Огляд книги: Алюмінієво-літієві сплави

5 січня 2017 р., 9:00

Написаний трьома російськими металургами, маючи багаторічний досвід розробки та переробки сплавів Al-Li протягом багатьох десятиліть, алюмінієво-літієві сплави (частина серії "Досягнення в металевих сплавах" за редакцією Д. Г. Ескіна) забезпечує теоретичні основи для плавки, лиття, формування, термічна обробка та зварювання сплавів Al-Li, настільки важливих для проектування легких, високоефективних конструктивних елементів, що використовуються переважно в цивільних та військових літаках та аерокосмічній галузі загалом. У книзі оглядається робота, проведена над сплавами Al-Li з 1960-х років до сьогодні, і показує, як покращився розвиток старих сплавів Al-Mg-Li та Al-Cu-Li з точки зору механічних властивостей завдяки селективним змінам сплавів та обробки. Книга написана для аудиторії інженерів та науковців, які беруть участь у дослідженнях, розробці та застосуванні цих сплавів у сучасних авіаційних та аерокосмічних конструкціях.

Провідний автор, доктор наук. Ольга Грушко з 1959 року працює у Всеросійському науково-дослідному інституті авіаційних матеріалів (ВІАМ), де зараз вона працює головним науковцем, добре відомою як лідер у галузі нових сплавів Al-Li. Співавтор доктор Борис Овсянніков, головний металург і керівник науково-дослідних робіт Каменсько-Уральського металургійного комбінату, розробив методи виробництва лиття для сплавів Al-Li, включаючи нові класи сплавів Al-Li, що містять скандій. І співавтор проф. Д.т.н. Віктор Овчинников, керівник зварювальної лабораторії АТ "Російська авіаційна корпорація", розробив технологію виготовлення зварювальних конструкцій літаків із сплавів Al-Li. Ця "трійка" авторів зібрала 265 посилань, головним чином з російських технічних джерел, та узагальнила величезну літературу у восьми стислих і читабельних главах, де детально описується не лише теоретична основа сплаву Al-Li, але всі практичні аспекти їх виробництва та виготовлення. Автори мають між собою сотні технічних публікацій, на деякі з яких згадується в книзі, і багато винаходів, що стосуються комерціалізації сплавів Al-Li.

У главі 1 - Коротка історія створення алюмінієво-літієвих сплавів описана розробка перших сплавів Al-Li у 1950-х роках, стимулом якої є питома вага літію 0,536 проти алюмінію 2,699; ці ранні сплави Al-Li були засновані на системі Al-Cu-Li і включали 2020 рік (США) та VAD23 (СРСР). До того ж бути

Ці сплави були на 3% легшими

На 8% міцніше звичайних твердих сплавів 2024 та D16. Однак автори вказують на прорив сплаву 1420 Al-5.5Mg-2Li, розроблений в Росії в 1960-х роках, який є найлегшим алюмінієвим сплавом, що використовується сьогодні, на 10-12% легший за сплави серії 2xxx, що використовуються для фюзеляжу літаків з однаковими рівнями міцності та з вищою корозійною стійкістю. Глава за главою тут, сплав 1420 заслуговує на більшу увагу в цій книзі (Рисунок 1), зі значними змінами в його складі протягом багатьох років, що призводить до вдосконалення в обробці та виготовленні, остання за участю модифікованого сплаву 1421, що містить 0,16-0,21 Sc . Через важливість сплавів у системі Al-Cu-Li, зареєстрованих з 1980-х років у США, Франції та Англії, а також основу декількох російських сплавів, включаючи 1450, 1460 та оригінальний сплав 1230 (VAD23), вони також охоплюються.

Рисунок 1. Винищувач МіГ-29М (а) та його зварний паливний бак (б) виготовлені із надлегкого сплаву 1420 (Al-5,5Mg-2Li), що призвело до значного зниження ваги до 27%. (Взято з малюнка 1.2 на стор. 3 книги.)

Теорія легування Al-Li та вплив металевих та неметалічних домішок, включаючи лужні та лужноземельні домішки, такі як Ca, Ba, Na та K, що виникають при обробці розплаву, ефекти захисту розплаву від окислення добавками Be та Y, а термодинаміка взаємодії розплаву і потоку висвітлена в главі 2. Оскільки Li підвищує розчинність водню і є гідридним утворенням, показано, що мінімізація вмісту водню під час плавлення цих сплавів за допомогою вакуумної обробки та електрофлюсового рафінування контролює вміст водню до прийнятних рівнів, як показано в розділі 3.

