Исследование структуры и свойств жаропрочных литейных сплавов эвтектического типа на базе системы алюминий-церий

Актуальность работы.

Алюминиевые сплавы стоят в ряду наиболее широко применяемых в промышленности. Они выигрывают в сравнении с другими промышленными сплавами (на основе Ре, Т1, М^ и др.) благодаря ценному комплексу механических, физических, коррозионных свойств, высокой технологичности, большим природным ресурсам алюминиевого сырья. Но у этих сплавов есть ряд недостатков, ограничивающих их использование. В частности, жаропрочность существующих литейных и деформируемых алюминиевых сплавов недостаточно высока, поэтому повышение ее уровня с целью расширения производства и применения алюминиевых сплавов является актуальной задачей.

По уровню высокотемпературных свойств жаропрочные литейные алюминиевые сплавы существенно превосходят деформируемые и, в связи с этим, представляют больший интерес для данного исследования.

В существующих литейных алюминиевых сплавах не удается получить сочетания высоких прочностных характеристик при комнатной температуре, жаропрочности и технологичности. Высокопрочные сплавы типа твердых растворов (АЛ 19, АЛЗЗ и др.) обладают невысокими литейными свойствами, а у технологичных силуминов низкие прочность и жаропрочность. Самый жаропрочный литейный сплав АЦР1У является также и высокотехнологичным, но его слабое место — низкие механические свойства при комнатной температуре .

За последние два десятилетия было проведено много исследований по совершенствованию эксплуатационных характеристик алюминиевых сплавов. Качественным скачком в этих исследованиях явились разработки в области порошковой и гранульной металлургии. Это позволило получить высокие прочностные характеристики (в гранулируемых сплавах на основе системы Al-Zn-Mg-Cu), увеличить значения жаропрочности (быстроохлажденные сплавы системы Al-Cr-Zr типа 1 419). Но использование этих технологий ограничено сложностью получения высоких скоростей охлаждения и высокой стоимостью конечной продукции. Поэтому гранулируемые и порошковые алюминиевые сплавы еще далеки от широкого промышленного применения.

Исходя из сказанного, целесообразно рассмотреть возможность получения принципиально нового класса алюминиевых сплавов, которые по эксплуатационным характеристикам могли бы приблизиться к быстроохлажденным сплавам, а по технологическим характеристикам, не уступать литейным сплавам на базе системы Al-Si (силуминам). Это может быть реализовано в структуре, состоящей из матрицы на основе алюминиевого твердого раствора и равномерно распределенных в ней дисперсных алюминидов (или других фаз эвтектического происхождения) с объемной долей 15−30% .

Литейные сплавы на основе систем Al-Fe-Ni и Al-Fe-Ce, в которых реализуется двухфазная эвтектическая структура, уже исследовались раньше на кафедре металловедения цветных металлов. Далее целесообразно рассмотреть сплавы на базе тройных эвтектик. В них возможно получить более тонкодифференцированную эвтектическую структуру с большей объемной долей дисперсных алюминидов по сравнению с двойными эвтектиками. На данном этапе исследований наиболее подходящими для решения этой задачи представляются сплавы на базе системы А1-Се-№.

Получение сплавов, по структуре и свойствам близких к гранулируемым, методами обычной литейной технологии позволит расширить применение алюминиевых сплавов в ответственных изделиях, за счет снижения их себестоимости по сравнению с быстрозакристаллизованными сплавами.

Цель работы.

Целью работы является установление основных принципов легирования жаропрочных литейных алюминиевых сплавов на базе многофазных эвтектик, управления их структурой и свойствами .на примере зависимостей состав-структура-свойства в сплавах йа основе системы А1-Се-№.

Научная новизна.

1. Построен алюминиевый угол диаграммы состояния А1-Се-№ в области до 20%Се и 10%№, в котором установлено наличие тройной эвтектической реакции Ь-> (А1)+А14Се +А13№ при 12%Се, 5%№ и температуре 627 °C.

