Фильтрация алюминиевых сплавов, применяемых в конструкциях летательных аппаратов

Алюминиевые сплавы широко применяются в машиностроении, в том числе и при изготовлении конструкций аэрокосмических летательных аппаратов (ЛА) [1–3], главным образом, в связи с тем, что они обладают высокой удельной прочностью (отношение временного сопротивления разрушению к плотности металла – σв/ρ), которая показывает, насколько прочной в эксплуатации будет конструкция при ее массе. По этому показателю высокопрочные алюминиевые сплавы [4] превосходят чугун, низкоуглеродистые и низколегированные стали и уступают лишь высоколегированным сталям повышенной прочности, а также сплавам титана. Кроме того, алюминиевые сплавы обладают высокой стойкостью против коррозии, а также высокими технологическими характеристиками – низкой температурой плавления, хорошей деформируемостью и обрабатываемостью резанием и др. [5].

Для работы узлов в реальных условиях эксплуатации в космосе необходима также стойкость материалов к воздействию факторов космического пространства: высокого вакуума, перепадов температур, радиации и пр. В настоящий момент этим требованиям максимально отвечают алюминиевые деформируемые сплавы, которые и используются наиболее активно. Наглядные примеры – материалы конструкции планеров отечественного орбитального корабля «Буран» и американского космического корабля Space Shuttle (см. .

Наличие таких положительных характеристик и объясняет тот факт, что в современных ЛА доля алюминиевых сплавов составляет от 2/3 до 3/4 сухого веса пассажирского самолета и от 1/20 до 1/2 сухого веса ракеты (см. transport/aircraft).

Применяемые в аэрокосмическом машиностроении алюминиевые сплавы делятся на два класса: литейные, из которых изготовляют детали типа корпусов двигателей летательных аппаратов, и деформируемые, из которых прокаткой изготовляют листы, которые применяется для изготовления корпусов и топливных баков, а также прессованием и штамповкой – шпангоутов, стрингеров, лонжеронов и силовых каркасов ЛА. Таким образом, в основе и деформационных, и литейных технологий лежат литейные технологии как приготовления сплавов, так и получения из них литейной продукции [6]. Поэтому при приготовлении обеих групп сплавов применяются по сути одинаковые технологии, сводящиеся к двум основным – рафинирование, при котором из расплава удаляется водород (дегазация) [7; 8] и частично неметаллические включения [9], и модифицирование (измельчение структуры) различными средствами [10–13].

Однако при этом зачастую в расплаве остаются продукты взаимодействия рафинирующих и модифи-цирущих средств с жидким металлом, что ухудшает физико-механические характеристики литых изделий. В связи с этим еще в 60-е годы прошлого столетия были проведены исследования по очистке металлических расплавов от этих продуктов [14; 15]. Эффективность этой технологии оказалась настолько высокой, что работы в этом направлении были продолжены впоследствии [16; 17] и проводятся в настоящее время [18].

Фильтрование алюминиевых расплавов при литье слитков полунепрерывным способом. Фильтрование алюминиевых расплавов рассмотрено на примере литья слитков ∅ 300 мм полунепрерывным способом из деформируемого алюминиево-магниевого сплава АМг6. При этом в качестве исходной шихты использовался электролизный алюминий, который после перелива в миксер путем легирования доводился до нужного состава. Температура литья слитков составляла 710…720 °С, скорость литья

(опускания слитка из кристаллизатора) – 70 мм/мин. При получении алюминия электролизным способом происходит его нагревание вплоть до 900°, что приводит к существенному уменьшению количества, а также к дезактивации присутствующих в расплаве центров кристаллизации и, как результат, к формированию в слитках крупнокристаллической структуры. В свою очередь, крупнокристаллическая структура является причиной низких механических свойств получаемой из слитков методами обработки давлением продукции. С целью повышения качества слитков сплав модифицировали нанопорошками (НП) нитрида бора BN, нитрида тантала TaN и карбида кремния SiC, которые вводили в расплав в объеме прутков, предварительно уложенных в лоток. Расплав фильтровали в восходящем потоке по принятой на металлургическом заводе технологии через последовательно установленные сетки из стеклоткани ССФ-4 и СФФ-0,06. Отлитые слитки гомогенизировали, разрезали на заготовки длиной 550 мм, обтачивали их до ∅ 280 мм и затем на прессе с усилием 3500 тс со скоростями 10,0, 12,5 и 15,0 мм/с прессовали прутки диаметром 35 мм, из выходного, среднего и утяжного сечений которых вырезали образцы для испытания механических свойств как в горячепрессованном, так и в отожженном (нагрев с печью до 583…608 К, выдержка 30 мин, охлаждение на воздухе) состояниях и полученные при испытаниях результаты для трех сечений усредняли. С целью определения степени загрязненности сплава неметаллическими включениями из поперечных темплетов слитков вырезали по 8 заготовок для изготовления технологических проб. Изучение шлифов поперечных темплетов слитков показало, так же как и во всех ранее проведенных исследованиях, измельчающее воздействие НП. Изучение шлифов поперечных темплетов слитков показало наличие измельчающего эффекта в результате введения в расплав НП. При анализе микроструктуры серийных слитков выявились грубые скопления интерметалли-дов, тогда как в результате введения в расплав НП они раздробляются. Механические свойства образцов в горячепрессованном состоянии оказались более высокими по сравнению со свойствами серийных слитков ( σ в = 364 МПа; σ 0,2 = 192 МПа; δ = 18,1 %). Так, модифицирование BN без последующей фильтрации повышает σ в до 379 МПа (на 4,1 %), TaN (без фильтрации) – до 383 МПа (на 5,2 %) и SiC с последующей фильтрацией – до 378 МПа (на 3,8 %); соответственно, повышается и σ 0,2 : до 209 МПа (на 8,6 %), до 213 МПа (на 10,6 %) и до 206 МПа (на 7,0 %). При модифицировании TaN δ возрастает до 21,0 % (на 15,4 %), SiC – до 19,2 % (на 5,5 %), но несколько снижается в случае BN.

