Сплавы, получаемые методом порошковой металлургии

 

На основе алюминия производят две группы таких сплавов: САП – спеченные алюминиевые порошки, и САС – спеченные алюминиевые сплавы.

Спеченные алюминиевые порошки (САП). Для изготовления изделий используют алюминиевую пудру и мелкодисперсную Al₂О₃ (табл. 3.6), которые тщательно перемешивают, засыпают в пресс-формы и прессуют под давлением, а затем проводят спекание при температуре 600 °С. Поскольку оксид алюминия не растворяется в алюминиевой основе и не укрупняется, то эти сплавы имеют хорошую жаропрочность, прочность, высокую коррозионную стойкость, хорошую тепло- и электропроводность, высокое сопротивление истиранию. Свойства изделий из САП зависят в основном от содержания оксида алюминия и степени дисперсности алюминиевой пудры.

Таблица 3.6

Химический состав и свойства спеченных алюминиевых порошков

Марка	Полуфабрикат	Темп. испытания	Кол-во Al2О3, %	Механические		свойства
				σв, МПа	σ0,2, МПа	δ, %	НВ
САП-1	Прутки,	20	6…9	260…300	200…240	8…12
	полосы	300 500		160…180 50…70	120…140 50…60	3…7 2…6	85
	Листы	20		320…340	280…300	3…4
		300		90…120	–	10…14	–
		500		30…40	–	6…8
САП-2	Прутки,	20	9…13	320-360	210…250	6…8
	полосы	300 500		170-180 80-90	150…160 80…90	4…6 2…3	100
САП-3	Прутки, полосы Штам-повка	20 300 20 350 500	13…18	380-450 190-210 370-390 120-130 70-80	320…360 140…160 320…330 100…110 50…60	3…6 4…7 6 8 6	120   100

 

САП применяют вместо нержавеющих сплавов для изготовления деталей и узлов в малонагруженных конструкциях, эксплуатируемых продолжительно при температуре 300…500 °С и для кратковременной работы до 1000 °С. Сплавы легко обрабатываются резанием.

Спеченные алюминиевые сплавы (САС). Сплавы состоят из спеченного легированного алюминиевого порошка или гранул. Для САС характерны или высокая прочность, или хорошая жаропрочность, или низкий коэффициент линейного расширения, или низкий коэффициент трения. Изменение свойств зависит от легирующих элементов, которые присутствуют в сплаве. В зависимости от легирующих компонентов САС подразделяются на три группы.

Первая группа содержит марганец, хром, цирконий, титан. В результате технологических нагревов под горячее прессование и экструзию они распадаются с выделением дисперсных интерметаллидных фаз, что приводит к повышению прочности.

Вторая группа САС легирована железом, никелем и кобальтом. Большая скорость охлаждения частиц порошка обеспечивает образование гетерогенной (неоднородной) структуры, т.е. интерметаллидные фазы находятся в дисперсном состоянии и равномерно распределены.

Третью группу САС составляют гранулированные сплавы, полученные из алюминиевых сплавов, содержащих свинец, олово, кадмий.

Полуфабрикаты из САС получают, нагревая сначала порошки и гранулы в алюминиевой оболочке, а затем подвергая горячему прессованию и экструзии. Для сплавов первой и второй групп этот процесс проводится при температуре 400…500 °С, что обеспечивает создание и сохранение необходимой структуры и получение требуемых свойств.

Применяют САС для деталей, работающих в паре со сталью при температуре 20..200 °С, которые требуют сочетания низкого коэффициента линейного расширения и малой теплопроводности.

 

Новые сверхлегкие сплавы

Сплавы системы Аl – Li имеют высокую удельную прочность с высоким удельным модулем упругости, поэтому они могут резко снизить вес и стоимость конструкций самолета. Кроме чрезвычайно токсичного бериллия, литий является единственным легирующим элементом, содержание которого в сплаве уменьшает плотность сплава и увеличивает модуль упругости. Каждый процент содержания лития в Аl – Li сплаве снижает его плотность на 3 % и повышает модуль упругости на 6 %. Добавка к алюминию лития, плотность которого в два раза меньше плотности воды, снижает плотность получаемого сплава до уровня, гораздо более низкого, чем уровень плотности современных авиационных сплавов. Плотность таких сплавов составляет 2,54…2,56 г/см³.

Впервые сплавы системы Аl – Cu– Li были разработаны более 25 лет назад у нас в стране (сплав ВАД23) и за рубежом (сплав 2020) с низким содержанием лития (1,1 %), имевшие по сравнению с высокопрочными алюминиевыми сплавами более высокую удельную прочность и жесткость.

