Жаропрочные сплавы, легированные переходными металлами

Во многих случаях от конструкционных материалов требуется наличие высокого уровня механических свойств не только при комнатной, но и при повышенных температурах. Это в полной мере относится и к литейным алюминиевым сплавам, особенно при их использовании в изделиях специального назначения. В частности, больший интерес представляет максимальный уровень рабочих температур. У стандартных литейных сплавов типа АМ5 он не превышает 250—300 °С и повысить его в рамках традиционного легирования вряд ли возможно, поскольку диффузия меди в (А1) становится достаточной большой. Кроме того, сплавы на основе системы А1—Си обладают низкими литейными свойствами, повысить которые без изменения состава алюминиевой матрицы малореально.

Существенно повысить жаропрочность алюминиевых сплавов можно за счет легирования повышенными концентрациями переходных металлов. Положительные результаты были достигнуты при использовании методов быстрого охлаждения расплава (гранульная и порошковая металлургия), поскольку в этом случае удается реализовать структуру, существенно отличающуюся от той, которая формируется в условиях кристаллизации массивных слитков.

Переходные металлы (ПМ) по растворимости в (А1) можно разделить на две группы: ПМ1, имеющие относительно высокую растворимость (десятые доли процента и выше), и ПМ2, малорастворимые в (А1) и образующие фазы эвтектического или первичного происхождения. С ростом скорости кристаллизации растворимость ПМ1 в (А1) существенно повышается, а растворимость ПМ2 меняется незначительно, но происходит измельчение фаз кристаллизационного происхождения и сдвиг эвтектической точки в сторону большего содержания ПМ2. В процессе нагрева при 200—600 °С может происходить выделение из (А1) вторичных алюминидов, содержащих ПМ1. Улучшение характеристик жаропрочности по сравнению со стандартными алюминиевыми сплавами достигается прежде всего за счет высокой объемной доли дисперсных алюминидов, содержащих переходные металлы обоих типов (ПМ1 и ПМ2). Поскольку стоимость гранулируемых и порошковых сплавов весьма высока, представляется целесообразным рассмотрение возможности создания новых жаропрочных литейных сплавов, при оптимизации состава и структуры которых одновременно использовались бы принципы:

• а) легирования быстроохлажденных сплавов;
• б) оптимизации состава и структуры высокопрочных литейных алюминиевых сплавов.

В качестве ПМ2 наиболее подходящими кандидатами являются никель, железо и церий, которые образуют дисперсные эвтектики (благодаря нулевому интервалу кристаллизации) с участием двойных и тройных алюминидов. Все эвтектики имеют высокую температуру плавления и способны к фрагментации при нагреве, несмотря на низкую растворимость ПМ2 в алюминии.

Отбор элементов, способных выступать в роли ПМ1, был проведен на основе экспериментальных исследований, выполненных с учетом опубликованных сведений, в основном по быстро закристаллизованным сплавам. Особое внимание уделялось их максимальной растворимости в (А1) и способности повышать характеристики прочности и жаропрочности. В качестве потенциальных ПМ1 были выбраны скандий, титан, хром, ванадий, цирконий, молибден, марганец и гафний. Влияние этих элементов на структуру и упрочнение изучали как на двойных сплавах (А1—ПМ1), так и при наличии в них никеля в количестве 2—6%. Учитывая, что многие из этих ПМ1 резко повышают ликвидус, приготовление сплавов и заливку проводили при 900 °C.

Наиболее перспективные ПМ1 — марганец и цирконий, которые, являясь доступными легирующими элементами, позволяют в наибольшей степени реализовать структуру, которая представляется оптимальной для жаропрочных литейных сплавов. В некоторых случаях к этим ПМ1 могут быть добавлены хром и скандий. Первый в наибольшей степени повышает прочность при температурах выше 350 °C, а второй целесообразно использовать, когда недопустимы высокие температуры расплава.

При нагреве начиная с 300—350 °С образуются вторичные алюминиды (AlMn) и снижается концентрация марганца до равновесных значений, которые при температурах до 500 °C остаются весьма низкими. На прочностные свойства процесс распада (А1) мало влияет, хотя сам механизм упрочнения изменяется (от твердорастворного до дисперсионного). Добавка марганца в сплавы А1—Ni мало влияет как на ликвидус, так и на солидус, что позволяет сохранить узкий интервал кристаллизации и, следовательно, высокие литейные свойства.

Добавка циркония, в отличие от марганца, приводит к значительному дисперсионному упрочнению за счет образования вторичных выделений метастабильной фазы Al₃Zr. Это влияние аналогично эффекту скандия. Расчет объемных долей фаз Al₃Zr и Al₃Sc показывает, что введение 0,2% Zr примерно эквивалентно 0,1% Sc, т. е. для получения значительного упрочнения концентрация циркония в сплаве должна быть не менее 0,5— 0,6%. Однако введение таких концентраций циркония в алюминиевые сплавы вызывает определенные трудности, что связано с особенностью фазовой диаграммы А1—Zr. Из-за резкого повышения ликвидуса температура приготовления расплава должна быть выше 800—850 °С, так как в противном случае полное растворение циркония в жидкой фазе невозможно в принципе. Другой особенностью фазовой диаграммы А1—Zr является ее трансформация в сторону расширения области первичной кристаллизации (А1) при ускоренном затвердевании. В этом случае весь цирконий, который вошел в состав (А1), сохраняется там до полного охлаждения. Если V_c превышает 5 К/с, то возможно получение в литом состоянии твердого раствора, содержащего как минимум 0,5% Zr. При недостаточно быстром затвердевании могут образоваться грубые первичные кристаллы фазы Al₃Zr, что сопровождается снижением концентрации циркония в (А1).

Распад твердого раствора с образованием вторичных выделений метастабильной фазы Al₃Zr начинается с 350—400 °С. При более высоких температурах возможно образование стабильной фазы, которая не является таким сильным упрочнителем, как метастабильная. Добавка циркония (так же как и марганца) позволяет сохранить узкий интервал кристаллизации и высокие литейные свойства сплавов А1—Ni.

С использованием изложенных выше особенностей легирования и технологии выплавки были разработаны жаропропрочные никалины Z1 и Z3. По совокупности основных показателей они превосходят жаропрочные литейные алюминиевые сплавы типа АМ5 и АК12ММгН и могут использоваться при температурах до 350—400 °С. Благодаря узкому интервалу кристаллизации они обладают высокими литейными свойствами, что позволяет получать из них тонкостенные кокильные отливки.

Жаропрочные сплавы могут быть созданы и на базе других эвтектик, в частности Fe-содержащих, что делает их более экономно легированными. Показатели жаропрочности сплавов с фазами Al₉FeNi и Al₁₀Fe₂Ce при 400 °C выше, чем у сплавов АЛ33 и АЦр1у.