2. Показано, что тройная эвтектика (А1)+А14Се +А1з№ при скоростях охлаждения, реализуемых в тонкостенных отливках (Укр=20 К/с), имеет в литом состоянии тонкодифференцированную структуру, близкую той, л которая характерна для гранул 0^=10 К/с) алюминиевых сплавов с малорастворимыми переходными и редкоземельными металлами (размер дендритных ветвей алюминидов 0,2−0,4 мкм, микротвердость до 1500.

— 1600 МПа, суммарная объемная доля алюминидов около 25 об.%).

3. Показано, что при сравнительно медленной кристаллизации (Укр= 20К/с) тройная эвтектика (А1)+№А1з+СеА14 существенно дисперснее и тверже по сравнению с двойными эвтектиками (А1)+№А13, (А1)+СеАЦ и (А1)+(8Г).

4. Установлено, что при температурах ниже 400 °C не происходит заметного формоизменения эвтектических фаз. При более высоких температурах происходят процессы фрагментации, сфероидизации и коалесценции алюминидов СеА14 и №А13. Оптимальное сочетание твердости, прочности и пластичности соответствует структуре с глобулярными включениями алюминидов размером около 0,5 мкм;

5. Показано, что прочностные свойства, в том числе и при повышенных температурах (350−400°С), в большей степени зависят от общего количества эвтектики и ее дисперсности, чем от суммарной объемной доли алюминидов. Наиболее высокой прочностью и жаропрочностью обладают сплавы вблизи точки тройной эвтектики.

Практическая ценность:

1. Предложены рекомендации по оптимизации состава и структуры жаропрочных литейных алюминиевых сплавов нового поколения.

— несогласно этим рекомендациям, оптимальной представляется структура, в которой глобулярные сложнолегированные частицы эвтектических фаз с объемной долей 20−30 об.% и размером 0,2−0,4 мкм равномерно распределены в алюминиевой матрице, упрочненной термически стабильными вторичными алюминидами. 2. Сравнение экспериментальных композиций с известными литейными алюминиевыми сплавами АЛ30, АЛ19 и АЦр1У при использовании функции желательности показало, что по совокупности различных характеристик первые имеют заметное преимущество. На основании обобщения результатов работы и известных данных сделан прогноз, согласно которому в отливках сплавов нового поколения могут быть получены следующие механические свойства: при 20°С: ав=400−450 МПа, твердость 130−140НВ, не снижаясь после длительных нагревов при 350−400°С — при 350°С: св=150 МПа, сюо=60 МПа. Реализация этого уровня свойств позволит использовать новые литейные сплавы в ответственных изделиях новой техники вместо гранулируемых алюминиевых сплавов, что позволит получить значительный экономический эффект, связанный с более низкой ценой первых.

ОБЪЕМ РАБОТЫ: Диссертация состоит из 5 глав, содержит 176 страниц машинописного текста, включая 25 таблиц и 55 рисунков.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

выводы.

1. Исследованы структура и механические свойства литейных сплавов системы Al-Ce-Ni в области концентраций до 16%Се и до 8%Ni. Показано, что кроме алюминиевого твердого раствора, содержащего менее 0,05% Се и Ni, в сплавах изученной области во всех состояниях присутствуют только равновесные фазы из двойных систем: AUCe и AI3NI, которые и в тройной системе имеют узкие области гомогенности.

2. Построен алюминиевый угол диаграммы состояния Al-Ce-Ni, в котором установлено наличие тройной эвтектической реакции L— (А1)+АЦСе +AI3NI при 12%Се, 5%Ni и 628 °C. Суммарная объемная доля алюминидов в тройном эвтектическом сплаве составляет около 25 об.%, что значительно больше чем в двойных эвтектиках.

3. Тройная эвтектика при скоростях охлаждения, реализуемых в тонкостенных отливках (Vc=10K/c), имеет в литом состоянии тонкодифференцированную структуру (размер дендритных ветвей алюминидов 0,2−0.4 мкм, микротвердость до 150−160 МПа), близкую той, которая характерна для гранул алюминиевых сплавов с малорастворимыми переходными и редкоземельными металлами.

