Материалы малой плотности и высокой удельной прочности
Алюминиевые сплавы
Алюминиевые сплавы - конструкционные материалы, широко используемые в различных отраслях промышленности благодаря выгодному сочетанию механических и физических свойств, коррозионной стойкости, высокой технологичности и большим сырьевым ресурсам. По объему производства и потребления алюминий и его сплавы занимают второе место в мире после стали.
В нашей стране разработано большое число деформируемых и литейных сплавов с различным уровнем прочности ( 
= 130…680МПа), повышенной пластичности ( 
до 20…25%), жаропрочности, коррозионной стойкости и др. Существенное развитие приобрели порошковые и гранулируемые сплавы, получаемые компактированием частиц (гранул), закристаллизовавшихся в условиях высоких скоростей охлаждения (103…104 °С/с).
Улучшение эксплуатационных характеристик алюминиевых сплавов достигается повышением их металлургического качества, прежде всего, снижением содержания вредных примесей; совершенствованием технологий получения полуфабрикатов и заготовок; рациональным легированием и разработкой оптимальных режимов упрочняющей обработки.
Новыми прогрессивными технологическими процессами, способствующими значительному повышению качества различных видов изделий и полуфабрикатов из алюминиевых сплавов, являются горячее изостатическое прессование (ГИП) и высокотемпературная газостатическая обработка (ВГО). ГИП применяют для увеличения плотности свободно насыпанных порошков и холоднопрессованных брикетов, а также для ликвидации остаточной пористости и дефектов в отливках. ГИП способствует улучшению структуры материала, повышению пластичности и прочности, снижению анизотропии свойств.
ВГО используют, прежде всего, для обработки фасонного литья ответственного назначения из алюминиевых и других сплавов. ВГО позволяет устранить основные дефекты литейного происхождения, повысить свойства и снизить разброс их значений, уменьшить массу деталей, повысить в 2…3 раза ресурс.
Применение высокоскоростного охлаждения при кристаллизации позволяет значительно снизить химическую неоднородность в полуфабрикатах, осуществить рациональное легирование; способствует значительному измельчению структуры, изменению фазового состава; влияет на превращения при последующей термической обработке сплава, обеспечивая получение наиболее высоких значений конструкционной прочности. Разработаны новые методы высокоскоростного затвердевания алюминиевых сплавов, позволяющие увеличить скорость охлаждения до 106…107 °С/с.
Получили дальнейшее развитие сплавы алюминия с литием. Легирование литием приводит к снижению плотности алюминиевых сплавов, повышению их прочности и жаропрочности, получению аномально высокого модуля упругости. Алюминиевые сплавы с литием 1420 и ВАД23 являются необходимыми авиакосмическими материалами.
Алюминийлитиевые сплавы получают как традиционными методами плавки, так и методами порошковой технологии и, в частности, с использованием высоких скоростей охлаждения при кристаллизации. Считают, что этот метод позволит увеличить содержание лития до 4%, что значительно повысит удельную прочность сплава.
Обычно литейные алюминиевые сплавы имеют более низкие прочностные характеристики, чем деформируемые. Поэтому особый интерес для современного машиностроения представляют высокопрочные литейные алюминиевые сплавы со свойствами, идентичными свойствам деформируемых сплавов. Преимуществом литейных сплавов является возможность получения деталей меньшей стоимости, точных и сложных по конфигурации с большей изотропностью свойств, а также деталей, получение которых из-за их формы иными способами невозможно.
Разработаны высокопрочные литейные сплавы, обеспечивающие получение высококачественных, надежно работающих в различных эксплуатационных условиях, деталей. Сплав В2616 обладает хорошими литейными свойствами, высокой герметичностью, хорошо обрабатывается резанием. Детали из этого сплава могут длительно работать при температурах до 200°С. Герметичным сплавом повышенной жаропрочности является, также, сплав ВАЛ10М. Оба сплава используются для отливок, работающих в условиях высоких внутренних давлений. Для данных сплавов применимы все виды литья.
