CC BY
22Решетневскуе чтения. 2017
УДК 669.14.018.28
УСИЛЕНИЕ ЭФФЕКТА НАНОМОДИФИЦИРОВАНИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
УЛЬТРАЗВУКОМ
Г. Г. Крушенко1' 2*, С. Н. Решетникова2, В. В. Голованова3
1 Красноярский научный центр СО РАН Институт вычислительного моделирования СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/44 2Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 3ФГУП «КБ «Арсенал» имени М. В. Фрунзе» Российская Федерация, 195009, Санкт-Петербург, ул. Комсомола, д. 1-3 E-mail: [email protected]
С целью повышения механических свойств литейных алюминиевых сплавов, широко применяющихся в аэрокосмической отрасли для изготовления литых деталей, была разработана и успешно опробована технология модифицирования расплава нанонопорошками химических соединений при одновременном воздействии ультразвуковых колебаний.
Ключевые слова: алюминиевые сплавы, механические свойства, модифицирование, нанопорошки, ультразвук.
STRENGTHENING EFFECT OF NANO-MODIFICATION OF ALUMINUM ALLOYS
BY ULTRASOUND
G. G. Krushenko1, 2*, S. N. Reshetnikova2, V. V. Golovanova3
Krasnoyarsk Science Centre SB RAS Institute of Computational Modelling SB RAS 50/44, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation
2Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation
3Design Bureau "Arsenal" named after M. V. Frunze 1-3, Komsomol Str., Saint-Petersburg, Russian Federation E-mail: [email protected]
The article describes a technology to modify the melt by nanoporosity of chemical compounds with simultaneous influence of ultrasonic vibrations. The technology is necessary to improve the mechanical properties of cast aluminum alloys widely used in the aerospace industry to manufacture castings.
Keywords: aluminum alloys, mechanical properties, modification, nanopowders, ultrasound.
В связи с высоким соотношением показателей прочность-масса, алюминиевые сплавы широко применяются в аэрокосмической отрасли [1-3]. При этом однозначно установлено, что металлоизделия с мелкокристаллической структурой обладают более высокими механическими свойствами по сравнению с крупнокристаллической. Такая особенность металлов хорошо описывается соотношением Холл-Петча (Hall-Petch dependence) [4; 5]:
k
Hv (стг) = H0Ю +-j=,
где Hv - твердость материала; aT - предел текучести; H0 - твердость тела зерна; ст0 - внутреннее напряжение, препятствующее распространению пластического сдвига в теле зерна; k - коэффициент пропорциональности; D - размер зерна.
Известно, что с целью измельчения структуры сплавов, и, как результат, повышение механических свойств получаемых из них литых изделий, применяется так называемое «модифицирование» [6], суть которого заключается во введении в жидкий металл веществ, служащих центрами кристаллизации. В последние годы большое внимание уделяется новому классу модификаторов - нанопорошкам (НП) химических соединений [7; 8], которые представляют собой сверхмелкозернистые кристаллические или аморфные образования с размерами, не превышающими 100 нм (1 нм = 1-10-9 м) [9]. Нами были успешно опробовано модифицирование НП при литье фасонных отливок из различных сплавов. Во всех случаях НП приводило к измельчению структуры, и, как результат, к повышению механических свойств отливок. При этом НП вводили в расплав в объеме прессованных прутков [10]. Однако при работе с прутками сложность заклю-
Наноматериалы и нанотехнологии в аэрокосмической отрасли
чается в необходимости прессования прутка. В связи с этим был разработан новый способ модифицирования сплавов НП с использованием ультразвуковых колебаний (УЗК) при заливке сплава АК12 в кокиль. В качестве модификаторов применяли НП AI2O3, Si3N4 и ZrB2. Упругие колебания вводилась при заливке металла в форму в специально сконструированную в литниковой системе реакционную камеру. Кокиль устанавливался на рабочем столе установки так, чтобы излучатель колебаний входил в отверстие (0 24 мм) реакционной камеры, расположенное в ее дне. УЗК передавали в расплав от магнитострикцион-ного преобразователя промышленного типа ПМС-15 А-^, через ступенчатый концентратор.
Сплав готовили в индукционной печи ЛПЗ-67. НП вводили в расплав в реакционной камере в тонкостенной алюминиевой гильзе которая крепилась в отверстии в реакционной камере кокиля перпендикулярно направлению потоку заливаемого металла. В процессе заливки стенки гильзы растворялись, и НП попадал в расплав. Из отлитых проб вытачивали стандартные образцы для испытания механических свойств.
