Алюминий-литиевые сплавы

Алюминий-литиевые сплавы являются новым классом широко известных алюминиевых систем и характеризуются прекрасным сочетанием механических свойств: малой плотностью, повышенным модулем упругости и достаточно высокой прочностью. Это позволяет создавать аэрокосмическую технику с меньшей массой, что даёт возможность экономии горючего, увеличения грузоподъемности и улучшения других характеристик летательных аппаратов.Алюминиевые сплавы, легированные литием, относятся к стареющим системам и отличаются сложностью фазовых и структурных превращений в процессе их термообработки.

Эти изменения оказывают сильное влияние на характеристики трещиностойкости, вязкости разрушения, коррозионной стойкости и сопротивления циклическим нагрузкам. Поэтому их понимание представляет большое научное и практическое значение.Перечислю кратко основные свойства сплавов Al-Li. Увеличение содержания лития уменьшает плотность алюминия. Добавки лития в пределах твердого раствора приводят к непрерывному увеличению удельного сопротивления.

Модуль упругости алюминия возрастает с увеличением содержания лития. При максимальной растворимости лития в твердом растворе модуль упругости составляет 8000кГ/мм2. Увеличение содержания лития приводит к повышению прочностных характеристик алюминия. При содержании лития до 2% прочность сплавов возрастает без снижения пластичности, при дальнейшем увеличении содержания лития пластичность резко снижается.Литий при концентрациях до 0,8% сообщает алюминиевым сплавам повышенную стойкость к коррозии, более высокую, чем у чистого алюминия.

В данной работе я хочу остановиться на рассмотрении промышленных алюминий-литиевых сплавах. Рассмотрим сначала их общую характеристику.Повышенный интерес к легированию алюминиевых сплавов литием, самым легким из металлов с плотностью ~ 0,54 г/см3, обусловлен тем, что каждый процент лития снижает плотность алюминия на 3%, повышает модуль упругости на 6% и обеспечивает в сплавах значительный эффект упрочнения после закалки и искусственного старения.

К настоящему времени создан целый класс сплавов пониженной плотности различного назначения; сплавы для изготовления сварных конструкций; высокопрочные сплавы для замены сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu типа В95; сплавы с высокой трещиностойкостью для замены сплавов типа Д16 системы Al-Cu-Mg; жаропрочные сплавы.На базе системы Al-Mg-Li разработан оригинальный сплав 1420. Он самый легкий (плотность 2,47г/см3), коррозионностойкий, свариваемый, имеет сравнительно высокую (по сравнению с предыдущими сплавами) прочность и повышенный модуль упругости (7500 кГ/мм2). Сплав закаливается как при охлаждении в воде, так и на воздухе.

Механические свойства сплава в процессе старения при 200С не изменяются, что позволяет легко производить всевозможные технологические операции по деформации в закаленном состоянии.Этот сплав относится к среднепрочным и широко применяется в сварных конструкциях, обеспечивая снижение массы до 20-25% при повышении жесткости до 6%. Также из этого сплава изготовляют плиты, панели, профили, прутки, листы (в состоянии Т1 (см. ниже)). С целью повышения прочностных свойств, особенно предела текучести, предложены модификации сплава 1420 (1421 и 1423), которые дополнительно легированы скандием и различаются лишь содержанием магния.

Высокопрочные сплавы 1450 и1451 системы Al-Cu-Li характеризуются высокой прочностью не только при комнатной, но и при повышенных температурах, а также обладают хорошей коррозионной стойкостью.

При замене сплава В95 сплавами 1450 и 1451 (последний предназначен главным образом для изготовления листов) масса конструкции может снизиться на 8-10% при повышении жесткости до 10%. Высокой жаропрочностью при температурах до 2250С обладает сплав ВАД23, дополнительно содержащий марганец и кадмий.Для замены сплавов типа Д16 на базе системы Al-Mg-Li-Cu разработаны сплавы 1430 и 1440 с более низкой (на ~ 8%) плотностью, повышенным (на 10%) модулем упругости и достаточно высокой трещиностойкостью.

Сплав 1430 отличается от сплава 1440 повышенной (в 1,5-2 раза) пластичностью и несколько уступает ему по характеристикам малоцикловой усталости. Интенсивные работы по созданию алюминий-литиевых сплавов велись также в США, Великобритании и Франции.В середине 80-х годов появились сплавы 2090 системы Al-Cu-Li, 2091 системы Al-Cu-Li-Mg, 8090 и 8091 системы Al-Li-Cu-Mg и публикация состава сплава Navalite системы Al-Mg-Li-Cu. Сплавы 2090 (аналог отечественного сплава 1450) и 8091 предложены для замены высокопрочных сплавов типа 7075 (отечественные сплавы типа В95), по сравнению с которыми они имеют пониженную на 8-10% плотность и повышенный модуль упругости.

Сплавы 8090 (аналог отечественного сплава 1440), 2091 и Navalite (аналог сплава 1430) рекомендованы для замены сплавов средней прочности с повышенной трещиностойкостью типа 2024 и 2014 (типа Д16 и АК8), по сравнению с которыми они имеют пониженную (на ~ 8%) плотность и повышенный (на ~ 10%) модуль упругости.

