Al-Li сплавы и повышение летно-технических характеристик самолета

РЕФЕРАТ 

На  курсовую работу «Al-Li сплавы и повышение летно-технических характеристик самолета» по дисциплине «Материаловедение и ТКМ» студентки группы АСВд-22 Смирновой Екатерины Игоревны. Объём курсовой работы составляет 23 страницы, 3 таблицы, 2 рисунка и графической части – 2 листа        ф. А4. 

ОСНОВНЫЕ  ПОНЯТИЯ: АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ , АЛЮМИНИЕВО-ЛИТЕВЫЕ СПЛАВЫ,  ЛИТЬЕ , КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ, ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ  АППАРАТ 
 

      Развитие  авиакосмической техники, приборостроения, автомобильной промышленности и  других отраслей машиностроения требует  использования в конструкциях качественно  новых легких и высокопрочных  материалов, отличающихся высокими эксплуатационными  свойствами. К таким материалам относятся  литейные алюминиевые сплавы. Производство отливок из алюминиевых сплавов  во всем мире характеризуется постоянным и прогрессирующим ростом. Повышение  свойств литейных сплавов является важной задачей. Поэтому закономерно  стремление исследователей создавать  все более прочные и легкие сплавы с хорошими технологическими свойствами. С этой точки зрения представляют интерес алюминиевые  сплавы, легированные литием, самым  легким из металлов.  
 
 

      Содержание

                       Cтр

Введение………………………………………………………………………………...3               

1. Физико-механические свойства алюминия……………………………………….5  

1.2 Применение алюминиевых сплавов в конструкциях летательных аппаратов ...6   

1.3 Применение алюминиевых сплавов в двигателях..................................................8

1.4. Общая характеристика Аl-Li сплавов…………………………………………….9

1.5. Особенности технологии получения  отливок из Аl-Li сплавов с высоким      содержанием лития……………………………………………………………………11

1.6. Конструктивно-технологическое совершенствование летательного аппарата при внедрении  перспективных алюминиевых сплавов……………………………15

Заключение…………………………………………………………………………….20       

Список  литературы……………………………………………………………………22 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ

      Развитие  авиакосмической техники, приборостроения, автомобильной промышленности и  других отраслей машиностроения требует  использования в конструкциях качественно  новых легких и высокопрочных  материалов, отличающихся высокими эксплуатационными  свойствами. К таким материалам относятся  литейные алюминиевые сплавы.

      Отливки из алюминиевых сплавов широко используются в конструкциях различных типов: литых, клепаных, сварных, комбинированных  и т.д. Производство отливок из алюминиевых  сплавов во всем мире характеризуется  постоянным и прогрессирующим ростом. Это обусловлено тем, что литье  готовых деталей обладает принципиальными  преимуществами не только из-за более  низкой трудоемкости и стоимости  процесса, но и благодаря возможности  изготовления деталей, которые нельзя получить другими способами.

      Повышение свойств литейных сплавов является важной задачей. Поэтому закономерно  стремление исследователей создавать  все более прочные и легкие сплавы с хорошими технологическими свойствами. С этой точки зрения представляют интерес алюминиевые  сплавы, легированные литием, самым  легким из металлов.

      Перспективными  для создания высокопрочных коррозионностойких литейных сплавов с пониженной плотностью должны быть сплавы системы Al-Li-Cu и Al-Li-Cu-Mg. Об этом свидетельствуют имеющиеся достижения в области разработки и использования в промышленности деформируемых алюминиевых сплавов на основе этих систем.

      Однако  в научной литературе практически  отсутствуют сведения по литейным алюминиево-литиевым сплавам. Поэтому разработка основ  легирования и создания литейных сплавов на основе систем Al-Li-Cu и Al-Li-Cu-Mg – актуальная задача.

      Повышение весовой эффективности авиационной  техники и улучшения ее летно-технических  характеристик требует поиска новых  материалов. Разработка группы алюминиевых  коррозионно-стойких свариваемых  сплавов пониженной плотности  на базе системы Al-Li-Mg сделала возможным решение проблемы создания герметичных сварных отсеков планера самолёта, где основным полуфабрикатом являются штамповки сплава 1420.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.1. Физико-механические  свойства алюминия

      Алюми́ний — элемент главной подгруппы третьей группы третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, атомный номер 13. Обозначается символом Al (лат. Aluminium). Относится к группе лёгких металлов. Наиболее распространённый металл и третий по распространённости (после кислорода и кремния) химический элемент в земной коре.