4. С использованием математической обработки полученных результатов показано, что прочностные свойства, в том числе и при повышенных температурах (350−400°С), в большей степени зависят от общего количества эвтектики и ее дисперсности, чем от суммарной объемной доли алюминидов. Наиболее высокой прочностью и жаропрочностью обладают сплавы вблизи точки тройной эвтектики, при этом по 100-часовой прочности при 350 °C.

— iGGони не уступают быстрозакристаллизованному (104 К/с) сплаву А1−8%Fe.

1 2.

5. Исследовано влияние скорости охлаждения (от 10 до 10″ К/с) при кристаллизации на структуру сплавов систем Al-Ce, Al-Ni, Al-Ce-Ni и Al-Si. При уменьшении скорости охлаждения при кристаллизации наблюдается огрубление эвтектических фаз, при этом тройная эвтектика (Al)+NiAl3+CeAl4 существенно дисперснее и тверже по сравнению с двойными эвтектиками (А1)+№А1з, (А1)+СеА14 и (Al)+(Si), что предполагает принципиальную возможность использования сплавов на основе системы Al-Ce-Ni для получения массивных отливок.

6. Изучено влияние термообработки в диапазоне до 600 °C на структуру и механические свойства сплавов системы Al-Ce-Ni. При температурах ниже 400 °C не выявлено никаких видимых изменений, следствием чего является нечувствительность низкотемпературных механических свойств к длительным нагревам. При более высоких температурах происходят процессы фрагментации, сфероидизации и коагуляции алюминидов. Оптимальное сочетание твердости, прочности и пластичности соответствует структуре с глобулярными включениями алюминидов с размером около 0.5 мкм, что отвечает прохождению фрагментации и сфероидизации, но без заметной коалесценции.

7. Определение горячеломкости сплавов системы Al-Ce-Ni показало, что сплавы вблизи точки тройной эвтектики, не уступают по данному показателю безмедистым силуминам, что позволяет получать из них качественные отливки, в частности при при литье в кокиль.

8. Исследована возможность использования добавок циркония, хрома марганца, меди, железа и кремния для повышения прочностных свойств, прежде всего при повышенных температурах, литейных алюминиевых сплавов, содержащих церий. Для получения многокомпонентных фаз эвтектического происхождения наиболее перспективны железо и, меньшей степени, кремний, а для легирования алюминиевой матрицы цирконий в количестве до 0.8% и, возможно, медь в количестве до 3%.Наилучшее сочетание механических свойств обеспечивает двухступенчатый нагрев по режиму 350 °C, Зч + 450 °C, Зч, поскольку в этом случае можно достигнуть, с одной стороны, максимального упрочнения за счет вторичных выделений метастабильной фазы А132г, а, с другой стороны, получить глобулярные включения эвтектических фаз при их минимальном размере.

9. Сравнение низкои высокотемпературных механических свойств и литейных характеристик показало, что экспериментальные композиции А1−10%Се-1,5%Бе и А1−10%Се-1,5%Ре-1,5%№-3%Си-0,5%гг-0,3%81, А1−12%Се-5%№-0,5%гг по совокупности основных показателей превосходят известные жаропрочные литейные сплавы АМ5 (АЛ 19), АК12ММгН (АЛЗО) и АЦр1у. В качестве количественного критерия сравнительного анализа использована функция желательности.

10. Предложены рекомендации по оптимизации состава и структуры жаропрочных литейных алюминиевых сплавов нового поколения. Оптимальной представляется структура, в которой глобулярные сложнолегированные частицы эвтектических фаз с объемной долей 20−30 об.% и размером 0.2−0.4 мкм равномерно распределены в алюминиевой матрице, упрочненной термически стабильными вторичными алюминидами. Сделан прогноз, согласно которому в отливках сплавов нового поколения могут быть получены следующие механические свойства: при 20°С: ств=400−450 МПа, НВ=130−140, не снижаясь после длительных нагревов при 350−400°С — при 350°С: <тв=150 МПа, аШо=60 МПа;