При выборе алюминиевых сплавов для конструкций, работающих при повышенных температурах, следует, как и в других случаях, в первую очередь рассматривать группу мало- и среднелегированных сплавов. В этой группе достаточно теплопрочными являются сплавы АМг2, если полуфабрикаты из них изготавливают с использованием ТМО, и АВпчТ2 (или АДЗЗТ2) при достаточном перестраивании их (например, по режиму 220- 240 °С, 2-4 ч). Повышение в сплаве АМг2 содержания марганца при некотором ограничении содержания магния улучшает теплопрочность. Указанные сплавы сочетают высокую коррозионную стойкость с достаточной прочностью при обычной и повышенных температурах. Однако для ряда высоконагруженных конструкций прочность таких сплавов оказывается недостаточной. В таких случаях применяют более легированные сплавы, коррозионная стойкость которых очень часто значительно понижена.
Сплавы системы Al-Cu-Mg (алюминий Д1, Д16)
Поскольку сплав Д16 находится на границе двух фазовых областей a+θ+S и а+S, то в зависимости от содержания в нем магния и меди он упрочняется или только тройной фазой, или смесью фаз S и θ (с преобладанием первой фазы). Следовательно, основные коррозионные свойства полуфабрикатов из этого сплава определяются фазовым составом выделений, их распределением по границе и объему зерна, а также степенью обеднения приграничных областей медью. Последнее, как было показано выше, в основном определяется условиями закалки и старения. Резкая закалка тонкостенных полуфабрикатов с рекристаллизованной структурой (толщина стенки <4 мм) со скоростями, превышающими критическую, и последующее естественное старение (режим Т) обеспечивают довольно равномерный распад твердого раствора. При этом размер и плотность выделившихся фаз на границах, а также степень обеднения приграничных зон по меди невелики. Соответственно и разница потенциалов между границами, объемом зерна и приграничными участками также невелики.
Поэтому в этом состоянии, как правило, должна отсутствовать и чувствительность к МКК. Однако чувствительность к КР сохраняется. Это свидетельствует о том, что электрохимическая гетерогенность, существующая в сплаве до наложения напряжений извне, оказывает меньшее влияние на процесс коррозионного растрескивания, чем гетерогенность, возникающая под воздействием приложенных напряжений. Поэтому механизм КР полуфабрикатов из сплава Д16, по-видимому, имеет много общего с механизмом коррозионного растрескивания для сплавов системы А1- -Zn-Mg-(Сu). Об этом свидетельствует и тот факт, что кинетические кривые изменения σв, σ0,2, δ и КР при изотермическом искусственном старении для сплава Д16 имеют тот же вид, что и для сплавов системы А1-Zn-Mg-(Сu) (рис. 78).
В естественно состаренном материале (tcK) зоны ГПБ срезаются движущимися дислокациями, обусловливая образование повышенной концентрации напряжений на границах зерен. Это является причиной пониженного сопротивления КР полуфабрикатов в состоянии Т (табл. 48). Кроме того, процесс КР в определенной степени облегчается за счет водородного охрупчивания. Как видно из этой таблицы, значения KIKР и σкр, например, для плит в состоянии Т составляют всего 3,1 МПа•м1/2 и 25 МПа соответственно. В этом состоянии полуфабрикаты с нерекристаллизованной или смешанной (частично рекристаллизованной) структурой, а также с рекристаллизованной структурой, но с зернами, вытянутыми вдоль максимального вектора деформации (т. е. в направлении пластической деформации, произведенной в процессе формообразования полуфабриката), обладают низким сопротивлением РСК. Так, для плит из сплава Д16 РСК составляет 6-9 балл (табл. 48).
Применение искусственного старения в области температур, близких к критической (для сплава Д16 значение tк1=90-195 °С) и продолжительностью 16- 18 ч (режим Т2), приводит к образованию в структуре полуфабрикатов крупных частиц переходных фаз (θ`, S`), которые не срезаются дислокациями. Это способствует более равномерному движению дислокаций по зерну и соответственно понижает вероятность концентрации напряжений на их границах. В этом случае значения σкр, КIКР и РСК повышаются до 175 МПа, 10,8 МПа•м1/2 и 2 баллов соответственно.