В проведенном исследовании была установлена возможность повышения в 1,5 раза (до 10 мм/с) скорости прессования прутков по сравнению с серийной технологией. При этом качество поверхности прутков практически не отличалось от серийных.

Из полученных данных видно, что фильтрация (на примере НП SiC) не ухудшает модифицирующее воздействие НП, выразившееся в приросте механических свойств. Более того, при работе с SiC коэффициент загрязненности сплава К ср составил всего 0,07 мм²/см² (К ср = Σ F дефектов на изломах технологических проб / Σ F изломов проб, мм²/см²), что оказалось наиболее близким к серийному слитку, для которого этот показатель оказался равным нулю. В то же время при введении в расплав прутка-свидетеля, отпрессованного из гранул без НП, К ср составляет 1,65 мм²/см², прутка с НП TaN - 1,47 мм²/см², а с НП BN - 0,67 мм²/см². Что касается загрязнений, связанных с введением в расплав НП, то этому можно дать следующее объяснение. Известно, что избыточная энергия частиц НП способствует их активному насыщению газами из окружающей атмосферы как на стадии синтеза, так и особенно при хранении на воздухе, даже в двойной полиэтиленовой упаковке. При этом просматривается связь между интенсивностью насыщения газами и технологией синтеза. Так, продукты хлоридного синтеза, к которым относится и НП TaN [19], по сорбционной активности превосходят соединения, полученные синтезом из элементов, которые, в свою очередь, превосходят по этой характеристике продукты восстановительной переработки оксидного сырья, включая и получение SiC с использованием SiO 2 . В подавляющем большинстве случаев наиболее вредными из адсорбированных газов является кислород и его соединения, вызывающие при последующих переделах, связанных с нагревом, формирование на поверхности частиц оксидного или карбонитридного (нитридного) слоя, что в итоге затрудняет или делает невозможным достижение у порошковых материалов специального комплекса свойств. В то же время относительно SiC известно [20], что это соединение обладает высокой окислительной способностью вплоть до 1873 К. Приведенные данные могут свидетельствовать в пользу того, что SiC не является источником загрязнений. Что касается загрязнений, связанных с применением НП BN, то анализ процесса его получения путем кар-ботермического восстановления оксида бора в высокоэнтальпийном газовом потоке (исходные реагенты: порошкообразный В₂О₃, углеродистый восстановитель пропан и азотирующий агент аммиак, в качестве плазмообразующего газа использовали азот) [21] не позволил установить их прямых источников. Возможно, это связано с повышенной химической активностью BN [22]. Тем не менее, как отмечается всеми, кто связан с производством НП, источником загрязнений могут служить только газы, адсорбированные либо в процессе синтеза НП, либо при их хранении. Установить источник загрязнений при применении прутка, отпрессованного из гранул, еще сложнее, так как в нем вообще отсутствует НП, и, кроме того, в данном исследовании в расплав вводили точно такой же пруток, но содержащий в своем объеме НП SiC, и загрязнения при этом было близко к нулю.

Фильтрование алюминиевых расплавов при литье деталей. В качестве примера рассмотрены результаты применения фильтрования расплава при литье широко применяемого в промышленности доэвтектического алюминиево-кремниевого сплава АК7. При производстве отливок из сплавов этого вида с целью измельчения структурных составляющих и, как следствие, повышения уровня механических свойств литых изделий применяется известный еще с 20-х годов прошлого столетия способ обработки расплава натрием [23], называемый в настоящее время модифицированием и выполняемый посредством нанесения на зеркало металла 1,5…2,0 мас. % флюсов, состоящих из натрийсодержащих солей с последующей выдержкой до 15 мин без перемешивания [24].

