Т.А.ИЛЬИНКОВА

ЦВЕТНЫЕ СПЛАВЫ

в авиационной технике

Учебное пособие для студентов бакалавров

Казань 2015

Т.А.ИЛЬИНКОВА

ЦВЕТНЫЕ СПЛАВЫ

в авиационной технике

Учебное пособие для бакалавров

Рекомендовано к печати учебно-методическим центром

КНИТУ-КАИ в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся в бакалавриате по направлениям подготовки

«Материаловедение и технология материалов», «Машиностроение», «Авиастроение»

Учебное пособие разработано в рамках проекта ТЕМПУС MMATENG

«Модернизация учебных планов двух уровней (бакалавриат, магистратуры),основанных на компетенциях, в области материаловедения в соответствии с лучшей практикой Болонского процесса» (Modernization of two cycles (MA, BA) of competence-based curricula in Materia lEngineering according to the best experience of Bologna Process)

Web-site проекта: mmateng.eu

Казань 2015

УДК 621.002.3 (075.8)

ББК

Т31

Рецензенты:

Абдрахманова Л.А., профессор, д.т.н.

Гильманов Р.З., профессор, д.х.н.

Т.А. Ильинкова: “Цветные сплавы в авиационной технике”

Учебное пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся в бакалавриате по направлению подготовки «Материаловедение и технология материалов», «Машиностроение», «Авиастроение»

Казань, 2015, 104 с.

Рассмотрены основные группы цветных сплавов, применяемых в авиационной технике.

Проект финансируется при поддержке Европейской Комиссии.

Содержание данной публикации является предметом ответственности авторов и не отражает точку зрения Европейской Комиссии.

 Изд-во Логос,2015.

Т.А.Ильинкова, 2015

ISBN

Содержание

Введение …………………………………………………………………..5

1. Титановые сплавы……………………………………………………...7

2. Алюминиевые сплавы……………..…………………………..23

3. Магниевые сплавы……………………………………………………37

4. Никелевые и железоникелевые сплавы……………………………..40

5. Медные сплавы………………………………………………………..49

6. Тестовые вопросы…………………………………………………….55

Введение

Среди большого многообразия цветных сплавов материалов конструкционного назначения насчитывается не так много. Это в первую очередь сплавы на основе титана, алюминия, никеля, областью применения которых является в первую очередь авиационная промышленность. Эти сплавы способны обеспечить эксплуатацию авиационной техники при высоких температурах и нагрузках с высокой степенью надежности. Ниже, в таблице 1.1. указаны максимальные температуры эксплуатации различных типов сплавов на основе алюминия, титана, никеля.

Таблица 1.1.

Группа материалов	Максимальная температура эксплуатации ,°С
Алюминиевые сплавы	250
Титановые сплавы	500
Титановые интерметаллидные сплавы	650 ... 1040
Никелевые сплавы	650 ... 850
Монокристаллические никелевые сплавы	870 ... 1095
Никелевые сплавы для камер сгорания (листовые)	870…1095

В процессе развития авиастроения постоянно ужесточаются требования к материалам. Тяжелые и менее жаропрочные мате­риалы уступают место новым материалам с более высокими значениями этих характеристик.

На рис. 1.1 показано, как изменялась структура потребления материалов по мере совершенствования конструкции и технологии производства авиационных газотурбинных двигателей.

Рис. 1.1. Объем потребления различных материалов по мере развития производства ГТД:

1 - алюминиевые сплавы;2 - полимерные композиционные материалы; 3 - титановые сплавы; 4 - металлические композиционные материалы; 5 - никелевые сплавы; 6 - керамические композиционные материалы; 7 - высокопрочные стали

Как видно из приведенных данных, основными материалами, исполь­зуемыми в настоящее время для изготовления ГТД, являются: высокопрочные стали, титановые сплавы и сплавы на никелевой основе.

1. Титановые сплавы

Титан относится к металлам, который стал известен человечеству относительно недавно – с 18 столетия. Открытие титана принадлежит химику-любителю, английскому священнику Вильяму Грегору. Однако получение титана в чистом виде, без примесей состоялось лишь в 20-м столетии. Голандский исследователь Аркель де Бур получил титан высокой степени чистоты с помощью иода. Путем взаимодействия титана с иодом при температурах 150-400 градусов было получено соединение четырехиодистый титан, которое потом при 1400 градусах подвергалось разложению с образованием чистого титана. Поэтому такой титан называется иодидный. Он применяется в электротехнике, изготовлении вакуумной техники и др. специальных областях.

