Ce2Fe1 имеют в=1560 МПа, а при 300°С в=970 МПа. О пластичности таких образцов судят по углу загиба ленты — угол загиба до 180° не приводит к разрушению. Получить в производственных условиях в заготовках аморфную или смешанную на основе аморфной структуру очень трудно, так как температуры кристаллизации рассматриваемых сплавов довольно низкие — 250С. Однако показано, что при компактировании порошка из некоторых сплавов, например Al85Y10Ni5, имеющего аморфную структуру, при температуре выше температуры кристаллизации образуется смесь нанометрических частиц кристаллических фаз (Al-твердого раствора и интерметаллидных фаз). Так, в результате компактирования и последующей экструзии аморфного порошка из сплава AIxsY)0Ni5 при температуре 510 °С получены прутки, имеющие при комнатной температуре в = 940 МПа, Е = 115000 МПа, = 2 %, а при температуре 300 °С в = 380 МПа, =10 % [5].

4 Системы А1 - Ni - Fe и Al - Ni - Со. При очень больших скоростях охлаждения при кристаллизации (106 °С/с и выше) аморфная структура и соответственно смешанная структура на основе аморфной были получены и в сплавах этих систем, т.е. в отсутствии РЗМ, которые являются более сильными аморфизаторами [5].

Изготовленные методом спиннингования ленты из некоторых сплавов этих систем при полностью аморфной структуре имеют в = 870-1070 МПа и 280 - 320 HV.

Образцы из этих же сплавов, изготовленные при пониженной скорости затвердевания, обладали смешанной структурой (аморфная плюс дисперсные частицы А1-твердого раствора размером около 10 нм). При такой смешанной структуре прочность повысилась до 1270 МПа, а твердость до 360 НV без снижения пластичности, что делает их весьма перспективными для дальнейшей разработки.

5 Системы А1 - Mg - Sc, Al - Zn - Mg - Sc, Al - Zn - Mg - Cu - Sc. На основе этих систем в ВИЛСе, ИМЕТ им. А. А. Байкова РАН, ЦНИИ КМ "Прометей", ОАО "Композит" применительно к традиционной слитковой технологии разработан ряд высокопрочных свариваемых сплавов (1570, 1970, 1975, 1545 и др.), часть которых успешно применяется в промышленности [5]. Но работы в области легирования сплавов перечисленных систем скандием продолжаются [9] и вполне реальны перспективы дальнейшего улучшения их свойств, особенно при использовании повышенных скоростей охлаждения при кристаллизации, что позволит повысить содержание скандия в сплавах.

Наиболее востребованные сплавы данной системы легирования [10]:

Сплав 1577 системы А1 - Mg, легированный скандием, имеет прочность в отожженном состоянии, близкую к прочности закаленного и естественно состаренного сплава Д16ч.-Т, и позволяет изготовлять сложные по конфигурации детали в режиме сверхпластичности (СПД=500-1000%).

1370Т1 - высокотехнологичный коррозионностойкий термически упрочняемый сплав с повышенными характеристиками жаропрочности (в20° >400-450 МПа, 0,220°>350-370 МПа, 500150°=290 МПа, 500175°=240 МПа) и технологичности при холодной деформации. Сплав используется в виде листов толщиной 0,5-1,2 мм на самолете Ан-148 (обшивка и гофры носовой части стабилизатора, гофры предкрылков и отклоняемого носка крыла). Освоено производство листов, прессованных профилей и плит, разработана технология сварки. Рекомендуется для обшивки и внутреннего набора фюзеляжа.

1913 (В91п.ч.)-Т3 - коррозионностойкий свариваемый термически упрочняемый сплав с высокой прочностью сварных соединений (в20°>450 МПа, 0,220°>350 МПа, в.св=0,9в). Освоено производство листов, прессованных профилей и штамповок, разработана технология сварки. Рекомендуется для применения в авиационной технике, в том числе для гидросамолетов и экранопланов, а также для строительных конструкций.

