Введение к работе
Актуальность работы. В современном авиастроении широко применяются полуфабрикаты из многокомпонентных алюминиевых сплавов благодаря хорошему сочетанию их механических, коррозионных и конструкционных свойств. Для обшивки и внутреннего набора элементов планера самолета (фюзеляж, крыло, киль) успешно используются высокопрочные алюминиевые сплавы на основе систем Al-Cu-Mg (серия 2ххх) и Al-Zn-Mg-Cu (серия 7ххх). Кроме того, в конструирование отдельных узлов и деталей авиатехники активно начинают внедряться новые алюминий-литиевые сплавы.
Несмотря на широкое практическое применение сплавов на основе указанных систем, существуют определенные трудности при производстве полуфабрикатов с уровнем свойств, регламентируемых нормативной документацией. Очень часто наблюдается недопустимо низкий уровень и значительный разброс механических свойств толстых плит (60+150 мм), получаемых горячей прокаткой крупногабаритных слитков толщиной 300+400 мм сплавов на основе систем Al-Cu-Mg (2024 и 2124) и Al-Zn-Mg-Cu (7050, 7075, 7175, 7475, В96ц-3пч). На момент начала диссертационного исследования хотя и удавалось получать плиты указанной толщины с уровнем свойств, отвечающих требованиям нормативной документации, однако стабильности в этом процессе не было.
Известно, что структура и свойства плит зависят от режимов горячей прокатки и термической обработки. Однако параметры отмеченных технологических операций регламентированы в сравнительно узких пределах и их изменение нежелательно. Поэтому в данной работе избран путь стабилизации структуры и свойств плит за счет повышения качества слитка, которое в существенной степени зависит от параметров литья: температуры и скорости, расхода охлаждающей воды. Эти технологические факторы, обеспечивающие отливку крупногабаритных слитков без образования в них горячих и холодных трещин, подобраны эмпирически, и их изменение, как показал промышленный опыт, вызывает повышенное трещинообразование. Между тем, такие металлургические факторы как химический состав и процесс модифицирования сплавов могут изменяться в сравнительно широких пределах, поэтому основное внимание в работе и было уделено поиску путей улучшения качества слитков, и, как следствие, качества толстых плит за счет корректировки химического состава сплава в регламентированных стандартами и техническими условиями пределах, а также процесса модифицирования сплавов при полунепрерывном литье из них крупногабаритных слитков из слож-нолегированных алюминиевых сплавов.
Согласно стандартам и техническим условиям содержание легирующих элементов в многокомпонентных алюминиевых сплавах изменяется в достаточнс широких пределах. Как правило, выбор конкретного химического состава сплавг осуществляется в средней части регламентируемых концентрационных интервалов. Исследование образцов от плит с низкими значениями механических свойсті показало, что при указанном выборе химического состава сплавов в микрострук туре плит часто наблюдается значительная объемная доля нерастворенных фаз. Е связи с этим представляло интерес разработать рациональный подход к выбору химических составов многокомпонентных алюминиевых сплавов, основанный н; данных их термического анализа, предельной совместной растворимости леги рующих компонентов в алюминиевой матрице при температуре нагрева сплавої под закалку и закономерностях образования фаз с участием как легирующих, таї и примесных элементов.
Кроме того, как показывает производственный опыт, действующий комби нированный способ модифицирования алюминиевых сплавов систем Al-Cu-Mg ] Al-Zn-Mg-Cu не является рациональным, поскольку результаты исследовани крупногабаритных слитков и изготовленных из них полуфабрикатов свидетельст вуют о том, что в микроструктуре сплавов наблюдается увеличение толщины эв тектических прослоек по границам зерен и укрупнение интерметаллидных фа кристаллизационного происхождения.
Вышеизложенное свидетельствует о том, что повышение качества крупне габаритных слитков и, как следствие, полуфабрикатов из многокомпонентны алюминиевых сплавов представляет собой актуальную научно-техническую задг чу.
Цель работы заключается в определении состава фаз и температур фазовы превращений в многокомпонентных алюминиевых сплавах; в разработке рацис нального подхода к совершенствованию составов и технологии модифицирована алюминиевых сплавов на основе систем Al-Cu-Mg, Al-Zn-Mg-Cu и Al-Li при п< лунепрерывном литье крупногабаритных слитков, предназначенных для изготої ления полуфабрикатов с заданным комплексом механических и конструкционнь: свойств.