Более дешевый способ разработан немецкий исследователь Вильгельм Кролль в тридцатых годах 20-го столетия. Он получил титан путем восстановления четыреххлористого титана металлическим магнием. Именно метод Кролля положен в основу промышленного способа получения титана.

Титан серебристо-белый легкий металл с плотностью 4,5 г/см³.

Он относится к группе легких металлов конструкционного назначения, среди которых находятся алюминий, магний, бериллий. Температура плавления титана зависит от степени чистоты и находится в пределах 1660…1680⁰С. Чистый иодидный титан, в котором сумма примесей составляют 0,05…0,1 %, имеет модуль упругости 112 ГПа, временное сопротивление около 300 МПа, относительное удлинение 65%. Наличие примесей сильно влияет на свойства. Так, для технического титана ВТ-1, с суммарным содержанием примесей 0,8 %, временное сопротивление составляет 650 МПа, а относительное удлинение – 20 %. Технический титан, является более дешевым по сравнению с иодидным почти в двадцать раз. Титан имеет низкую теплопроводность, отличается более высокой пластичностью, вязкостью, но меньшим модулем упругости по сравнению со сталью. У него высокое сопротивление усталости – выносливость. Важным показателем любого металла является предел текучести. Предел текучести у титана в два с половиной раза выше, чем у стали ив 18 раз выше, чем у алюминия. При температуре 882⁰С титан претерпевает полиморфное превращение, низкотемпературный –титан с гексагональной решеткой переходит в – титан с объемно-центрированной кубической решеткой. Наличие полиморфизма у титана создает предпосылки для улучшения свойств титановых сплавов с помощью термической обработки.

Легирование титана железом алюминием, марганцем, хромом, оловом, ванадием, кремнием повышает его прочность (σ_в, σ_0.2), но одновременно снижает пластичность (δ, ψ) и вязкость (КСU).Жаропрочность повышают алюминий, цирконий, молибден, а коррозионную стойкость в растворах кислот - цирконий, молибден, ниобий, тантал, палладий.

Титановые сплавы имеют ряд преимуществ по сравнению со сталями и другими цветными сплавами. Они сочетают высокую прочность (800…1000 МПа) с хорошей пластичностью (12…25%), обладают малой плотностью (4,5 г/см³), что обеспечивает высокую удельную прочность; хорошей жаропрочностью до 600…700⁰С; высокой коррозионной стойкостью в атмосфере, воде, агрессивных средах.Сплавы на основе титана получили значительно большее применение, чем технический титан. Такие элементы, как алюминий, азот, кислород повышают температуру полиморфного превращенияα↔β и расширяют область α - фазы; их называют α – стабилизаторами (рис.1.1.а).

Рис.1.1.  Влияние легирующих элементов на точку полиморфного превращения титана

Молибден, ванадий, марганец, железо, хром понижают температуру полиморфного превращения α↔β и расширяют область существования β–фазы. Их называют β – стабилизаторами (рис.1.1 б). Некоторые β - стабилизаторы (хром, марганец, железо и др.) образуют с титаном интерметаллидные Тi_xM_y соединения.

Если при охлаждении β–фаза претерпевает эвтектоидное превращение β→α + Тi_xM_y, то такие βстабилизаторы называют эвтектоидообразующими(рис.1.1 в). Превращение α↔β в сплавах происходит в интервале темпе­ратур. Как правило, все промышленные сплавы титана содержат алюминий.

Термическая обработка титановых сплавов.Титановые сплавы в зависимости от их состава и назначения подвергают от­жигу, закалке, старению и химико-термической обработке.

Отжиг. При медленном охлаждении из β –области полиморфное превращение β  α в титане и титановых сплавах происходит путем образования и роста зародышей α-фазы, т.е. диффузионным путем. Отжиг титановых сплавов проводят для выравнивания структуры и фазового состава, снижения прочности, повышения пластичности. Отжиг αсплавов проводят при 800850⁰С, а (α+β)-сплавов при 750800⁰С. Листы и листовые полуфабрикаты отжигаются при более низкой темпера­туре (740760⁰С). Применяется и изотермический отжиг  на­грев сплава до 870980⁰С и далее выдержка при 530660⁰С. С повышением количества β стабилизатора температура отжига снижается.

Для обеспечения высокой кон­струкционной прочности α+βсплавов следует применять отжиг при темпера­туре на 20  30⁰С ниже температуры α+β→β превращения. В последние годы все шире применяется вакуумный отжиг, который позволяет уменьшить содержание водорода в титановых сплавах, что приводит к существенному повышению вязкости разрушения, уменьшению склонности к замедленному разрушению и коррозионному растрескиванию. Для снятия внутренних напряжений, возникающих при меха­нической обработке α- и (α+ β)-сплавов, применяют неполный отжиг при 550–650⁰С. С увеличением количества βстабилизатора временное сопротивление σ_ви предел текучести σ_0.2 отожженных сплавов возрастают.