В-1341-Т(Т1) - высокотехнологичный коррозионностойкий свариваемый сплав средней прочности (свойства в состоянии Т1: в 330 МПа; 0,2 260 МПа; 10%, МКК < 0,105 мм). Разработана промышленная технология получения листов толщиной 0,6-3,0 мм с размером зерна менее 50 мкм, что обеспечивает их высокую технологичность при холодном формообразовании (Квыд до 40%, rmin = (0,5-1)s, s толщина листа). Рекомендуется использование в изделиях авиационной техники в виде обшивок, деталей внутреннего набора, перегородок, крепежных узлов, трубопроводов, сварных баллонов различного назначения, работающих в диапазоне температур от -70 до +150°С. Применение тонких листов (до 1,5 мм) в сварных баллонах, работающих под внутренним давлением, вместо листов сплава АМг4 (до 3 мм) обеспечивает герметичность по основному металлу и снижение массы изделий на 35-40%. Применен в новом региональном самолете SSJ. Может быть применен в конструкциях наземного транспорта (топливные баки и др.). Освоено промышленное производство всех видов полуфабрикатов.

6 Система Al-Cr-Zr. На основе этой системы были разработаны гранулируемые сплавы, рассчитанные на скорости охлаждения при кристаллизации 103 - 105 °С/с (1419, 1435) [5]. Эти сплавы по комплексу свойств (прочность, жаропрочность, коррозионная стойкость, свариваемость) имеют преимущества перед многими стандартными сплавами и нашли определенное применение (пока не широкое).

Однако остаются большие возможности дальнейшего улучшения свойств (и прочности, и жаропрочности) сплавов на основе системы Al-Cr-Zr как за счет совершенствования технологии производства (в частности, скорости охлаждения при кристаллизации), так и в результате разработки новых сплавов с повышенным содержанием хрома и циркония и с добавками других ПМ.

7 Сплавы системы Al-Cu-Mg с добавками марганца, названные дуралюминами (Д1, Д16, Д18, Д19, ВД17) [5], содержащие мелкодисперсные фазы Al2Cu и Al2CuMg (рис. 2), давно нашли наиболее широкое применение в авиационной и ракетной технике благодаря уникальному сочетанию прочностных свойств, получаемых после закалки и естественного или искусственного старения, а также способности работать при повышенных температурах (до 200°С). В последние годы для наиболее ответственных изделий применяют сплав Д16ч (чистый), в котором содержание железа и кремния 7-8%) сплав, рекомендуется вместо сплавов типа В95о.ч.-Т2 в основном в виде длинномерных катаных (плиты, листы) и прессованных (профили, панели, полосы) полуфабрикатов для верхних обшивок крыла, стоек, балок и других элементов в преимущественно сжатых зонах планера перспективных самолетных конструкций.

Из сплава освоено литье крупногабаритных круглых и плоских слитков; сплав обладает хорошей технологической пластичностью при изготовлении полуфабрикатов в металлургическом производстве.

В95о.ч., В95п.ч., (в 500-560 МПа) - (в 500-540 МПа; 0,2 430-480 МПа; >7наиболее широко применяемые высокопрочные сплавы преимущественно в виде катаных и прессованных длинномерных (до 30 м) полуфабрикатов для обшивок верха крыла (плит, листов), стрингеров (гнутых листовых и прессованных), балок, стоек и других элементов фюзеляжа и крыла современных самолетов (Ту-204, Ил-96, Бе-200).

1933-Т2/Т3 - основной высокопрочный ковочный алюминиевый сплав для внутреннего силового набора (фитингов, шпангоутов и др.), обладает высоким уровнем прочностных свойств (в зависимости от состояния в450-520 МПа;

0,2380-460 МПа), характеристик ресурса (вязкости разрушения: К1с37-44 МПам;

сопротивления усталости), коррозионной стойкости. Благодаря высокой технологичности сплава 1933 при литье, обработке давлением и термической обработке в серийном производстве изготовляют кованые и прессованные полуфабрикаты в широком диапазоне размеров - массой до 2000 кг и толщиной до 400 мм (рис. 4). Разработаны режимы малодеформационной закалки в полимерные среды и трехступенчатого старения Т123 крупногабаритных штамповок из сплава 1933, обеспечивающие улучшенный комплекс прочностных и ресурсных характеристик в сочетании с пониженным в 1,5-3 раза уровнем закалочных напряжений, что позволяет значительно уменьшить поводки и коробление деталей при механической обработке, снизить массу конструкции на 10-15% и продлить эксплуатационный ресурс конструкции в 1,5 раза.