В сплаве ВАЛ10 особенно важно наличие кадмия, он повышает коррозионную стойкость сплава и увеличивает прочность, что приводит к увеличению долговечности при усталостных испытаниях и после длительного пребывания в коррозионно-активной среде.
Сплав АЛ27-1 имеет высокие механические свойства после закалки и его применяют только в этом состоянии. Легирование его способствует значительному возрастанию коррозионной стойкости в различных средах. Сплав рекомендуется для изготовления деталей, работающих при температурах ±60°С.
Сплав ВАЛ11 является, также, высокопрочным коррозионно-стойким сплавом с рабочей температурой до 150°С.
ВАЛ12 - высокопрочный сплав, обладает высокой общей коррозионной стойкостью, не склонен к межкристаллитной коррозии. Отливки из него могут длительно работать при температурах до 150°С и кратковременно - при 200°С.
Магниевые сплавы
Сплавы магния - современные конструкционные материалы, обладающие рядом специфических механических и физико-химических свойств. Их применяют в авиакосмической, электронно-вычислительной и других отраслях техники. Благодаря большим сырьевым ресурсам они имеют значение как заменители дефицитных и дорогостоящих металлов. Поэтому предусматривается дальнейшее развитие их производства и использование в промышленности.
Магниевые сплавы обладают следующими достоинствами:
1. Малая плотность.
2. Обладают достаточно высокой удельной прочностью и удельной жесткостью.
3. Характеризуются высокими демпфирующими свойствами.
4. Сопротивление усталости в 100 раз больше, чем у дюралюминия.
5. Могут длительно работать при температуре 350°С и кратковременно - при 400°С.
6. Имеют хорошие технологические свойства: легко обрабатываются резанием, хорошо деформируются, свариваются.
Основной недостаток магниевых сплавов - низкая коррозионная стойкость, что обусловило различные методы их рафинирования, легирования и защиты, обеспечивающие нормальную работу изделий в различных эксплуатационных условиях.
Стандартные наиболее распространенные магниевые сплавы гарантируют предел прочности: деформируемые 240…420МПа, литейные 150…340МПа.
Большой интерес представляют сплавы магния с литием - самым легким металлом (ρ = 0,534т/м3). Плотность магниево-литиевых сплавов составляет 1,3…1,6т/м3, что на 10…25% меньше плотности обычных магниевых сплавов и почти на 50% алюминиевых. Оптимальным комплексом механических и технологических свойств обладают сплавы МА21 и МА18.
Легирование литием повышает удельную жесткость сплава, увеличивает ударную вязкость и уменьшает чувствительность к надрезам (сплав МА18 нечувствителен к надрезам даже при криогенных температурах), повышает технологическую пластичность и облегчает обработку давлением, снижает на 150…300оС температуру деформирования, позволяет интенсифицировать процесс деформации - повышать скорость и степень деформации.
Из магниево-литиевых сплавов изготовляют практически все виды деформированных полуфабрикатов. Незначительная анизотропия свойств наблюдается только в листах и прессованных полуфабрикатах малого сечения.
Титан и его сплавы
Титан без преувеличения можно назвать материалом будущего. Применение титана и его сплавов открывает широкие перспективы в совершенствовании технологических процессов, оборудования и изделий в самых разнообразных отраслях промышленности.
Высокие темпы производства титана, которых не знал ни один из конструкционных металлов, объясняются, прежде всего, комплексом ценных свойств титана:
1. Большая удельная прочность.
2. Высокая коррозионная стойкость в атмосферных условиях и ряде химически активных сред.
3. Высокая температура плавления.
4. Немагнитность.
5. Малый коэффициент термического расширения.
6. Биологическая инертность.
К недостаткам титана относится его активное взаимодействие с газами при повышенных температурах, низкие антифрикционные свойства и плохая обрабатываемость резанием. Некоторые из указанных недостатков можно частично или полностью устранить введением в титан легирующих элементов, термической или химико-термической обработкой.
По технологии изготовления титановые сплавы делят на деформируемые и литейные, а по способности упрочняться при термической обработке - на упрочняемые и неупрочняемые.