 Следовательно, за счет применения соответствующего режима искусственного старения (например, Т2) можно радикальным образом повысить сопротивление полуфабрикатов и КР и РСК. Однако глубина и интенсивность МКК при этом возрастают и несколько снижаются характеристики пластичности и вязкость разрушения. Тем не менее за рубежом, в частности в США, полуфабрикаты с толщиной стенки, превышающей 6,5 мм, рекомендуется применять только в искусственном состоянии.
При выборе режима старения следует иметь в виду, что обработка полуфабрикатов с нерекристаллизованной или смешанной структурой по режиму 190 °С, 12 ч (Т1) повышает только сопротивление КР (σкр=125 МПа, KIкр~9,4 МПа•м1/2) и практически не оказывает влияния на сопротивление РСК (табл. 48). Лишь только при длительности выдержки ~16 ч происходит заметный рост сопротивления РСК (рис. 79).
Поскольку, как было отмечено выше, на дислокациях выделяются частицы S`- или ?`-фаз, то это обстоятельство используют на практике для повышения уровня прочностных и коррозионных характеристик. Дислокации вводят пластической деформацией свежезакаленных полуфабрикатов. На практике эту операцию совмещают с операцией правки, регламентированной степенью растяжки прессованных и прогладки или растяжки прокатанных полуфабрикатов.
Типичные коррозионные и электрохимические характеристики для различных серийных полуфабрикатов представлены в табл. 49-53.
Экспериментальные данные хорошо иллюстрируют сказанное выше. Для рекристаллизованных естественно состаренных листов (см. табл. 49) среднее время до разрушения при испытании поперечных образцов по методу заданной деформации (в «скобе» при σ=0,9σ0,2) составляет 52 сут. При накопленной частоте 5 % это время равно 21 сут. Вследствие малой толщины листов (0,8- 2,0 мм) степень распада твердого раствора при закалке минимальна и поэтому глубина и интенсивность коррозионных поражений при испытании на МКК невелики (при Р=50% они равны 0,01 мм и 1,2 % соответственно), хотя коррозия и имеет межкристаллитный характер. Для рассматриваемых полуфабрикатов характерно довольно высокое сопротивление РСК (P50% соответствует 4 баллам).
Потенциал пробоя (φп) примерно на 40 мВ положительнее потенциала коррозии (фк). Это свидетельствует о том, что сплав Д16Т находится в пассивном состоянии.
Искусственное старение по режиму 190 °С, 12 ч (режим Т1) повышает (но не устраняет полностью) сопротивление КР, однако при этом понижается сопротивление межкристаллитной и общей коррозии (см. табл. 49).
Для листов больших толщин (3-4 мм) со смешанной структурой и большей вытянутостью зерен в направлении прокатки коррозионные характеристики несколько изменяются. Как следует из табл. 50, сопротивление КР в поперечном направлении возрастает, а сопротивление МКК и общей коррозии снижается: глубина (h и hок) и интенсивность поражений (И) листов толщиной 3-4 мм по сравнению с листами толщиной 0,8-2,0 мм увеличиваются.
Такой характер изменения коррозионных характеристик обусловлен меньшей прокаливаемостью листов толщиной 3-4 мм. Повышение сопротивления КР и понижение РСК для толстых листов связано с «геометрическим фактором» - удлинением зерен в направлении прокатки. По-видимому, этот фактор оказывает большее влияние на процесс КР, чем степень прокаливаемости полуфабриката.
Прессованные полуфабрикаты с нерекристаллизованной структурой, в частности трубы с большой толщиной стенки (20 мм), по сравнению с листами имеют пониженное сопротивление КР, а также расслаивающей и общей (ΔМ) коррозии (табл. 51).
Трубы с рекристаллизованной структурой (h<10мм) имеют несколько более высокий уровень сопротивления РСК и КР. По остальным характеристикам они близки к трубам с нерекристаллизованной структурой.
В последние годы существенно увеличился выпуск крупногабаритных полуфабрикатов, в частности прессованных панелей, плит из конструкционных высокопрочных алюминиевых сплавов, в том числе из сплава Д16. При этом к качеству таких полуфабрикатов предъявляются повышенные требования: изготавливаемые из них элементы конструкций самолетов должны надежно эксплуатироваться в течение 25-30 лет и более.