Заготовки, відлиті зі сплавів Al-Cu-Li та Al-Mg-Li, порівнюються в главі 4 щодо їх пластичності, ударної в'язкості та механічних властивостей, критичних для запобігання холодних тріщин при литті. Вплив основних легуючих елементів та співвідношення Fe/Si на подовження при кімнатній температурі та ударну в'язкість представлено на різних графіках та трійкових діаграмах. Так само теплофізичні властивості твердо-рідкого стану Al-Cu-Li, Al-Cu-Li-Mn і, звичайно, сплавів Al-Mg-Li представлені в таблиці разом із температурною залежністю відносного подовження та лінійної усадки в графіку інтервалу розплаву. Дано кілька порад щодо правильної практики ливарного виробництва щодо успішної ковки, прокатки та екструзії цих сплавів.

Металургійні принципи контролю розміру зерен при затвердінні заготовок і плоских злитків і плит та вплив спадковості литої структури на характеристики потоку в металообробці та кінцевій продукції висвітлено в главі 5. Глава 6 рекапітулює багато металургійних ефектів у сплаві та литті, включаючи спадковість литої структури, що стосується структури, властивостей і зварюваності заготовок із сплаву 1420. Розділ 7 робить те саме, але застосовується до зварюваності поковок з матриць зі сплаву 1420 щодо як початкової структури плити, так і мікро- та макроструктури самої ковки штампу. Властивості матеріалу зварного з'єднання, включаючи міцність на виріз, в'язкість при руйнуванні та втомні властивості, введені в таблиці для виготовлення поковок з матриці зі сплаву 1420 із використанням автоматичної аргонодугової дуги, ручної дуги аргону та зварювання електродуговим зварюванням.

У розділі 8, останньому і найбільш об’ємному розділі книги, дуже детально висвітлено зварювання сплавів Al-Li. У зв'язку з цим згадуються всі звичайні та деякі нетрадиційні процеси зварювання. Дані представлені на зварних швах сплаву 1420 та інших сплавах Al-Li, виготовлених точковим зварюванням електричним опором та зварюванням плавленням із присадним металом та без нього. Деякі з описаних процесів зварювання включають дугове зварювання з магнітним перемішуванням, автоматичне зварювання обертовим електродом, гібридне лазерне та плазмове зварювання, зварювання тертям з перемішуванням (рис. 2) та електронно-променеве зварювання (рис. 3). Не лише описуючи особливості різних типів зварних швів, виготовлених із сплавів Al-Li, у цій главі викладаються механізми виникнення дефектної структури при зварюванні сплавів Al-Li та пропонуються вказівки щодо уникнення дефектних конструкцій у цих зварних швах.

Рисунок 2. Зовнішній вигляд зварного шва тертя (а) та мікроструктури цього зварного шва, виготовленого зі сплаву V-1469 (Al-4Cu-1.3Li, з додаванням Sc та Ag) (b). (Взято з малюнка 8.27 на стор. 259 з алюмінієво-літієвих сплавів.) Рисунок 3. Приклади з'єднань та швів, виготовлених електронно-променевим зварюванням 1420 деталей сплаву з різними перерізами. (Взято з рисунка 8.50 на стор. 285 з алюмінієво-літієвих сплавів.)

Після прочитання та перегляду цієї книги постає питання принаймні для мене, чи можуть сплави Al-Li, які вигідно конкурують із композитами з вуглецевого волокна (ХФУ) в авіабудуванні, також не конкурувати в автомобільній та іншій галузі. сектор - наприклад, спортивне обладнання - де високі експлуатаційні характеристики та легкі конструкції вимагають високої ціни. Сьогодні на автомобільних ринках ХФУ зазвичай конкурують із сплавами 6xxx та деякими сплавами серії 7xxx. Безумовно, різниця у вартості між цими сплавами та сплавами Al-Li може перешкоджати такій зміні матеріалу на даний момент. Однак із збільшенням масштабів виробництва цих сплавів можна очікувати зменшення витрат і, хоча зараз це здається малоймовірним, можливо, ми не побачимо такого розвитку подій у майбутньому?

Примітка редактора: Цей огляд книги був вперше опублікований у випуску Light Metal Age за грудень 2016 року.