Все сплавы на основе титана имеют в своем составе алюминий. Это обусловлено следующими причинами:
а) введение алюминия снижает плотность сплавов и повышает их удельную прочность;
б) эффективно упрочняет сплавы, сохраняя удовлетворительную пластичность;
в) алюминий повышает жаропрочность и сопротивление ползучести титановых сплавов;
г) повышает модуль упругости;
д) уменьшает склонность к водородной хрупкости.
Однако с увеличением содержания алюминия заметно снижается коррозионная стойкость титановых сплавов в растворах NaСl.
Свойства титана и его сплавов можно изменить в довольно широких пределах термической и химико-термической обработками.
Термомеханическая обработка сплавов, незначительно повышая прочность, резко повышает однородность структуры и свойств по сечению изделий. Из многих видов химико-термической обработки, находящихся пока еще в стадии изучения, наиболее известно азотирование титановых сплавов, повышающее износостойкость, сопротивление усталости и коррозионную стойкость, а также оксидирование, приводящее к улучшению антифрикционных свойств и коррозионной стойкости.
Применение титана и его сплавов перспективно во многих областях современной техники: авиации и ракетостроении, химической промышленности, криогенной технике, медицине, судостроении и т. д.
Относительно высокая стоимость титана и его сплавов компенсируется высокими эксплуатационными характеристиками, а в ряде случаев незаменимостью.
Одним из основных потребителей титана являются химическая и нефтехимическая промышленности. Применение титана и его сплавов в качестве конструкционного материала при изготовлении деталей, работающих в агрессивных средах, таких, как серная и соляная кислоты, водные растворы хлора, этилбензола, хлорной извести и т. д., позволяет повысить ресурс работы оборудования в десятки раз по сравнению с оборудованием из коррозионно-стойкой стали.
Титановые сплавы эффективно заменяют дефицитные материалы: сплавы на основе никеля, высоколегированные и коррозионно-стойкие стали, редкие, драгоценные и цветные металлы (тантал, ниобий, платину, медь, олово). Кроме того, существует ряд производств (двуокись хлора, хлориты, гербициды и др.), где титан является единственным коррозионно-стойким материалом.
Биологическая инертность титана по отношению к живому организму в сочетании с высокими механическими свойствами, высокой коррозионной стойкостью и немагнитностью делают его незаменимым в медицине при изготовлении хирургического инструмента, внутрикостных фиксаторов, наружных и внутренних протезов.
Благодаря высокой коррозионной стойкости в морской воде титан и его сплавы широко применяют в судостроении для защиты подводной части морских судов и корпусов подводных лодок. К тому же большое значение имеет и тот факт, что защищенные титаном части не «обрастают» ракушками.
Лучшими сплавами с эффектом «памяти механической формы» являются сплавы Тi-Ni, Ti-Аu, Тi-Рd и Тi-Рt, применяемые в качестве термодатчиков, превращающих тепловую энергию в механическую; самораскрывающихся под действием тепла антенн космических кораблей и самосрабатывающих соединительных муфт на трубопроводах.
Вместе с тем, отмечая высокую коррозионную стойкость титана и его сплавов, следует иметь в виду, что в большинстве агрессивных сред в контакте с коррозионно-стойкими сталями, латунями, бронзами и алюминиевыми сплавами титан становится катодом и резко увеличивает коррозию контактирующего с ним металла. Избежать этого явления можно, применяя различные виды защиты контактируемых поверхностей.
Несмотря на отдельные недостатки титана и его сплавов, области их применения непрерывно расширяются. Однако основными потребителями титановых сплавов остаются пока еще авиационная и космическая техника.
Особое внимание в технике уделяется жаропрочным титановым сплавам, определяющим долговечность деталей и узлов, работающих при повышенной температуре. В последнее время предпринимаются попытки повысить жаростойкость нанесением поверхностных покрытий золотом или платиной методом ионной металлизации титановых сплавов.
При использовании вольфрама в качестве грунтовки, а платины в качестве основного покрытия можно повысить максимальную рабочую температуру титановых сплавов до 700°С.