2. Алюминиевые сплавы

Алюминий не претерпевает полиморфных превращений. Во всем температурном интервале, вплоть до точки плавления (660°С) он имеет кристаллическую гранецентрированную ре­шетку. Наиболее важной особенностью алюминия является низкая плотность 2,7 г/см³.

Алюминий обладает высокой электропроводностью (четвертое место среди металлов – после серебра, меди и золота) - 37,9 мкОм.м, что составляет 66% от электропроводности меди.

Коэффициент теплопроводности алюминия зависит от степени его чистоты. Для технического алюминия (степень чистоты -99,49%) коэффициент теплопроводности, λ составляет 209 Вт/(м.К) при 200⁰С.

Алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью, вслед­ствие образования на его поверхности тонкой прочной пленки А1₂О₃. Чем чище алюминий, тем выше его коррозионная стойкость.

Механические свойства отожженного алюминия высокой чистоты: σ_в = 40-60 МПа, δ = 40- 50 %, твердость 25 HB, модуль нормаль­ной упругости Е = 70 ГПа.

Для технического алюминия σ_в = 80 МПа, σ₀,₂ = 30 МПа, δ = 35 %. Холодная пластическая деформация повышает σ_в технического алюминия до 150 МПа, но снижает относи­тельное удлинение до 6 %. Благодаря высокой пластич­ности в отожженном состоянии алюминий легко обрабатывается давлением, но обработка резанием затруднена. Сваривается всеми видами сварки.

Для элементов конструкции и деталей, не несущих нагрузки, применяется технический алюминий марок АД и АД1, когда требуется высокая пластичность, хорошая свариваемость, сопротивление коррозии и высокая тепло- и электропроводность. Более широко используют сплавы алюминия.

Большинство легирующих элементов, входящих в состав алюминиевых сплавов, обладает ограниченной растворимостью (медь, магний, кремний, марганец, цинк, литий, никель, титан), изменяющейся с температурой. Это сообщает сплавам способность упрочняться термической обработкой.

Деформируемые алюминиевые сплавы разделяют на сплавы, не упрочняемые термической обработкой (с концентрацией легирующих элементов ниже предела растворимости при 20 ⁰С), и сплавы, упрочняемые термической обработкой (имеющие концентрацию легирующих элементов свыше этого предела) (рисунок 2.1.). Кроме того, алюминиевые сплавы классифицируются по технологии изготовления (деформируемые, литейные, порошковые) и свойствам.

Рисунок 2.1 Диаграмма состояния сплавов А1-Cu

Термическая обработка алюминиевых сплавов

Для термически обрабатываемых алюминиевых сплавов типа дуралюминов проводят закалку, старение, обработку на «возврат», отжиг. В исходном состоянии сплав имеет структуру твердого раствора легирующих элементов в алюминии и фазы типа CuAl₂, CuMgAl₂ по границам зерен.

Нагрев при закалке обычно ведут до температуры 500510°С, выдержка при этой температуре и охлаждение в воде. При быстром охлаждении в воде фаза CuAl₂не успевает выделиться, и при комнатной температуре фиксируется неравновесное состояние сплава, представляющего собой однородный пересыщенный α твердый раствор меди в алюминии. Свежезакаленный сплав обладает высокой пластичностью (δ=20%) и низкой твердостью и прочностью (σ =300 МПа).

Старение. Пересыщенный αтвердый раствор метастабилен (неустойчив). Через некоторое время после закалки (по окончанию инкубационного периода) избыточные элементы будут стремиться выделиться из пересыщен­ного твердого раствора. На этом явлении и основан процесс "старения" алюминиевых сплавов.