Рисунок 4 - Штамповки из сплава 1933 для фитингов самолета SSJ (а, б) Квоты преимущества сплава 1933 в состояниях Т122 и Т123 перед серийными отечественными (1933-Т2) и зарубежными сплавами составляют: по прочностным характеристикам - 6-12%, по вязкости разрушения - 15-50%, по малоцикловой усталости - 35-80%. Сплав 1933 в состояниях Т2 и Т3 широко применен в современных самолетах Ан-148, SSJ в виде крупногабаритных поковок, штамповок и прессованных полос для массивных элементов внутреннего силового каркаса.

Новый ковочный высокопрочный сплав В-1963 предназначен для сильно нагруженных деталей внутреннего набора планера (типа шпангоутов, фитингов, балок и др.) в изделиях перспективной авиакосмической техники. Благодаря легированию серебром и скандием удалось одновременно повысить прочностные характеристики (в560-580 МПа; 0,2480-520 МПа; >8%) - на 10-20%, вязкость разрушения (К1с33-34 МПам) - на 15-25% и сопротивление усталости - в 1,8 - 2, раза по сравнению с серийными отечественными и зарубежными сплавами. Сплав обладает также улучшенными характеристиками свариваемости по сравнению с аналогичными сплавами без серебра (в.св. = 0,7в).

В96Ц, В96Ц1 - самые прочные сплавы (в=670-700 МПа) - нашли широкое эффективное применение для концевых деталей центрифуг, предназначенных для получения обогащенного урана 235, в виде горячепрессованных труб и штамповок, а также прессованных полуфабрикатов для корпусов ракет и винтовых насосов.

10 Сплавы системы Al-Be и Al-Be-Mg. Сплавы этой системы относятся к числу сплавов с высоким модулем упругости (высокомодульные сплавы). Свойства двойных алюминиево-бериллиевых сплавов (локеллоев) существенно улучшаются при легировании их элементами, взаимодействующими только с алюминиевой фазой и упрочняющими ее [4]. Так, магний, практически не взаимодействует с бериллием, но растворяется в алюминии и упрочняет его. При этом повышаются прочность и модуль упругости сплавов. Старение сплавов системы Al-Be-Mg не увеличивает прочностные характеристики, поэтому данные сплавы можно применять без термической обработки. Алюминиево-бериллиевый сплав с 30%Be и 5% Mg имеет следующие механические свойства при 20°С: в= 400-470 МПа, т = 270-300 МПа, = 11-18%, Е = 135 ГПа. Сплав по величине модуля упругости превосходит аналоги более чем в 2-3 раза, малочувствителен к надрезам. Из сплава объемной и листовой штамповкой могут быть получены детали любой формы.

Сплавы системы Al-Be-Mg целесообразно применять в тех случаях, когда определяющим конструктивным фактором является жесткость. При создании жестких конструкций (например, оболочковых конструкций) выигрыш в весе по сравнению со стандартными алюминиевыми сплавами составляет 40-60%.

перспективными авиакосмическими сплавами, которые за счет сочетания высоких удельной прочности и удельного модуля упругости, способны обеспечивать высокие эксплуатационные характеристики авикосмических узлов [4]. Так, например, в [2] сообщается, что Alcan Global Aerospace, Transportation and Industry (Alcan Global ATI, подразделение корпорации Rio Tinto Alcan) подписал авиастроительной индустрии, о поставках полуфабрикатов из алюминий-литиевых сплавов, производимых по технологии Aiware™ для нового самолета Cseries.

