Alumīnija sakausējumu izstrāde: kā sakausējumi iegūst augstākas mehāniskās īpašības

Sakausējuma izstrādes mērķis

Alumīnija sakausējuma izstrāde ir kontrolēta manipulācija ar ķīmiju, apstrādi un termisko apstrādi, lai sasniegtu mērķa kombināciju – stiprību, stingrību, izturību pret koroziju un formējamību. Tīrs alumīnijs ir mīksts un elastīgs; katrs komerciālais sakausējums pievieno elementus, kas traucē dislokācijas kustību vai uzlabo mikrostruktūru. Inženiertehniskais uzdevums ir izlemt, kurš mehānisms piegādā nepieciešamo īpašumu par pieņemamām izmaksām, un pēc tam noteikt apstrādes ceļu, kas padara šo mehānismu atkārtojamu ražošanā.

Mūsdienu praksē dominē pieci mehānismi: cietināšana ar nogulsnēšanos, skandija mikrosakausēšana, litija pievienošana, sacietēšana 6xxx loksnēs un ātra sacietēšana paaugstinātas temperatūras nodrošināšanai.

Nokrišņu sacietēšana 7xxx sērijā

Zn{0}}Mg-Cu sakausējumos izšķīdušo vielu kopas veido saskaņotas Gvinjē-Prestona zonas aptuveni 24 stundu laikā pēc dabiskās novecošanas istabas temperatūrā. Standarta T6 ceļš šiem sakausējumiem sastāv no šķīduma apstrādes aptuveni 475 grādos 2 stundas, dzesēšanas ar ūdeni, pēc tam mākslīgas novecošanas aptuveni 120 grādos 24 stundas.

Mākslīgās novecošanas laikā metastabilā η' fāze, kuras pamatā ir MgZn₂, veido un bloķē dislokācijas kustību, kas rada spēka pieaugumu. Kompromiss-ir klasisks: novecojušais

Aviācijas un kosmosa materiālu specifikācijas parasti nosaka minimālo plaknes{0}}spriegumu pret deformāciju virs 28 MPa·m^1/2biezām spārnu-spar sekcijām augstas-stiprības 7xxx plāksnē, piemēram, AA7150-T7751. Lūzumu stingrība tiek mērīta ar ASTM B645 procedūrām, lai prasības stiprības un bojājumu tolerances puses varētu novērtēt ar salīdzināmiem nosacījumiem.

Skandija mikrosakausēšana, graudu rafinēšana un metināmība

Alumīnija sakausējumam pievienojot aptuveni 0,2 % skandija, tiek pārveidota lietiskā graudu struktūra, samazinot graudu izmēru no aptuveni 500 μm līdz aptuveni 10 μm. Mehānisms ir koherenta Al veidošanās₃Sc nanonogulsnes, kuru izmērs parasti ir 3-5 nm, kas nostiprina gan dislokācijas, gan graudu robežas un iztur pārkristalizāciju pat pēc augstas temperatūras apstrādes.

Īpašības pieaugums ir liels mikrosakausējuma pievienošanai: atkvēlinātā Al-Mg-Sc materiālā tecēšanas robeža palielinās no aptuveni 150 MPa līdz aptuveni 350 MPa. Scandium novērš arī karstās -plaisāšanas uzņēmību metināmos augstas -stiprības sakausējumos, piemēram, AA2219, tādēļ metināmie Al-Cu-Sc varianti tiek izmantoti lieliem kriogēno degvielu tvertnes kupoliem. Ierobežojošais faktors vienmēr ir bijušas izmaksas, un tagad lielas izstrādes pūles tiek veltītas skandija atgūšanai no procesa blakusproduktiem un raktuvju atkritumiem, lai plašākā produktu klāstā pievienošana kļūtu ekonomiska.

Litija pievienošana un blīvuma samazināšana

Katrs 1 % alumīnijam pievienotā litija samazina blīvumu par aptuveni 3 % un palielina stingrību, tāpēc litiju saturošie sakausējumi ir pievilcīgi svara-kritiskajām konstrukcijām un kriogēnajām tvertnēm. Sakausējumi ar aptuveni 1,0 % litija, piemēram, 2195. saime, ir nomainījuši 2219. palaišanas-transportlīdzekļa tvertnē, un tas ir nodrošinājis ievērojamu katra transportlīdzekļa svara ietaupījumu.

Dupleksā novecošanās ārstēšana pastāv, jo T₁nokrišņi ir lēni, un tiem ir jāveido kodoli zemākā temperatūrā, pirms augstākas-temperatūras pakāpē plāksne izaug- kā nogulsnes, kas nodrošina sakausējuma stiprības un stingrības līdzsvaru. Tīra kausēšana ir vienlīdz svarīga, jo litijs viegli oksidējas un oksīdu ieslēgumi darbojas kā plaisu ierosinātāji.