      Простое вещество алюминий (CAS-номер: 7429-90-5) — лёгкий, парамагнитный металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой тепло- и электропроводностью, стойкостью к коррозии за счёт быстрого образования прочных оксидных плёнок, защищающих поверхность от дальнейшего взаимодействия. Температура плавления у технического алюминия — 658 °C, у алюминия высокой чистоты — 660 °C, удельная теплота плавления — 390 кДж/кг, температура кипения — 2500 °C, удельная теплота испарения — 10,53 МДж/кг, временное сопротивление литого алюминия — 10-12 кг/мм², деформируемого — 18-25 кг/мм², сплавов — 38-42 кг/мм².

      Твёрдость по Бринеллю — 24-32 кгс/мм², высокая пластичность: у технического — 35 %, у чистого — 50 %, прокатывается в тонкий лист и даже фольгу.

      Алюминий  обладает высокой электропроводностью (0,0265 мкОм*м) и теплопроводностью (1,24*10-3 Вт/(м*К)), 65 % от электропроводности меди, обладает высокой светоотражательной способностью. Слабый парамагнетик. Температурный коэффициент линейного расширения 24,58*10-6 К-1 (20-200 °C).

      Алюминий  образует сплавы почти со всеми металлами. При нормальных условиях алюминий покрыт тонкой и прочной оксидной плёнкой  и потому не реагирует с классическими  окислителями: с Н2О, O2, HNO3 (без нагревания). Благодаря этому алюминий практически  не подвержен коррозии и потому широко востребован современной индустрией. Однако при разрушении оксидной плёнки (например, при контакте с растворами солей аммония NH4, горячими щелочами или в результате амальгамирования), алюминий выступает как активный металл-восстановитель.

      Широко  применяется как конструкционный  материал. Основные достоинства алюминия в этом качестве — лёгкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость, высокая теплопроводность, не ядовитость его соединений. В частности, эти свойства сделали алюминий чрезвычайно популярным при производстве кухонной посуды, алюминиевой фольги в пищевой промышленности и для упаковки.

      Основной  недостаток алюминия как конструкционного материала — малая прочность, поэтому его обычно сплавляют с небольшим количеством меди и магния (сплав называется дюралюминий).

      Электропроводность  алюминия всего в 1,7 раза меньше, чем  у меди, при этом алюминий приблизительно в 2 раза дешевле.  

1.2. Применение алюминиевых  сплавов в конструкциях  летательных аппаратов 

      В конструкциях летательных аппаратах  применяются сплавы из полуфабрикатов В96 т.к. имеют максимальную прочность. Сплавы В95, В93 прочные и пластичные сплавы. Применяются сплавы АМг6 и  Д16, Д20. Для конструкций подвергающихся значительному аэродинамическому  нагреву применяют полуфабрикаты  из сплава АК4-1, АК6. Листы из сплавов  Д16, 1163, В95. Применение полуфабрикатов из алюминиевых сплавов для конструкций  летательных аппаратов, не подвергающихся аэродинамическим нагревам, указаны  в таблице 1.1.

      Наиболее  широко в конструкциях летательных  аппаратов применяют упрочняемые  термической обработкой сплавы Д16ч, 1163, высокопрочные сплавы В95пч, В95оч и В93пч, сплавы средней и повышенной прочности АВ, АК6 и АК8. Для строительства гидросамолетов используют также сплавы                    Применение полуфабрикатов из алюминиевых сплавов для конструкций            летательных аппаратов                                                                                                           Таблица 1.1

неупрочняемые термической обработкой коррозионно-стойкие  сплавы АМг5 и АМг6. Сплавы АК6 и АК8 - преимущественно ковочные сплавы. Сплав Д16 в качестве ковочного  не используют, но выпускают в широком  ассортименте в виде прессованных и  катаных изделий. Сплав Д1 применяют  в основном для лопастей воздушных  винтов, а сплав АВ и АД33 - для  лонжеронов лопастей вертолетов. Сплав  АД31 и АМг1 используют для декоративных деталей самолетов - оправ зеркал, ручек, и др. САП-1 и 1420 - теплопрочные и коррозионно-стойкие материалы, их используют в зоне расположения двигателей, а также в качестве противопожарных перегородок. Д16 и 1163 изготавливают детали растянутой зоны крыльев и обшивку фюзеляжей, для обшивки гермокабин. Обшивку самолетов производят из сплавов Д16, Д19 искусственно состаренных для увеличения коррозионной стойкости. Из сплава В93 изготавливают в основном штамповки до 200 кг и поковки массой до 5 т. При применении сплава ВД3 при низких температурах его подвергают искусственному старению при повышенных температурах. Широкое применение находит сплав 1420. По прочности сплав 1420 находится на уровне сплава Д16, но уступает по пластичности, и превосходит по упругости. По статической выносливости сплав 1420 близок к сплаву АК4-1. Применение в конструкциях полуфабрикатов из сплава 1420 взамен сплава Д16 обеспечивает снижение массы изделий на 10-12%.  