Планируется, что доля продукции, изготовленной по данной технологии, составит 20% от всех материалов, используемых в самолете Cseries. Технология Aiware™, позволяет производить полуфабрикаты из сплавов с низкой плотностью, обеспечивая тем самым легкость фюзеляжа самолета и его высокую скорость.

Полуфабрикаты будут использоваться для изготовления оболочки фюзеляжа, эксплуатационные расходы на 15% меньше по сравнению с используемой в настоящее время модификацией. Отечественные ученые также уделяют особое внимание сверхлегким сплавам данной системы. Так, главный металлург Государственного космического центра им. М.В. Хруничева (ракетно-космический завод) А.Л. Соловьев сообщил [13], что вместо применявшихся длительное время сплавов АМг6 и 1201 в перспективных разработках космических аппаратов и ракетносителей планируется использовать алюминий-литиевые сплавы.

Применение сплава 1420 (микроструктура которого, содержащая дисперсную фазу Al3Li, представлена на рисунке 5) в конструкциях вместо сплава Д16 позволяет снизить массу на 10-15% [7].

Рисунок 5 – Выделения фазы Al3Li в сплаве 1420 после старения:

Алюминий-литиевые сплавы хорошо деформируются в горячем состоянии, быстро упрочняются при холодной деформации, однако при высокой степени деформации в них появляется склонность к охрупчиванию. Сплавы хорошо прессуются, штампуются и обрабатываются резанием. Многим алюминий-литиевым сплавам присуще явление сверхпластичности, что значительно расширяет возможности их применения. Сравнительные свойства традиционных алюминиевых и алюминий-магний-литиевого сплава 1420 приведены в таблице 6.

Таблица 6 – Свойства традиционно применяемых алюминиевых сплавов и сплава Среди наиболее часто применяемых можно выделить следующие алюминийлитиевые сплавы [10]:

Сплав 1420-ТГ1(ТВ1) - среднепрочный коррозионностойкий высокомодульный свариваемый сплав пониженной плотности (d = 2,47 г/см3, Е = 78 ГПа; свойства в направлении Д: в 420 МПа, 0,2 270 МПа, 9 %). Предназначен для использования в конструкции самолетов (сварные герметичные отсеки, окантовки иллюминаторов, компоненты кабины); корпусах ракет; в наземном транспорте (штампованные колеса) (рисунок 6).

Рисунок 6 - Штамповка - окантовка иллюминатора - из сплава 1420ТГ Применение сплава обеспечивает для изделий авиакосмической техники снижение массы клепаной конструкции до 12 %, сварной - до 24 %. Эффективно использование сплава 1420 для изготовления штамповок вместо сплава АК6 в связи с пониженной на 10% плотностью, повышенными характеристиками усталости и коррозионной стойкости, модулем упругости. Применен в клепаных фюзеляжах палубных штурмовиков вертикального взлета ЯК-36 и ЯК-38; в виде штамповок в пассажирском самолете ЯК-42; в сварных топливных баках и сварной кабине пилота истребителя МиГ-29М; в изделиях Су-27 (до 800 деталей); Ту-204; Ми-26Т.

Сплав 1424-ТГ1/ТГ2 - среднепрочный коррозионностойкий свариваемый сплав пониженной плотности, с высокими модулем упругости (d=2,54 г/см3, Е=80 ГПа, в>430-460 МПа, 0,2>290-350 МПа) и характеристиками вязкости разрушения, трещиностойкости и термической стабильности при длительных солнечных нагревах. Освоено производство листов, прессованных профилей, в том числе с закалкой на желобе пресса (ТГ2), разработаны технологии сварки (в.св=0,8в) и изготовления деталей сложной конфигурации в режиме сверхпластичности.

Рекомендуется для клепаных и сварных конструкций авиакосмической техники (обшивка и внутренний набор фюзеляжа, сварные элементы конструкций), обеспечивает снижение массы на 10-20%.