Полученные результаты показали, что при всех изученных видах обработки расплава механические свойства превышают требуемые по ГОСТ 15S3-S9. При этом в случае введения НП В4С в объеме прутка ств несколько превышает ств, полученное при модифицировании сплава общепринятым тройным модификатором, однако S и НВ оказались более низкими, тогда как при совмещении введения НП прямым путем с обработкой УЗК механические свойства оказались более высокими, особенно S. Наиболее высокие свойства показала комбинация НП Al2O3(0,04%) + УЗК: ств = 210 МПа, S = 12,S5 %, НВ = 66S, что существенно превышает требуемые по ГОСТ 15S3-S9: ств S 160 МПа, S S 2,00, НВ S 500.
Библиографические ссылки
1. Фридляндер И. Н. Алюминиевые сплавы в летательных аппаратах в периоды 1970-2000 и 20012015 гг. // Технология легких сплавов, 2002. № 4. С. 12-17.
2. Dursun T., Soutis C. Recent developments in advanced aircraft aluminium alloys // Materials & Design (19S0-2015), April 2014. Vol. 56, P. S62-S71.
3. Warren A. S. Developments and challanges for aluminium - A Boeing perspective. Materials Forum // Institute of Materials Engineering Australasia Ltd, 2004. Vol. 2S. P. 24-31.
4. Hall E. O. The deformation and Ageing of Mild Steel: III. Discussion of Results // Proceeding of the Physical Society. Section B. 1951. Vol. 64. № 9. P. 717753.
5. Petch N. J. The Cleavage Strength of Polycrystals // Journal of Iron and Steel Institute. 1953. Vol. 174. P. 25-2S.
6. Бондарев Б. И., Напалков В. И., Тарарыш-кин В. И. Модифицирование алюминиевых деформируемых сплавов. М. : Металлургия, 1979. 224 с.
7. Horikoshi S., Serpone N. Introduction to Nanopar-ticles // Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. 2013. 24 p.
8. Нанопопрошковые технологии в машиностроении / В. В. Москвичев [и др.] ; Сиб. федер. ун-т. Красноярск, 2013. 186 с.
9. Морохов И. Д., Трусов Л. И., Чижик С. П. Ультрадисперсные металлические среды. М. : Атомиздат, 1977. 264 с.
10. А. с. СССР № 831840 А1 МПК С22С 1/06 Способ модифицирования литейных алюминиевых сплавов эвтектического типа. Заявка № 2831160 от 17.10.1979 / Г. Г. Крушенко [и др.]. Бюл., 1981. № 19.
References
1. Fridlyander I. N. [Aluminum alloys in aircraft in periods of 1970-2000 and 2001-2015]. Tekhnologiya legkikh splavov. 2002. no. 4. Р. 12-17 (In Russ.).
2. Dursun T., Soutis C. Recent developments in advanced aircraft aluminium alloys // Materials & Design (1980-2015), April 2014. Vol. 56, P. 862-871.
3. Warren A. S. Developments and challanges for aluminium - A Boeing perspective. Materials Forum // Institute of Materials Engineering Australasia Ltd, 2004. Vol. 28. P. 24-31.
4. Hall E. O. The deformation and Ageing of Mild Steel: III. Discussion of Results // Proceeding of the Physical Society. Section B. 1951. Vol. 64. № 9. P. 717753.
5. Petch N. J. The Cleavage Strength of Polycrystals // Journal of Iron and Steel Institute. 1953. Vol. 174. P. 25-28.
6. Bondarev B. I., Napalkov V. I., Tararyshkin V. I. Modifitsirovanie alyuminievykh deformiruemykh splavov [Modification of wrought aluminium alloys]. Moscow, Metallurgiya, 1979, 224 p.
7. Horikoshi S., Serpone N. Introduction to Nanopar-ticles // Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. 2013. 24 p.
8. Nanopoproshkovye tekhnologii v mashinostroenii. [Nanoporoshkov engineering technologies] / Moskvi-chev V. V. [et al.] ; Sib. feder. un-t. Krasnoyarsk, 2013. 186 p.
9. Morokhov I. D., Trusov L. I., Chizhik S. P.
Ul'tradispersnye metallicheskie sredy.[ Ultrafine metal environment]. Moscow: Atomizdat, 1977, 264 p.
10. Sposob modifitsirovaniya liteynykh alyuminievykh splavov evtekticheskogo tipa / Krushenko G. G., Musok-hranov Yu. M., Yamskikh I. S. et al. [Method of modification of cast aluminum alloys of eutectic type]. Patent SU. no. 831840, 1981.
© Крушенко Г. Г., Решетникова С. Н., Голованова В. В., 2017