Химический состав (основных легирующих и примесных элементов) алюминий- литиевых сплавов приведен в таблице 1. ТАБЛИЦА 1. Химический состав, плотность ?n и модуль упругости Е алюминий- литиевых сплавов |Марка |Массовое содержание элементов, % | |Е, | |сплава | |г/с|ГПа| | | |м3 | | | |Li |Mg |Cu |Zr |Sc |Fe |Si | | | | | | | | | | |(не | | | | | | | | | | |более| | | | | | | | | | |) | | | |1420 |1,8-2|4,5-6|- |0,08-|- |0,2 |0,15 |2,4|76 | | |,3 |,0 | |0,15 | | | |7 | | |1423 |1,8-2|3,2-4|- |0,06-|0,10-|0,15 |0,10 |2,5|77 | | |,2 |,2 | |0,10 |0,20 | | |0 | | |1430 |1,5-1|2,3-3|1,4-1|0,08-|- |0,15 |0,10 |2,5|79 | | |,9 |,0 |,8 |0,14 | | | |7 | | |1440 |2,1-2|0,6-1|1,2-1|0,10-|- |0,15 |0,10 |2,5|80 | | |,6 |,1 |,9 |0,20 | | | |6 | | |1450 |1,8-2|?0,2 |2,7-3|0,08-|- |0,15 |0,10 |2,6|79,| | |,3 | |,2 |0,16 | | | | |5 | |1451 |1,5-1|?0,2 |2,7-3|0,08-|- |0,15 |0,10 |2,6|78,| | |,8 | |,2 |0,16 | | | |3 |5 | |ВАД23 |0,9-1|- |4,8-5|0,4-0|0,1-0|0,3 |0,2 |2,7|76 | | |,4 | |,8 |,8 Mn|,25 | | |2 | | | | | | | |Cd | | | | | |8090 |2,2-2|0,6-1|1,0-1|0,04-|- |0,30 |0,2 |2,5|79,| | |,7 |,3 |,6 |0,16 | | | |4 |5 | |8091 |2,4-2|0,5-1|1,6-2|0,08-|- |0,50 |0,3 |2,5|80 | | |,8 |,2 |,2 |0,16 | | | |6 | | |2090 |1,9-2|0,25 |2,4-3|0,08-|- |0,12 |0,1 |2,5|80 | | |,6 | |,0 |0,15 | | | |9 | | |2091 |1,7-2|1,1-1|1,8-2|0,04-|- |0,30 |0,2 |2,5|78 | | |,3 |,9 |,5 |0,16 | | | |7 | | |Navalite |1,6-2|1,7-3|0,9-1|0,14 |- |- |- |- |- | | |,8 |,9 |,4 | | | | | | | Отечественные сплавы несколько отличаются от соответствующих зарубежных аналогов по содержанию основных легирующих элементов и дополнительным комплексным микролегированием.

Кстати, за рубежом нет аналога отечественному сплаву 1420. Это объясняется значительными трудностями при плавке и литье сплавов системы Al-Mg-Li. Поэтому зарубежные фирмы сосредоточили свои усилия на разработке и освоении более технологичных, но менее плотных, чем 1420, сплавов систем Al-Cu-Li и Al-Cu-Li-Mg. В процессе освоения промышленного производства полуфабрикатов из сплава 1420 у нас были решены сложные технологические проблемы, характерные и для других алюминий-литиевых сплавов, обусловленные: присутствием химически активных элементов – лития и магния; высокой степенью легирования, достигающей 14% (атомное содержание); сильной локализацией деформации в полосах скольжения и интенсивным упрочнением с резким уменьшением пластичности при холодной пластической деформации; отсутствием режимов смягчающего отжига, обеспечивающего разупрочнение и повышение пластичности до уровня, необходимого для осуществления значительной холодной деформации; пониженной пластичностью и вязкостью разрушения в высотном направлении массивных полуфабрикатов.

Большое внимание было уделено таким вопросам: уменьшение газосодержания в сплаве; повышение чистоты по таким примесям, как Na, K, Fe, Si; отработка технологии получения полуфабрикатов с регламентированной микроструктурой, включая листы с ультрамелкозернистой структурой для сверхпластичной формовки; отработка технологии сварки плавлением, обеспечивающей высокие ресурсные характеристики.

Из алюмимний-литиевых сплавов изготавливают практически все виды полуфабрикатов – прессованные, штамповки, плиты, листы.

Теперь рассмотрим влияние различных факторов на свойства промышленных сплавов Al-Li. Работоспособность алюминий-литиевых сплавов определяется главным образом такими ресурсными характеристиками, как скорость роста трещины усталости, коэффициент интенсивности напряжений в вершине трещины (Кс, К1с), малоцикловая усталостная долговечность, сопротивление коррозионному растрескиванию, расслаивающая и межкристаллитная коррозия.

На уровень указанных свойств большое влияние оказывает ряд факторов.

К наиболее важным факторам относятся: . характер зеренной структуры: степень рекристаллизации, анизотропии формы зерна, наличие и плотность выделений на границах зерен и субзерен, наличие приграничных зон, свободных от выделений; . холодная деформация растяжения между закалкой и старением полуфабрикатов; . режим искусственного старения.

Влияние зеренной структуры на свойства сплавов.

Полуфабрикаты с преимущественно рекристаллизованной структурой обладают более высокими характеристиками вязкости разрушения и трещиностойкости при несколько пониженных прочностных свойствах по сравнению с нерекристаллизованной структурой.Наилучшие результаты обычно получают на полуфабрикатах с мелким, близким к равновесной форме, зерном.

Однако повышение вязкости разрушения не всегда связано с наименьшим размером зерна. Положительный эффект наблюдается также на полуфабрикатах, в которых в процессе перестраивания выделяются частицы вторичных фаз – Т2, S. Полуфабрикаты с рекристаллизованной структурой характеризуются повышенным сопротивлением расслаивающей коррозии.