Однако при таком способе обработки расплава взаимодействие между солями и жидким металлом происходит в основном в поверхностных слоях металлической ванны, и выделившийся при этом натрий распространяется по ее объему только путем диффузии, что, во-первых, замедляет процесс модифицирования, и, во-вторых, весь объем расплава не «прорабатывается» равномерно: по направлению к его донной части эффект модифицирования уменьшается, что, в конечном счете, проявляется в том, что залитые из этого объема отливки будут иметь более низкий уровень механических свойств, чем залитые из верхнего объема.

В работе опробовано модифицирование путем замешивания в расплав при 730…750 °С в течение 4…6 мин уменьшенного до 0,8 % по сравнению с обычной дозой (1,5…2,0 %) количества универсального флюса (50 % NaCl + 30 % NaF + 10 % KCl + 10 % Na 3 AlF 6 ). При этом упакованную в алюминиевую фольгу дозу флюса помещали в окрашенный титановый колокольчик, погружали в расплав и производили его перемешивание. Затем с поверхности металла снимали окисную пленку и шлак с целью его очистки от непрореагировавших солей и продуктов их взаимодействия. Заливку металла в форму производили через частицы фильтрующего материала, помещенного в цилиндрическую керамическую емкость с соотношением высоты засыпки фильтра к диаметру h / D = = 1,17, имеющую отверстие в дне и устанавливаемую на заливочное отверстие в кокиле. Такое устройство имеет идентичную конструкцию с конструкцией вертикальных фильтрующих колонн, широко применяемых в химической промышленности для очистки различных жидкостей [25].

Фильтрующим материалом служила смесь предварительно сплавленных при 1300 °С фторидов (50 % MgF 2 + 50 % СaF 2 ), которую после разливки в изложницы и затвердевания дробили на кусочки размером 4…6 мм и подогревали до 800 °С перед засыпкой в установленную на кокиль нагретую «заливочную» емкость. Оценочный расчет суммарной площади поверхности всех фильтрующих частиц, находящихся во внутреннем цилиндрическом объеме ( D = 60 мм, h = 70 мм) заливочной емкости, с учетом их «рельефа», дает величину порядка 0,25 м². Назначение фильтрующего материала заключается в адсорбции остатков расплава модифицирующих солей и механического

«захвата» различных инородных примесей (частицы окисной плены, неметаллические включения, а также удаление водорода, адсорбированного на этих частицах и др.). Эти процессы интенсифицируются в результате протекания расплава по поверхности частиц множеством струек [15].

Выбор фторидов в качестве фильтрующего материала объясняется тем, что согласно данным, полученным на сплаве АК9ч, отличающемся от сплава АК7 малыми добавками магния и марганца [16], при близком увеличении механических свойств в результате фильтрования через графит, магнезит, корунд и сплав фторидов последний дает максимальное снижение содержания водорода. Этот эффект, согласно гипотезе, высказанной М. Б. Альтманом еще в 1965 году [9], связан с удалением из расплава при фильтровании комплексов «оксид алюминия – водород» (Al 2 O 3 –H 2 ).

Для сравнения заливали детали из сплава той же плавки, но модифицированного обычным способом (засыпка 1,5 % универсального флюса на поверхность расплава, выдержка 15 мин, очистка зеркала металла) и залитого без фильтрации. В качестве отливки была выбрана серийная фасонная деталь с черновой массой 5 кг, из вертикальной стенки которой вырезали горизонтально расположенные фрагменты, а из них вытачивали стандартные 5-кратные образцы для испытания механических свойств.

Результаты испытаний при литье в кокиль показали, что эффект повышения физико-механических характеристик сплава наступает раньше при модифицировании замешиванием, а полученные из этого сплава отливки имеют более высокие механические свойства и плотность (определяли методом гидростатического взвешивания) (табл. 1).

Фильтрование расплава было использовано и при литье из специального сплава системы Al–Si–Mg (6,0–6,5 % Si; 1,0–1,2 % Mg; ост. – Al) детали типа заглушки, входящей в сборочную единицу силового агрегата, работающего в сложнонагруженных условиях. Изучаемыми факторами являлись очередность загрузки и агрегатное состояние шихтовых материалов, а также температурные режимы плавки и металлургической обработки расплава (рафинирование и модифицирование) и температуры заливки. Особенностями проведенного исследования является применение двух нестандартных, но взаимосвязанных технологий, используемых при приготовлении и заливке сплава. Одна из них заключается в применении высокого перегрева расплава и способа его охлаждения перед заливкой, другая – в очередности загрузки шихтовых материалов, причем в разных агрегатных состояниях (твердом и жидком).