Испытания на РСК и КР (табл. 52) прессованных панелей и плит из сплава Д16чТ показали, что сопротивление РСК панелей находится на уровне сопротивления РСК тонкостенных прессованных полуфабрикатов с аналогичной, частично рекристаллизованной структурой (6-7 баллов). При испытании на КР (на установке «Сигнал») обнаружены некоторые особенности: установлены анизотропия сопротивления КР поперечных образцов по ширине профильной части панели, а также более высокое сопротивление КР высотных и отчасти поперечных образцов, вырезанных из законцовки.
Действительно, в первом случае сопротивление КР растет по мере удаления от края профильной части (полотна) к ее середине. При этом среднее время до разрушения при напряжении 250 МПа (что составляет около 0,75 от ?0,2) с 16 сут (положение 1) возрастает до 39 и 45 сут и более для положений 2 и 3 соответственно. Такой характер зависимости обусловлен изменением направления волокна. Следует отметить, что долговечность поперечных образцов, отобранных от края полотна панели (положение 1), заметно ниже долговечности прессованных полуфабрикатов меньшего сечения, а также плит близкой толщины (см. табл. 48) и практически не уступает долговечности последних для других участков (положения 2 и 3) по ширине панели.
Во втором случае (для законцовки) высотные образцы не разрушаются при испытаниях в течение 45 сут и более при напряжении 50 МПа и выдерживают базу испытаний 30 сут при напряжении 150 МПа. Поперечные образцы не разрушаются в течение 40 сут даже при напряжении 300 МПа, превышающем 0,95 от σ0,2.
Повышенные коррозионные свойства законцовочной части панели по сравнению с профильной (по РСК и КР), по-видимому, связаны с меньшей степенью деформации при прессовании и, следовательно, с меньшей волокнистостью структуры.
Коррозионные свойства прессованной плиты несколько отличаются от коррозионных свойств катаной плиты. Прессованная плита имеет низкое сопротивление РСК (9-10 баллов), в то же время для нее получено повышенное сопротивление КР(σкр=50 МПа).
Один из путей повышения конструкционных характеристик плит - рациональный выбор технологии их изготовления. Например, на структуру и соответственно на свойства полуфабрикатов оказывают влияние как качество слитков, так и степень деформации при его обработке. При этом увеличение степени деформации уменьшает влияние структуры слитка, но не устраняет его полностью. Однако влияние указанных технологических факторов на коррозионные свойства плит из сплава Д16 не исследовалось. Есть сведения лишь о том, что потери механических свойств (Δσв, Δδ) образцов из плит сплава АК4-1, полученных разным способом (кованно-катаные, штампованно-катаные из вакуумированного металла, катаные), после испытания при переменном погружении в 3 %-ный раствор NaCl практически одинаковы.
В работах авторов установлено (табл. 53), что независимо от степени деформации (№№ 7, 9 и 8, 10) и способа изготовления плит из сплава Д16Т (№№ 11-13) сопротивление КР и РСК практически сохраняется на одном уровне. На указанные коррозионные характеристики не оказывают существенного влияния условия литья, в частности, вакуумирование (№№ 3, 4 и 5, 6), литье в электромагнитном поле (№№ 7, 8 и 9, 10), а также содержание в сплаве примеси железа (№№ 1, 2 и 3,4).
Все это позволяет говорить о том, что выбор технологической схемы изготовления плит из сплава Д16Т в основном должен определяться экономическими соображениями и требуемым уровнем других конструкционных характеристик (Kic, σв, σ0,2, δ и т. п.).
Сплав Д1 отличается от сплава Д16 пониженным содержанием магния (в среднем в 2,5 раза). Основной упрочняющей фазой в сплаве Д1 является СuАl2 и поэтому по некоторым коррозионным характеристикам, в основном РСК, полуфабрикаты из этого сплава несколько уступают аналогичным изделиям из сплава Д16.
Сопротивление РСК полуфабрикатов из сплава Д1 на 1-2 балла ниже по сравнению с сопротивлением РСК сплава Д16. По сопротивлению КР рассматриваемые сплавы имеют практически одинаковые показатели. Так, среднее время до разрушения штамповок из сплава Д1 в высотном направлении составляет 9,7 сут, а в поперечном 25,6 сут (при испытании в «скобе» при σ=0,75 σ0,2). При этом глубина межкристаллитной коррозии равна 84-560 мкм. Расслаивающая коррозия соответствует 7-8 баллам. |
НОВЫЕ ОБЪЯВЛЕНИЯ
НОВОСТИ
НОВЫЕ СТАТЬИ