При нормальной температуре +20°С (процесс естественного старения) в пересыщенном твер­дом растворе начинается диффузия атомов меди к некоторым определенным плоскостям кристаллической решетки. Зоны с повышенной концентрацией меди представляют собой пластинки или диски толщиной в несколько атомных слоев (2–3) и протяженностью или диаметром до 20–50 атомных слоев. Эти зоны принято называть зонами Гинье–Престона (Г-П), по имени уче­ных, впервые установивших их существование. Образование зон ГП ведет к искажению кристаллической решетки, что сопровождается повышением прочности и снижением пластич­ности сплавов.

Процесс естественного старения практически закан­чивается по истечения 5-7 суток. Сплав при этом приобретает максимальную прочность, остающуюся в дальнейшем постоянной. Время инкубационного периода варьируется в зависимости от состава сплава, но всегда составляет не менее 2-3 часов. В это время сплав сохраняет высокую пластичность, хо­рошо обрабатывается давлением, что используется на практике для проведения таких технологических операций, как клепка, правка и т.д. При температурах ниже 0⁰С процесс старения замедляется и при температурах ниже 50⁰С практически прекращается, что позволяет при этих температурах длительное время сохранять струк­туру однородного пересыщенного твердого раствора, обладающе­го высокой пластичностью.

Процесс старения при высоких температурах (искусст­венное старение) протекает значительно быстрее, и сложнее по сравнению с естественным процессом. Процесс идет в три стадии: Первая стадия, как и в случае естественного старения, состоит в образовании зон Г – П, которые имеют ту же имеют ту же природу, что при естественном старении, но обладают большими размерами. Вторая стадия старения – образование новой промежуточной θ' – фазы.по составу и кристаллическому строению близкой к θ – фазе (твердому раствору алюминия в интерметаллическом соединении CuAl₂). θ' – фаза представляет собой мелкодисперсные частицы когерентно связанной с твердым раствором, т.е. на границе раздела имеются общие атомы, которые одновременно принадлежат обеим фазам. Мелкодисперсные частички θ' – фазы, когерентно связанные с основным твердым раствором, еще способны упрочнять сплав.

Третья стадия старения заключается в разрыве когерент­ной связи, в образовании стабильной θ – фазы и в ее укрупнении. Максимум прочности при старении будет соответствовать пер­вой стадии и будет меньше во второй стадия старения. Третья ста­дия старения всегда связана с разупрочнением.

Как видно из кривых, при искусственном старении дуралюмина его прочность вначале возрастает, а затем начинает падать. Чем выше температура старения, тем быстрее достигается максимум прочности. Следовательно, для достижения максимальной прочности время старения при искусственном старении необходимо ограничивать.

Обработка на «возврат».Обработку проводят в течение I – 2 минут в селитро­вой ванне (расплав смеси двух солей 55% KNO₃ и 45% NaNO₃) при температуре 250⁰С с последующим быстрым охлаж­дением в воде. При этом зоны ГП растворятся в твердом растворе, и свойства сплава вновь возвратятся к свежезакаленному со­стоянию. Время полного разупрочнения при обра­ботке на "возврат" очень невелико и исчисляется минутами, а иногдапосле кратковременного нагрева дои долями минут. Продолжительная выдержка ведет к повышению прочности вследствие искусственного старения Обработанный на "возврат" дуралюмин обладает низкой проч­ностью и высокой пластичностью. С течением времена такой дуралюмин стареет подобно свежезакаленному.

Наибольшее распространение получили сплавы составов:

- А1—Мn, Al—Si,

- Al— Mg,

- Al—Cu—Mg,

- Al—Сu—Mg—Si,

- Al—Mg—Si,

- Al—Zn—Mg—Сu.

В равновесном состоянии эти сплавы представляют собой низколегированный твердый раствор и интерметаллидные фазы CuAl₂ (θ-фаза), Mg₂Si, Al₂CuMg, (S-фаза), Al₆CuMg₄ (Т-фаза), Al₃Mg₂, Al₂Mg₃Zn₃ (Т-фаза) и др.

К деформируемым сплавам, не упрочняемым термической обработкой, относятся технический алюминий АД1, АД, алюминиево-марганцевые сплавы АМц и АМц1. Это высокопластичные и коррозионностойкие сплавы, обладают хорошей свариваемостью.