1.3. Применение алюминиевых  сплавов в двигателях

      Для изготовления деталей поршневых  двигателей применяют деформируемые  алюминиевые сплавы АК9, АК2, АК4, АК4-1 и литейные сплавы АЛ31, АЛ5, АЛ25, АЛ30. Для изготовления деталей реактивных двигателей применяют деформируемые  сплавы АК4, АК4-1, Вд17 и литейные сплавы АЛ4, Ал5, Ал9, Ал19, Ал33. В поршневых  двигателях основные детали (картеры, головки цилиндров, поршни, детали топливной  аппаратуры). В реактивных двигателях алюминиевые сплавы так-же находят  широкое применение.  Основными свойствами материалов для двигателей должны быть следующие:

     - низкая плотность; 

  - высокая  теплопроводимость, низкий температурный  коэффициент линейного расширения;

  - высокая  жаростойкость (сопротивление газовой  коррозии при повышенных температурах;

     - высокая жаропрочность; 

     - высокая вибрационная прочность. 

   Указанным требованиям вполне удовлетворяет  ряд алюминиевых сплавов. Поршни из деформируемых сплавов изготовляют  путем горячей деформации-ковки  и штамповки. 

1.4. Общая характеристика  Аl-Li сплавов

      Основными легирующими компонентами отечественных  и зарубежных деформируемых Al-Li сплавов  являются Cu и Mg. Поэтому промышленные Al-Li сплавы по химическому составу  делят на три группы: сплавы систем Al-Li-Mg,  Al-Li-Cu и Al-Li-Cu-Mg. Для улучшения  свойств используют дополнительные легирующие элементы, которые вводят в эти сплавы в значительно  меньших количествах, чем медь и  магний. Наиболее важными элементами являются переходные металлы – Zr, Sc, Mn, Ti и Cr.

      Однако  исследование и разработка литейных алюминиевых сплавов, легированных литием, сталкивается с рядом существенных проблем. Главная из них заключается  в том, что в научной литературе практически отсутствуют сведения по литейным алюминиево-литевым сплавам. Имеются лишь данные о проведении работ по литейным сплавам на основе системы Al-Li-Mg. Практически все исследования в области создания алюминиево-литиевых сплавов нового поколения и их термической обработки относятся  к деформируемым сплавам. Эти  сплавы имеют свои специфические  особенности, связанные с технологией  получения из них полуфабрикатов и изделий. Поэтому принципы их легирования  без существенной корректировки  не могут быть перенесены на литейные сплавы систем Al-Li-Cu и Al-Li-Cu-Mg.

      Сейчас  задача заключается в  разработке высокопрочного коррозионно-стойкого литейного алюминиевого сплава с  пониженной по сравнению со стандартными алюминиевыми сплавами плотностью.

      После изучения структуры и свойств  литейных сплавов систем Al-Li-Cu и Al-Li-Cu-Mg было установлено, что для получения  оптимального комплекса свойств  – повышенной прочности при умеренной  пластичности, высоких литейных свойств  и низкой плотности, содержание лития  не должно превышать 3,5÷3,6%, меди – 1,5÷1,6%, а содержание магния должно находиться в пределах 0,5÷1,0%.

      Было  изучено влияние переходных металлов (Ti, Zr, Mn, Cr) на структуру и свойства сплавов систем Al-Li-Cu и Al-Li-Cu-Mg и установлены  следующие закономерности:

1. Модифицирующее действие переходных  металлов связано с выделением  непосредственно из расплава  дисперсных алюминидов этих металлов; наиболее сильное модифицирующее  действие оказывают титан и  цирконий;

2. упрочняющее действие титана, циркония  и марганца связано с выделением  из твердого раствора дисперсных  алюминидов, которое может быть  усилено путем применения специальной  термической обработки – длительного  отжига при 540ºС перед закалкой;

3. марганец в количестве 0,3÷0,6% способствует  дополнительному твердорастворному  упрочнению.