Cepiet sacietēšanu 6xxx sērijā

Automobiļu virsbūves paneļos tiek izmantota Al{0}}Mg-Si loksne T4P stāvoklī, kas veidota un pēc tam nostiprināta krāsošanas cehā. Mg₂Si '' adatas, aptuveni 2 x 5 nm, izgulsnējas krāsošanas -cepšanas cikla laikā, parasti 185 grādos 20 minūtes, paaugstinot tecēšanas robežu vietās, kur panelis jau ir izveidots.

AA6016-T4P loksne sasniedz aptuveni par 20 % augstāku pēc-cepšanas izturību nekā divfāzu tērauda standarta, piemēram, DP780.

Elektropārklājuma adhēzija ir atkarīga no tā, vai dzelzs -un -silīcija attiecība ir virs aptuveni 1,5:1, lai virsmas ķīmija saglabātos nemainīga caur pirmapstrādes līniju.

Sadursmes veiktspēja, ko mēra kā enerģijas absorbciju, sasniedz aptuveni 15 kJ/kg, salīdzinot ar aptuveni 8 kJ/kg salīdzināmām tērauda sekcijām.

Lieli-gabala apakšdaļas lējumi un 6xxx sakausējumu konstrukcijas paneļi izmanto vienu un to pašu sacietēšanas ceļu, tāpēc formējamība presē un izturība ekspluatācijā ir atdalīta.

Ātra sacietēšana un augstas{0}}temperatūras sakausējumi

Parastie lietie alumīnija sakausējumi zaudē izturību virs aptuveni 150 grādiem, jo ​​to stiprināšana kļūst rupja. Ātra sacietēšana pārkāpj šo robežu, radot smalku termiski stabilu daļiņu dispersiju. Piemēram, smidzināšanas nogulsnēšana rada Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si sakausējumu, kas joprojām sasniedz aptuveni 400 MPa stiprību 300 grādu temperatūrā, ko atbalsta dispersoīdu populācija virs 10¹⁷/m³no 50 nm Al₁₂(Fe, V)₃Si daļiņas, kas pretojas rupjībai.

Piedevu ražošana paplašina to pašu ideju uz sarežģītām formām. Selektīvā lāzerkausēšana tiek izmantota, lai izveidotu turbokompresora riteņus un AlSi10Mg bremžu suportus ar smalkām, pārsātinātām šūnu struktūrām un labu izmēru brīvību, savukārt Al-Ce-Mg sakausējumi, kas izstrādāti kompresoru sekcijām, iztur aptuveni 250 grādu ekspluatācijas temperatūru, nezaudējot izkliedi. Dizaineriem praktiskais vēstījums ir tāds, ka sakausējuma izstrāde vairs nav tikai elementu pievienošana kausējumam; pulvera ceļš, sacietēšanas ātrums un termiskā apstrāde tagad ir vienlīdz spēcīgas sviras.

Bieži uzdotie jautājumi

J: Kas ir nokrišņu sacietēšana alumīnija sakausējumos?
To stiprina smalki izkliedētas daļiņas, kas veidojas novecošanas laikā. Izšķīdinātā viela tiek turēta pārsātinātā šķīdumā, dzesējot, pēc tam izgulsnējas kā GP zonas un metastabilas fāzes, kas kavē dislokācijas kustību.

J: Kāpēc izmantot T7 temperamentu, nevis maksimālu{1}}novecojušo T6?
T7 pār-novecošanās zaudē aptuveni 10 % no maksimālās stiprības, bet ievērojami uzlabo spriedzes-korozijas plaisāšanas izturību un izmēru stabilitāti, kas ir svarīgi biezām sekcijām ilgstošas ​​slodzes apstākļos.

J: Cik daudz skandija nepieciešams, lai uzlabotu graudu struktūru?
Parasti pietiek ar aptuveni 0,2 %, lai samazinātu as-graudu izmēru no aptuveni 500 μm līdz aptuveni 10 μm caur Al₃Sc nanonogulsnes 3-5 nm.

J: Kāpēc litiju{0}}saturošie sakausējumi tiek izturēti divos posmos?
T₁(Al₂CuLi) nokrišņi ir lēni, tāpēc dupleksā novecošana 155 grādos, pēc tam 190 grādos vispirms veido fāzi un pēc tam palielina to līdz izmēram, kas nodrošina vislabāko izturību un stingrību.

J. Kādi ierobežojumi ir rūdītas 6xxx loksnes izmantošanai korpusa paneļos?
Formējamība presē un virsmas ķīmijas stabilitāte elektropārklājuma adhēzijai, tāpēc dzelzs -un -silīcija attiecība tiek kontrolēta virs aptuveni 1,5:1.

J: Kurš mehānisms ļauj alumīnijam kalpot virs 250 grādiem?
Ātra sacietēšanas apstrāde. Tas rada blīvu stabilu daļiņu, piemēram, Al, dispersiju₁₂(Fe, V)₃Si, kas ir izturīgs pret rupšanu paaugstinātā temperatūrā.