Группа сплавов системы Аl-Mg: АМг1, АМг2, АМг3, АМг5В и АМг6. В сварных соединениях эти сплавы способны сохранять до 95% прочности основного металла при высокой пластичности и коррозионной стойкости, однако характеристики прочности у этой группы сплавов относительно невысоки.

Термически упрочняемые деформируемые сплавы подразделяются на следующие группы:

дуралюмины – сплавы на основе системы А1CuMg: Д1, Д16, Д19, ВАД1, ВД17, М40, Д18;

авиали – сплавы на основе системы А1MgSi и А1CuMgSi: АВ, АД31, АД33, АД35 и АК6, АК1, АК8. Данные сплавы обладают хорошей коррозионной стойкостью, технологичностью, достаточно высокой пластичностью, способностью подвергаться цветному анодированию;

- сплавы на основе системы АlCuMgFeNi: АК2, АК4, АК4-1;

- сплавы на основе системы Аl – Zn – MgCu: В93, В95, В96, В94.

- сплавы на основе системы АlCuMn: Д20, 1201, Д21, ВАД23 (АlCuMnLiCd). Сплавы обладают средней прочностью, высокой технологической пластичностью, хорошо свариваемые. Коррозионная стойкость под напряжением удовлетворительная. Сплавы способны работать в широком интервале температур.

 сплавы на основе системы А1Mg – Zn: В92, В92Ц, АЦМ, 1911,1915.

Сплавы имеют высокую прочность при комнатной и криогенной температурах, удовлетворительную свариваемость и хорошую общую коррозионную стойкость. При сварке этих сплавов удается получить соединения с прочностью 80-90% прочности основного металла в закаленном и состаренном состоянии. Однако с повышением температуры сплавы системы А1Mg – Zn разупрочняются и подвержены коррозии под напряжением и расслаивающей коррозии.

Ниже описаны алюминиевые сплавы последних разработок ФГУП «ВИАМ»

Сверхпрочные и высокопрочные сплавы системы Al–Zn–Mg–Cu

- В96Ц3п.ч.-Т12 (1965-1)  – сверхпрочный сплав (σ_в≥600–645 МПа), рекомендуется вместо высокопрочных сплавов В95о.ч./п.ч. в виде катаных и прессованных полуфабрикатов для верхних обшивок крыла, балок, стоек и других элементов, особенно в сжатых зонах планера перспективных самолетных конструкций. Разработан специальный режим трехступенчатого старения (Т12), который обеспечивает высокий уровень прочности (Т1) и коррозионной стойкости, близкой к стойкости в состоянии Т2.

Листы из сплава В96Ц3п.ч. перспективны для создания высокопрочных слоистых металлополимерных, биметаллических и гибридных материалов.

- В96Ц3-T1 (1965) – конструкционный материал для корпусов ракетной техники.

- 1933 – современный ковочный сплав, применяется в термически обработанном состоянии по режимам Т2 и Т3 (σ_в>440-500 МПа), с повышенной трещиностойкостью (К_1с>39-43 МПа/м^1/2), используется для изготовления силовых деталей внутреннего набора планера самолета (шпангоутов,  фитингов, балок, лонжеронов) в самолетах ЗАО «ГСС», АНТК «Антонов», ОАО «ОКБ “Сухого”», ОАО «Корпорация “Иркут”». Сплав превосходит по вязкости разрушения на 20–30% другие высокопрочные сплавы, в том числе зарубежные. Для этого сплава разработаны режимы малодеформационной закалки и трехступенчатого старения Т123 и Т122 крупногабаритных полуфабрикатов, обеспечивающие улучшенный комплекс прочностных и ресурсных характеристик в сочетании с пониженным в 1,5–3 раза уровнем закалочных напряжений, что позволяет уменьшить поводки и коробление сложных деталей при механической обработке.