Для достижения поставленной цели потребовалось:
определить температуры фазовых превращений (равновесного и нерави весного солидуса, ликвидуса) и температуры начала линейной усадки многокої понентных алюминиевых сплавов на основе систем Al-Cu-Mg, Al-Zn-Mg-Cu Al-Li сплавов при плавлении и неравновесном затвердевании;
установить влияние химического и фазового состава многокомпонентнь
алюминиевых сплавов на основе систем Al-Cu-Mg и Al-Zn-Mg-Cu на механи
ские свойства плит толщиной 60-И50 мм, получаемых горячей прокаткой плоских слитков толщиной 300+400 мм;
уточнить содержание основных легирующих элементов с точки зрения минимизации избыточных фаз в сплавах на основе систем Al-Cu-Mg и Al-Zn-Mg-Cu, применяемых для получения толстых плит с требуемым уровнем механических и конструкционных свойств;
выявить закономерности влияния расхода модифицирующих лигатур Al-3%Ti-0,15%C и А1-5%Ті-1%В на структуру сплавов систем Al-Cu-Mg и Al-Zn-Mg-Cu при полунепрерывном литье слитков;
обосновать рациональные химические составы ряда алюминий-литиевых сплавов, применяемых для изготовления слитков по серийной технологии.
Научная новизна работы
1. Определены температуры эвтектических и перитектических превращений
в алюминиевых сплавах на основе систем Al-Cu-Mg, Al-Zn-Mg-Cu и Al-Li при не
равновесной кристаллизации; уточнен состав фаз в крупногабаритных слитках и
плитах толщиной 604-150 мм при различных режимах термообработки.
2. Установлены пределы легирования алюминиевых сплавов систем
Al-Cu-Mg (2024, 2124) и Al-Zn-Mg-Cu (7050, 7075, 7175, 7475, В96ц-3пч), позво
ляющие получать крупногабаритные слитки и полуфабрикаты с заданным ком
плексом механических и конструкционных свойств.
3. Установлены и обоснованы концентрационные пределы комбинирован
ного модифицирования алюминиевых сплавов на основе систем Al-Cu-Mg (2014,
2024, 2124) и Al-Zn-Mg-Cu (7050, 7075, 7175, 7475, В96ц-3пч) лигатурными прут
ками Al-5%Ti-l%B и А1-3%ТІ-0,15%С, обеспечивающие получение однородной
мелкозернистой структуры крупногабаритных слитков при полунепрерывном ли
тье и уменьшение дефектов в плитах и штамповках в виде расслоений.
Практическая значимость работы
На основании обобщения экспериментальных данных предложены, обоснованы и внедрены в производство скорректированные химические составы сплавов систем Al-Cu-Mg и Al-Zn-Mg-Cu. За счет этого, а также реализации усовершенствованной технологии модифицирования сплавов, заключающейся в применении рационального расхода лигатур Al-5%Ti-l%B и А1-3%Ті-0,15%С при полунепрерывном литье крупногабаритных слитков, оказалось возможным получать плиты толщиной 60-=-150 мм с требуемым и стабильным уровнем механических и конструкционных свойств, а также уменьшить разброс свойств плит в продольном, поперечном и высотном направлениях.
За счет корректировки химических составов сплавов серий 2ххх и 7ххх и усовершенствования технологии их модифицирования при полунепрерывном литье слитков оказалось возможным изготавливать штамповки сложной конфигурации без образования в них расслоений.
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены: на VIII Съезде литейщиков России, г. Ростов-на-Дону, 2007 г.; на XIII отчётной конференции молодых учёных ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, г. Екате ринбург, 2007 г.; на IV Российской научно-технической конференции «Физические свойства металлов и сплавов», г. Екатеринбург, 2007 г.; на XII Российской конференции «Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов», г. Екатеринбург, 2008 г.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 12 печатны) работ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав общих выводов по работе и библиографического списка из 100 наименований, из ложена на 178 страницах машинописного текста, содержит 45 рисунков и 44 таб лицы.