В настоящее время разработаны новые сплавы этой системы. Сплав 1420 (содержит 0,1…2 % Li) – самый легкий алюминиевый сплав, его плотность 2,5 г/см³. Модуль упругости сплава – 76000 МПа в отличие от модуля упругости традиционных сплавов типа Д16, равного 72000 МПа. Широкое применение сплава 1420 вместо сплава Д16 в конструкциях снижает массу от 13 % до 20 %.

Сплав 1420 обладает удовлетворительной коррозионной стойкостью, сваривается всеми видами сварки. Прочность сварного соединения составляет по сравнению с прочностью основного материала 84 %. Повторная термическая обработка сплава после сварки дает 100 %-ную прочность. Сплав 1420 закаливают с 450 °С охлаждением в воде или на воздухе с последующим искусственным старением при 120 °С в течение 12 ч. Закалка с охлаждением на воздухе обеспечивает высокую коррозионную стойкость, закалка в воде – получение высоких характеристик пластичности.

 

Резюме. Традиционные алюминиевые сплавы являются основным материалом для конструкций планера самолетов. В последние годы разрабатываются новые сплавы, легированные скандием, которые характеризуются более высокой прочностью и технологичностью, благодаря формированию ультрамелкозернистой стабильной микроструктуры. Перспективными материалами для авиационной техники являются также разработанные в последние годы легкие алюминий-литиевые сплавы.

4. ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ

Ключевые слова: титан, деформируемые и литейные сплавы, α-стабилизаторы, β – стабилизаторы, α-, α+β, β-сплавы

Титан является важнейшим конструкционным материалом, который широко применяют в авиационной и космической технике, судостроении и других отраслях промышленности.

Титан является переходным металлом, плавится при температуре 1668 °С, имеет плотность 4,51 г/см³. При температуре 882,5 °С титан претерпевает полиморфное превращение: ниже 882,5 °С он имеет ГП решетку (α-Ti), выше 882,5 °С – ОЦК решетку (β-Ti), устойчивую до температуры плавления. Теплопроводность титана в 13 раз меньше теплопроводности алюминия и в 4 раза меньше, чем у железа. Поэтому титановые листы иногда используют в качестве противопожарных перегородок на самолетах.

Титановые сплавы обладают почти в два раза более низким, чем у стали, модулем упругости, что ограничивает их применение в конструкциях, требующих высокой жесткости. В конструкции самолета масса титановых сплавов составляет почти 30 %.

Чистый титан, содержащий не более 0,05...0,1 % примесей, обладает высокой пластичностью (δ = 50...60 %,ψ = 70...80 %) и низкой прочностью (σ_в = 20...250 МПа). Путем рационального легирования прочность титана повышают до σ_в = 1600 МПа, которая сохраняется почти до 350 °С.

Титан и его сплавы имеют исключительно высокую коррозионную стойкость, в морской воде они ведут себя лучше, чем коррозионно-стойкие стали. Коррозионная стойкость титана высока в тех средах, которые не разрушают его оксидную защитную пленку – в азотной, разбавленной серной и уксусной кислотах, в сероводороде, царской водке и во многих других агрессивных средах. Коррозионная стойкость титана может быть повышена легированием рением, танталом, ниобием, молибденом и цирконием.

Титан и его сплавы имеют следующие недостатки.

1. Титан склонен к коррозии под напряжением в присутствии хлорида натрия при 215...550 °С.

2. При температурах выше 400 °С титан активно поглощает азот, кислород, водород. Увеличение содержания этих газов, а также углерода приводит к охрупчиванию титана. Повышение концентрации содержания примесей до 0,4 % в техническом титане сопровождается увеличением прочности до σ_в = 550 ΜПа и снижением относительного удлинения до δ = 25 %. Примеси внедрения (Ν, О, С) снижают технологическую пластичность и свариваемость, повышают чувствительность сплавов к концентраторам напряжений, к хладноломкости, ухудшают их термическую стабильность, которая имеет важное значение для жаропрочных сплавов. Кроме того, примеси внедрения снижают термическую стабильность сплавов путем ускорения процессов распада метастабильных структур твердых α- и β-растворов при повышенных температурах.

3. Титан обладает низкими антифрикционными свойствами и высоким коэффициентом трения.

4. Титановые сплавы менее технологичны, чем алюминиевые и стали, их труднее отливать, сваривать, обрабатывать резанием.