Сплав 1441-Т1 - высокотехнологичный среднепрочный высокомодульный сплав (в410 МПа, Е=80 ГПа, d=2,6 г/см3), позволяет получать плакированные и неплакированные листы толщиной до 0,3 мм методом холодной рулонной прокатки.

Показано, что СРТУ в листах сплава 1441Т1 в коррозионной среде (3,5 %-ный раствор NaCl) при низких частотах нагружения (f=0,01Гц) сохраняет низкие значения, сопоставимые с СРТУ листов сплава Д16чТ. Освоено промышленное производство листов с различной регламентированной плакировкой, прессованных профилей и плит. Рекомендуется для силовых элементов планера (обшивок фюзеляжа, стрингерного набора), работающих во всеклиматических условиях до температуры 130°С. Обшивочные листы сплава 1441 успешно и длительно применяются в гидросамолетах Бе-103 и Бе-200 ОАО «ТАНТК им. Г.М. Бериева».

Сплав В-1461-T1 - высокопрочный коррозионностойкий свариваемый сплав пониженной плотности, с повышенным модулем упругости (d=2,63 г/см 3, Е=79, ГПа, в>540-560 МПа, 0,2>490-510 МПа), обладает высокими характеристиками.

Освоено производство листов, плит и прессованных полуфабрикатов.

Рекомендуется для клепаных и сварных конструкций авиакосмической техники (обшивка и силовой набор планера, элементы конструкций), обеспечивает снижение массы на 8-15% и работоспособность в широком интервале температур - от криогенных до повышенных (1000150° = 270 МПа, 1000160°=250 МПа).

Сплав В-1469-Т1 - высокопрочный коррозионностойкий свариваемый сплав пониженной плотности (d = 2,67 г/см3, Е = 78-80 ГПа, в 580-600 МПа, 0,2 540МПа, 8 %, кр = 400 МПа, всв/в > 0,6). Технологичен при литье и обработке давлением, что позволяет получать из него все виды полуфабрикатов, в том числе листы холодной рулонной прокаткой, сваривается всеми видами сварки. Освоено промышленное производство листов толщиной 1,2-6,0 мм и прессованных профилей. Рекомендуется для элементов, работающих на сжатие длительно во всеклиматических условиях до температур 150 °С (верхние поверхности крыла, лонжероны, балки, стрингеры). Эффективное использование в авиационной и ракетно-космической технике обеспечивает снижение массы деталей и узлов на % в клпаной и на 20 % в сварной конструкции (рисунок 7) [10].

Рисунок 7 - Прессованные профили из сплава В-

2 НОВЕЙШИЕ РАЗРАБОТКИ В ОБЛАСТИ

АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

В данном разделе обзора представлены новые алюминиевые сплавы, как только запатентованные, так и уже используемые в качестве аналогов существующих сплавов.

2.1 Сплавы, неупрочняемые термической обработкой Сплавы систем Al-Mg, Al-Mg-Sc 1 Деформируемый термически неупрочняемый сплав на основе алюминия [14].

Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым термически неупрочняемым алюминиевым сплавам, предназначенным для использования в качестве конструкционного материала космических летательных аппаратов. Сплав на основе алюминия содержит следующие компоненты, мас.%:

марганец 0,3-0,6, магний 0,9-1,4, скандий 0,17-0,35, цирконий 0,05-0,12, титан 0,01церий 0,0001-0,005, алюминий - остальное.

2 Деформируемый термически неупрочняемый сплав на основе алюминия [15].

Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым термически неупрочняемым алюминиевым сплавам, предназначенным для использования в виде деформированных полуфабрикатов в качестве конструкционного материала преимущественно для теплообменников системы терморегулирования космических летательных аппаратов. Деформируемый термически неупрочняемый сплав на основе алюминия содержит следующие компоненты, мас.%: магний 0,9-1,4, скандий 0,2-0,4, цирконий 0,05-0,15, титан 0,01церий 0,0001-0,005, алюминий остальное. Получается сплав, обладающий повышенной прочностью, что позволяет снизить массу изготавливаемых из него конструкций.