Закалка. При быстром охлаждении превращение β-фазы в титановых сплавах протекает по мартенситному механизму в интервале температур М_н—М_к (рис.1.2). Мартенситная α'-фаза представляет собой пересыщенный твердый раствор замещения легирующих элементов в α-титане с гексагональной решеткой.

В промышленных титановых сплавах с эвтектоидообразующими-стабилизаторами эвтектоидное превращение β  α +Х при обычных скоростях охлаждения (вместе с печью, на воздухе) вообще не происходит.

В начале координат этого разреза находится сплав типа ВТ5 (5% алюминия). На диаграмме сплошными линиями нанесены кривые равновесия твердых α- и β- растворов; пунктиром – линии начала (М_н) и конца (М_к) мартенситного превращения; а также линия начала превращения β (Т), где  - мартенситная фаза особого типа.

При высокой концентрации β-стабилизаторов температуры начала и конца мартенситного превращения снижаются и достигают комнатной температуры при третьей и первой критических концентрациях С_кр^ и С_кр^. Точка пересечения кривых М_н и Т отвечает второй критической концентрации С_кр^. В сплавах с содержанием β-стабилизаторов выше Скр^ обычное мартенситное превращение не реализуется, а протекает превращение β  .

При закалке из β-области сплавов с содержанием β-стабилизаторов ниже Скр^ протекает мартенситное превращение βα, где α-мартенситная фаза. Представляющая собой твердый раствор замещения β-стабилизаторов в α-титане с г.п.решеткой. В этих сплавах мартенситное превращение доходит до конца, т.к. температура М_к оказывается выше комнатной.

В сплавах левее точки С₁ α-мартенсит представляет собой ненасыщенный твердый раствор; в сплаве, отвечающем составу точке С₁ – насыщенный раствор и в сплавах правее точки С₁ -пересыщенный твердый раствор β-стабилизаторов в α-титане. Ненасыщенный и насыщенный α-твердые растворы мало чем отличаются от α-раствора. Пересыщенный твердый раствор, также как и мартенсит в стали имеет механические свойства, зависящие от степени пересыщения. Сильно пересыщенный твердый раствор имеет высокую прочность, твердость и малую пластичность. α-мартенситная фаза выявляется под микроскопом как игольчатая фаза.

При закалке сплавов в интервале С_кр^ - С_кр^ мартенситное превращение βα не доходит до конца, т.к. кривая М_коказывается ниже комнатной температуры. Поэтому в структуре этого сплава сохраняется остаточная β-фаза, а при температурах ниже Т в β-фазе образуется еще одна мартенситная ώ-фаза, особенность которой заключается в том, что она всегда когерентна β-фазе и, следовательно, металлографически не выявляется. Таким образом, сплавы в этом интервале концентраций после закалки имеют структуру: ^++.

В интервале С_кр^С_кр^ после закалки из β-области мартенситное превращение βα уже не протекает, и структура этих сплавов в закаленном состоянии представлена  - и -фазами.

Наконец, в сплавах правее С_кр^ при закалке фиксируется высокотемпературная метастабильная -фаза с о.ц.к. решеткой.

Титановые сплавы с изоморфными β-стабилизаторами отличаются от первой группы тем, что α-мартенсит при закалке образуется лишь до концентрации С₂. В интервале концентраций С₂ - Скр^ высокотемпературная β-фаза превращается в мартенситную α"-фаза с ромбической решеткой. Появление α"- фазы вызывает уменьшение твердости и прочности закаленных сплавов и увеличение их пластичности. α"- фаза, как и α-фаза имеет игольчатое строение.

Старение. При последующем старениизакаленных сплавов при 500600⁰С происходит распад мартенситных α'-, α"-фаз, а также метастабильной βфазы, что обуславливает их упрочнение. Наибольшее упрочнение после закалки и старения полу­чают сплавы с высоким содержанием β–стабилизаторов.

Химико-термическая обработка. Титановые сплавы имеют низкое сопротивление износу и при использовании в узлах трения подвергаются химико-термической обработке. Для повышения износостойкости титан азотируют при 850—950 °С в течение 30—60 ч в атмосфере азота.Толщина диффузионного слоя в сплавах титана после азотирования при 950 °С в течение 30 ч составляет 0,05—0,15 мм, твердость - 750—900 НV.