Первая из них (перегрев расплава) заключается в применении так называемой температурной обработки расплава, технологию которой еще в 40-е годы прошлого столетия разработал и использовал при приготовлении сплава Al – 12 % Si известный специалист в области литейного производства, профессор А. Г. Спасский [26]. В этой работе было установлено, что в результате перегрева жидкого сплава Al – 12 % Si выше обычно применяемых «низкотемпературных» технологий, при кристаллизации формируется тонкодисперсная структура фаз (дендриты α -твердого раствора и эвтектика), аналогичная структуре, получаемой при модифицировании сплава общепринятым тройным модификатором (45,0 % NaCl + 40 % NaF + + 15 % Na 3 AlF 6 ).

В настоящем исследовании рабочий сплав готовили путем введения в расплавленную основу сплава (силумин СИЛ0) в разной очередности: магния, образующего в сплаве упрочняющее соединение Mg₂Si; лигатур Al – 4,34 % Ti и Al – 3,40 % Zr, содержащих интерметаллические соединения, соответственно TiAl 3 и ZrAl 3 , частицы которых выполняют роль центров кристаллизации; лигатуры Al – 3,0 % Be, с помощью которой на поверхности расплава образуется прочная защитная пленка ВеО и лигатуры Al – 50 % Cu, содержащей упрочняющее соединение CuAl 2 . При приготовлении сплава варьировали очередность загрузки шихтовых материалов и их агрегатного состояния, используя технологию, при реализации которой объем расплава, содержащего 50 % навески силумина и лигатуру Al–Mn, доводили до 950 °С с целью улучшения растворимости марганца, а объем расплава, содержащего остальной силумин, доводили до 700 °С, после чего в него вводили лигатуру Al–Mg с целью уменьшения окисления магния и вливали первый объем во второй открытой струей.

Таблица 1

Влияние способа обработки сплава АК7 универсальным флюсом на механические свойства и плотность

Время между заливкой и обработкой расплава, мин	Временное сопротивление σ в , МПа		Относительное удлинение, %		Твердость, НВ, МПа		Плотность в твердом состоянии ρ , кг/м3
	Флюс на поверхности / замешивание	Прирост, %	Флюс на поверхности / замешивание	Прирост, %	Флюс на поверхности / замешивание	Прирост, %	Флюс на поверхности / замешивание	Прирост, %
ГОСТ	160	-	2,0	-	500	-	Не оговаривается
0	165	-	5,8	-	520	-	2640	-
4	171/181	5,85	12,9/15,6	20,93	530/535	0,94	2643/2662	0,71
7	176/185	5,11	14,2/16,7	17,60	535/545	1,87	2646/2755	4,12
10	175/183	4,57	14,8/16,9	14,19	535/540	0,93	2655/2755	3,77
15	179/184	3,37	16,0/16,4	2,50	535/540	0,93	2654/2750	3,62

Влияние технологии плавки и заливки на механические свойства сплава АК9ч

Таблица 2

Технология плавки: вливание перегретого до 950 °С объема расплава (силумин + лигатура Al–Mn) в низкотемпературный (700 °С) объем (силумин + лигатура Al–Mg) при заливке в кокиль	Механические свойства
	Временное сопротивление σ в, МПа	Относительное удлинение δ , %	Твердость НВ, МПа
Открытой струей	253/7,70	6,0/в 2 раза	700/‒
Закрытой струей	260/10,63	8,2/2,73	700/‒
С фильтрацией через стеклоткань	275/17,02	8,2/2,73	897/28,14
ГОСТ 1583–93	235	3,0	700

Примечание . В графах «механические свойства»: первая цифра – величина, вторая – прирост относительно ГОСТ 1583–93.

Затем при 750 °С производили модифицирование сплава тройным модификатором и производили заливку в кокиль. Результаты испытания механических свойств при литье в кокиль показали их увеличение (табл. 2) по сравнению с требуемыми по ГОСТ 1583– 93 ( σ в ≥ 235 МПа; δ ≥ 3,0 %) при заливке открытой струей: σ _в до 253 МПа (на 7,7 %), δ до 6,0 % (в два раза), твердость НВ практически не изменялась и оставалась на уровне 700 МПа. В случае приготовления сплава по описанной выше технологии, но с заливкой металла в форму закрытой струей, σ _в повысилось до 260 МПа (на 10,63 %), δ - до 8,2 % (в 2,73 раза), а при дополнительной фильтрации расплава через стеклоткань ССФ-06 σ в повысилось до 275 МПа (на 17,02 %), δ осталось на том же уровне - 8,2 %, тогда как НВ увеличилась до 897 МПа (на 28,14 %).