коррозионностойкий алюминиевого сплава системы алюминий-магний-скандий для работы в качестве конструкционного материала в изделиях ответственного назначения, элементы деталей которых работают до температур - 196oC [16]. Сплав содержит следующие компоненты, в мас. % магний 1,8-2,6, марганец 0,2-0,6, цирконий 0,05-0,015, бериллий 0,0002-0,005, скандий 0,1-0,19 водород 0,0179774алюминий - остальное.

4 Алюминиевый сплав системы Al - Mg - Sc, относящийся к деформируемому термически неупрочняемому свариваемому материалу [17]. Из предлагаемого сплава могут изготавливаться все виды полуфабрикатов (листы, плиты, поковки, штамповки, прутки, трубы, фольга) на металлургических заводах. Из этих полуфабрикатов могут изготавливаться детали, в том числе содержащие сварные герметичные соединения, используемые в конструкциях ответственного назначения, например самолетостроении, ракетной, космической и судостроительной технике.

Механические свойства сплава близки к сплаву АМг6, однако его структура не охрупчивается до -196°С, а коррозионная стойкость после инициирующих нагревов при 150°С в течение 50 ч выше, чем у сплава АМг6. С учетом высокой свариваемости, коррозионной стойкости и др. характеристики он может найти широкое применение, например, при изготовлении криогенных топливных баковых конструкций в самолетостроении.отличающемуся от известных тем, что содержит марганец, бериллий и водород при следующем соотношении компонентов, мас.%:

магний 1,8 - 2,6; марганец 0,2 - 0,6; цирконий 0,05 - 0,15; бериллий 0,0002 - 0,005:

скандий 0,1 - 0,19: водород 0,017974 - 0,035948; алюминий - остальное. Учитывая, что он менее легирован дефицитным дорогостоящим элементом скандием новый сплав является более дешевым по сравнению с другими сплавами системы Al - Mg Sc. Совместное введение скандия с цирконием повышает механические свойства сплава, как основного металла, так и свойства сварных соединений. Большее их количество, чем указанное в сплаве, может снизить как прочностные характеристики, так и характеристики вязкости и надежности сплава.

Взаимодействие элементов: циркония (перитектическая диаграмма состояния с алюминием) и скандия (эвтектическая диаграмма состояния с алюминием), из-за ограничения последнего в сплаве до 0,1-0,19% недостаточно, для влияния скандия (как поверхностно активного элемента) по границам зерен сплава. Поэтому введение, дополнительно, менее дорогого не дефицитного легирующего элемента марганца, компенсирует недостаточную концентрацию скандия. При этом марганец увеличивает сопротивление сплава образованию горячих трещин при отливке слитков и при сварке деталей, а также увеличивает коррозионную стойкость.

Содержание водорода в количестве 0,0179774 - 0,035948% в сплаве, обеспечивает минимальную пористость приводящую к снижению брака сварных соединений.

Предлагаемый сплав может быть использован для изготовления авиационных конструкций, работающих в интервале температур от - 196 до + 150oC.

Вызывает интерес исследование совместного влияние скандия и хрома на структуру и механические свойства алюминиево-магниевых сплавов [18], скандия и циркония [19]. Создание алюминиевых сплавов системы алюминий-магний, легированных скандием, в частности сплавов марок 1515, 1523, 1545, 1545К, 1570 и 1570°С, побуждает многих авторов исследовать их механические свойства в сравнении со свойствами традиционных сплавов АМГ6, 1420, 1421 и др., причем результаты свидетельствуют в пользу новых разработок [20].

Высокие пластические свойства дают основание исследовать структурные изменения сплавов данной группы при сверхпластической деформации [21], а также влияние режимов термообработки на конечные свойства [22].