      На  основании изучения механических свойств  сплавов систем Al-Li-Cu и Al-Li-Cu-Mg в интервале  температур твердо-жидкого состояния  установлена взаимосвязь между  химическим составом и их литейными  свойствами и получены математические модели, позволяющие оценивать влияние  легирующих элементов и их концентраций на жидкотекучесть и горячеломкость, и   показано следующее:

1. увеличение содержания лития  (>3,5%) и меди (>2%) приводит к повышению  горячеломкости вследствие расширения  интервала хрупкости в твердо-жидком  состоянии и снижения пластичности  в этом интервале;

2. титан и цирконий, наоборот, приводят  к снижению горячеломкости из-за  увеличения пластичности в твердо-жидком  состоянии;

3. увеличение  содержания лития в исследованном  интервале концентраций приводит  к повышению жидкотекучести. 

1.5. Особенности технологии  получения отливок  из Аl-Li сплавов с высоким содержанием лития

      Плавка  и литье алюминиевых сплавов, легированных литием, сопряжена с  рядом трудностей. Эти сплавы активно  окисляются, особенно при повышенных температурах и в расплавленном  состоянии. Кроме того, алюминиево-литиевые сплавы в значительных количествах  растворяют водород. Важнейшим показателем  качества алюминиево-литиевых сплавов  является также содержание примеси  натрия 7 и, как для всех сплавов, содержание неметаллических включений. Пластичность Al-Li сплавов в литом  состоянии напрямую зависит от содержания натрия в расплаве. Поэтому применение для плавки литейных алюминиево-литиевых сплавов стандартных покровно-защитных флюсов, которые состоят преимущественно  из смеси хлористых и фтористых  солей магния, калия и натрия не представляется возможным, так как  они активно насыщают расплав  натрием и калием.  Химический состав и механические свойства исследованных  сплавов приведены в таблице 1.2. Литий, медь и магний значительно увеличивают прочность при незначительном снижении пластичности, а марганец увеличивает пластичность. Введение циркония обеспечивает повышение обоих параметров оптимизации за счёт выделения дисперсных интерметаллидов и модифицирующего действия.

На  основании проведенных исследований установлено, что оптимальное сочетание  прочностных свойств и пластичности имеет сплав следующего химического  состава: Al-3%,  Li-1,5%,  Cu-0,8%,  Mg-0,4%,  Mn-0,2%,  Zr-0,2%,

Cd-0,1%,  Nb-0,05%.

Химический  состав сплавов и результаты механических испытаний

                                                                                                                         Таблица 1.2

      Оценку  литейных свойств проводили как  по показателям стандартных технологических  проб, так и по результатам механических испытаний в твердо-жидком состоянии. Механическим испытаниям в твердо-жидком состоянии подвергались сплавы, составы  которых приведены в таблице 1.3. В этой же таблице приведены литейные свойства, определенные по показателям  стандартных технологических проб.

      Анализ  полученных данных показывает (табл. 1.3), что наиболее резко повышается склонность к образованию горячих трещин при увеличении содержания лития  до верхнего предела (5%). Сплавы 202 и 208, содержащие 5% Li, имеют наиболее широкий  интервал хрупкости и наиболее низкие значения относительного удлинения  в этом интервале (0,32 и 0,24% соответственно). Увеличение содержания кадмия практически  не влияет на эти характеристики, а  медь действует подобно литию, но её влияние в исследованных концентрациях  значительно слабее.

      Сплав оптимального состава по стойкости  против образования горячих (кристаллизационных) трещин и по жидкотекучести превосходит  все исследованные сплавы. При  величине интервала хрупкости 30°С он характеризуется самым высоким  относительным удлинением в этом интервале (δmin=0,55%) и самым высоким  запасом деформационной способности. Это несомненно связано с комплексным  легированием переходными металлами  – цирконием, ниобием и марганцем  и оптимальным содержанием основных компонентов. Переходные металлы оказывают  модифицирующее действие на структуру  литейных сплавов. Все это улучшает литейные свойства сплава оптимального состава. 
 

Химический  состав, параметры кристаллизации и  литейные свойства сплавов системы  Al-Li-Cu-Mg

                                                                                                   Таблица 1.3

      Наибольший  эффект упрочнения наблюдается при  легировании сплавов системы Al-Li-Cu титаном и цирконием. При введении этих элементов порознь в количестве 0,2% предел прочности увеличивается  в среднем на 25-35 МПа при сохранении пластичности на приемлемом уровне. Однако при большем содержании этих элементов (0,35-0,45%) пластичность снижается достаточно резко. Хорошим упрочнителем литейных сплавов системы Al-Li-Cu является также марганец. Однако эффект упрочнения при легировании марганцем несколько меньший, чем у сплавов с цирконием и титаном. Значительно слабее титана, циркония и марганца проявляется упрочняющее действие хрома. Наибольший эффект упрочнения достигается при комплексном легировании сплавов системы Al-Li-Cu несколькими переходными металлами, например, титаном и цирконием или титаном, цирконием и марганцем.