Несмотря на то, что в качестве авиационных материалов чаще всего используются деформируемые алюминиевые сплавы, современные разработки литейных композиционных сплавов, обладающие достаточным запасом прочности, также способны вызвать интерес с точки зрения трибологии. Например, разработан алюминиевый сплав, получаемый методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, содержащий до 10 масс.% TiC, дисперсные частицы которого способствуют повышению износостойкости конечного литейного сплава [23]. Также сообщается о способе получения литого композиционного материала для изготовления деталей, работающих в условиях трения, который в качестве матричного компонента содержит сплав Al + 3% Mg, а в качестве армирующего компонента применяются дискретные керамические частицы карбида кремния SiC с зернистостью 30-50 мкм в количестве 3-5 или 15-19 мас.% [24].

Технический результат - получение высоких трибологических свойств материала.

2.2 Сплавы, упрочняемые термической обработкой Основными в этой группе, как было показано выше, являются сплавы систем алюминия с медью, магнием, марганцем, кремнием, литием и бериллием. Помимо главных элементов, в сплавы одной системы могут добавляться другие элементы, которые придают сплавам дополнительные свойства без изменения основных. В данном обзоре предлагаются к рассмотрению новые сплавы на базе существующих и успешно используемых систем легирования.

Наиболее удачной из отечественных разработок сплавов данной системы можно считать уже используемый сплав 1370 [25], наиболее близкий по своему составу к французскому 6056. Характеризуется высоким сопротивлением коррозии, а по прочности и ресурсным характеристикам приближается к сплавам типа Д16.

Режимы термической обработки, в частности, влияние закалки и старения на фазовый состав и механические свойства в настоящее время являются предметом научного исследования [8].

Последние исследования направлены на усовершенствование сплавов системы Al-Mg-Si путем добавления небольших количеств Mn, Cu, Cr, а также изменение режимов термической обработки [26]. В работе показано, что при варьировании скорости охлаждения формируется разная плотность вторичных выделений фазы Mg2Si различного размера, что положительно сказывается на конечных свойствах сплава.

Научные исследования с целью разработки вариантов химического состава в рамках данной системы легирования наиболее интенсивно проводятся зарубежными учеными (США, Нидерланды), о чем свидетельствует проведенный патентный обзор.

1 Сплав серии 2000 с улучшенными характеристиками стойкости к повреждениям для авиационно-космического применения [27]. В описании изобретения к патенту приводятся следующие данные. Изобретение относится к алюминиевому сплаву с улучшенной стойкостью к повреждениям, состоящему по существу из следующих компонентов, мас.%: медь 3,0-4,0; магний 0,4-1,1; серебро вплоть до 0,8; цинк вплоть до 1,0 мас.%; цирконий вплоть до 0,25 мас.%; марганец вплоть до 0,9; железо вплоть до 0,5; и кремний вплоть до 0,5; остальное - по существу алюминий, случайные примеси и элементы, причем упомянутые медь и магний присутствуют в отношении 3,6-4,5 частей меди на 1 часть магния. Данный композиционных изделий. Получается сплав, обладающий улучшенными прочностью, вязкостью и сопротивлением росту усталостной трещины.

Сплав алюмо-медно-магниевый, имеющий вспомогательные добавки лития [28]. Деформируемый алюминиевый сплав, содержащий, по существу, от 3 до 4,5 мас.% Cu; от 0,6 до 2 мас.% Mg; от 0,01 до 0,8 мас.% Li, необязательно до мас.% Zn, необязательно до 2 мас.% Ag, необязательно до 2 мас.% Si, необязательно до 1 мас.% элемента, формирующего дисперсную систему и остальное алюминий и случайные элементы и примеси, который обладает по меньшей мере повышенной трещиностойкостью и такой же или повышенной прочностью по сравнению с аналогичным сплавом, который не содержит литий или содержит его в количестве более 0,9 мас.% и повышенной прочностью и такой же или повышенной трещиностойкостью по сравнению с аналогичным сплавом, который не содержит литий или содержит его в количестве более 0,9 мас.%.

Для применения в авиационно-космической промышленности заявлен сплав с высокой стойкостью к повреждениям [29]. Изделие из деформируемого алюминиевого сплава с высокими прочностью и вязкостью разрушения и высокой усталостной прочностью и низкой скоростью роста усталостных трещин,