Существует  три наиболее важных фактора структурного упрочнения сплавов под действием  переходных металлов.

      Во-первых, это модифицирование. Наиболее сильное  модифицирующее действие на структуру  сплавов системы Al-Li-Cu сказывают  титан и цирконий. В отливках, легированных этими переходными  металлами, структура сильно диспергирована: резко уменьшаются размеры дендритных ячеек и толщина интерметаллидных фаз на их границах, уменьшается  также макрозерно отливок. Модифицирующее действие марганца и хрома значительно  слабее.

      Второй  фактор – это твердорастворное упрочнение, которое наиболее сильно проявляется  при легировании сплавов системы Al-Li-Cu марганцем. Этот элемент имеет  наиболее высокую предельную растворимость  в твердом алюминии и его растворное упрочнение проявляется наиболее резко. Несколько слабее растворное упрочнение проявляется при легировании  хромом, предельная растворимость которого в алюминии в два раза меньше, чем марганца.

      Третий  фактор упрочнения – это дисперсионное  твердение за счет распада пересыщенного  алюминиевого твердого раствора при  технологических нагревах отливок. Эффект упрочнения зависит от размера  частиц алюминидов  (от их дисперсности), объемной доли выделяющейся фазы и  от расстояния между частицами в  твердом растворе. Чем дисперснее частицы, тем выше эффект упрочнения. Приоритет в этом отношении имеет  цирконий. Он образует дисперсные частицы  алюминида Al3Zr с кубической решеткой L12 и периодом близким к алюминию. Частицы этой фазы имеют размеры порядка 10-70 нм, они когерентны с матрицей и обеспечивают при дисперсном твердении максимальный эффект упрочнения. Алюминиды марганца и хрома (Al6Mn и Al7Cr) 16 имеют размеры на порядок больший (~ 100-1000 нм) и соответственно дают меньший эффект упрочнения, чем алюминиды циркония.

      Увеличение  содержания лития, меди и циркония сопровождается повышением предела прочности. Положительное  влияние титана проявляется значительно  слабее и выражается только через  парное взаимодействие с литием и  медью.

      Положительное влияние Li, Cu и Zr на прочностные свойства литейных сплавов находятся в  хорошем соответствии с ролью  этих элементов в деформируемых  сплавах системы Al-Li-Cu, а литий  кроме других замечательных качеств  обеспечивает максимальный эффект повышения  прочности. Именно литий наиболее существенно  повышает прочностные свойства сплавов. Однако увеличение его концентрации приводит к снижению пластичности.

      Дальнейшее  улучшение механических свойств  обеспечивается легированием титаном  и цирконием. Введение титана и циркония приводит к существенному измельчению  макро- и микрозерен. Наибольший эффект модифицирования обеспечивается при  совместном введении в сплав добавок  титана и циркония. 
 

1.6. Конструктивно-технологическое  совершенствование

летательного  аппарата при внедрении  перспективных алюминиевых  сплавов

      Алюминиево-литиевые сплавы являются единственными из алюминиевых сплавов, способными выдержать конкуренцию с полимерными композиционными материалами (ПКМ). В целом, объем применения алюминиевых сплавов неуклонно падает, в то же время как использование алюминиево-литиевых сплавов в силовых конструкциях ЛА растет. На первом этапе создания алюминиево-литиевых сплавов ставится задача замены ими всех традиционных алюминиевых сплавов; на втором этапе – создание посредством легирования их различными элементами новых алюминиево-литиевых сплавов, обладающих комплексом характеристик, которые невозможно пока получить для алюминиевых сплавов. По прогнозам специалистов консорциума Airbus Industrie, объем применения алюминиево-литиевых сплавов в конструкциях коммерческих самолетов следующего поколения достигнет 30-40%. Алюминиево-литиевые сплавы сопоставимы по своим механическим характеристикам с ПКМ, в то же время они не требуют внедрения в производство новых технологий, позволяя использовать традиционную авиационную технологию. Применение гнутых профилей, изготовленных из алюминиево-литиевых материалов, ощутимо увеличит функциональную эффективность силовых конструкции ЛА, так как позволит снизить массу конструкции на 10-12% за счет меньшей массовой плотности сплавов и одновременно увеличить ресурс до 50-60 тыс.ч. Хотя алюминиевые сплавы, легированные литием, являются труднодеформируемыми, применение термомеханической обработки позволит не только изготовить кондиционные гнутые профили с прочностными характеристиками, выдержанными на уровне традиционных высокопрочных алюминиевых сплавов, но и получить детали с заданным комплексом механических свойств.