Методы снижения остаточных напряжений при закалке высокопрочных алюминиевых сплавов

Введение

Алюминиевые сплавы широко применяются в авиакосмической промышленности. На их долю приходится 70 % массы планера современных самолетов. Постоянное повышение летных характеристик, надежности, долговечности и увеличение габаритов летательных аппаратов выдвигают новые требования к алюминиевым полуфабрикатам и деталям, связанные с обеспечением необходимого комплекса свойств [1].

В последнее время в аэрокосмической промышленности значительно возросло применение тонкостенных монолитных деталей из высокопрочных алюминиевых сплавов с высокой удельной прочностью, так как снижение общей массы деталей, уменьшение расхода топлива и компактные размеры имеют большое практическое значение [2–6].

Сложноконтурные детали имеют повышенные закалочные напряжения и коробление при механической обработке из-за больших перепадов толщин. Основными проблемами при закалке тонкостенных деталей из высокопрочных алюминиевых сплавов являются деформация и нестабильность размеров, которые приводят к увеличению брака и дополнительным затратам на производство [7]. Деформация и нестабильность размеров деталей из алюминиевых сплавов являются следствием наличия остаточных напряжений, которые возникают при закалке из-за резкого термического градиента на поверхности и в центре заготовки, что в свою очередь приводит к короблению обрабатываемых деталей. Уменьшение температурного градиента от центра заготовки к поверхности является основным направлением по снижению остаточных напряжений при закалке.

Основной охлаждающей средой при закалке алюминиевых сплавов является вода – преимущественно холодная (до 40 °С), в ряде случаев горячая (70–80 °С) и кипящая (95–100 °С), например, для закалки объемных штамповок из сплавов типа В93, АК6 и АК4-1 [7].

Однако вода как закалочная среда имеет существенные недостатки: неравномерность (трехстадийность) охлаждения вследствие изменения агрегатного состояния, резкость охлаждения и как следствие сильное коробление из-за высоких остаточных напряжений при охлаждении в холодной воде, либо низкую скорость охлаждения и соответственно ухудшение свойств большинства сплавов при закалке в горячей и кипящей воде.

При анализе современного состояния исследований в области снижения остаточных напряжений в алюминиевых сплавах можно выделить следующие подходы: механические методы [8–11], методы термической обработки [12, 13] и закалку в водно-полимерных средах [14–24].

Работа выполнена при поддержке ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ в рамках реализации комплексного научного направления 8.1. «Высокопрочные свариваемые алюминиевые и алюминий-литиевые сплавы пониженной плотности с повышенной вязкостью разрушения» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года»).

Закалка в водно-полимерной и криогенной средах

О перспективах использования в качестве закалочных сред водных растворов полимеров, обладающих свойством «обратной растворимости», заявлено еще в семидесятых годах прошлого столетия [19, 20]. Установлено, что изменение режима охлаждения в таких растворах, по сравнению с охлаждением в воде, связано с образованием на горячей поверхности металла тонкой пленки осаждающегося из раствора полимера, которая снова растворяется в воде при охлаждении поверхности металла. По мере остывания детали, эта пленка растворяется в растворе снова. Изменяя процентное содержание этих веществ в растворе можно регулировать скорость охлаждения применительно к типу закаливаемого сплава и сечению детали, а также значительно уменьшить коробление и остаточные напряжения.

Преимущества закалочных сред на основе водных растворов полимеров очевидны: в отличие от масел ‒ они не горят, не выделяют дыма, легко смываются с поверхности закаливаемых материалов; в отличие от воды – существенно уменьшается коробление и остаточные напряжения в алюминиевых сплавах, а также возможно регулировать скорость охлаждения, изменяя концентрацию полимеров в растворе [21].

За рубежом для снижения коробления при термической обработке полуфабрикатов и деталей из алюминиевых сплавов используют водно-полимерные среды с высококонцентрированной (до 40 %) добавкой полиалкиленгликоля (ПАГ).

В 1980-х годах большим коллективом сотрудников ВИАМ, НИОХ СО РАН и НИАТ была разработана малоконцентрированная закалочная среда (до 1,5 %) для конструкционных алюминиевых сплавов. Закалочная среда являлась водным раствором двух отечественных компонентов, обладающих свойством обратной растворимости: полиэтиленоксида (ПЭО) высокой молекулярной массы и неионогенных поверхностно-активных веществ (ПАВ) – оксиэтилированных алифатических спиртов и алкилфенолов. Подробное изучение механизма охлаждения в полимерной среде (ПЭО и ПАВ) показало, что этот механизм близок к механизму охлаждения в высококонцентрированной импортной среде на основе водных растворов ПАГ [22].

Изменяя концентрацию компонентов среды, можно в широком диапазоне варьировать скорость охлаждения деталей. Допустимое снижение скорости охлаждения и, соответственно, максимальная концентрация компонентов регламентируются необходимостью обеспечения комплекса заданных свойств закаливаемых деталей или полуфабрикатов (механических, коррозионных, характеристик усталости и трещиностойкости) и определяются прежде всего критической скоростью охлаждения сплава. Критическая скорость – это скорость охлаждения в интервале температур от 400 до 260 °С (для большинства алюминиевых сплавов), т. е. наименьшая скорость, позволяющая предотвратить распад пресыщенного алюминиевого твердого раствора в процессе охлаждения [22].

Результаты исследований показали, что малоконцентрированная среда с полимерными добавками ПЭО (S-A) и ПАВ (синтанол ДС-10) обеспечивает более равномерное охлаждение образцов по сравнению с охлаждением в воде, при этом снижается скорость охлаждения, что приводит к уменьшению степени коробления (рис. 1) [22].

Рис. 1. Внешний вид пластин из сплава Д16ч. после закалки в разных средах:

1 – в воде; 2 – в растворе № 1 ПЭО (S-A) + ПАВ; 

3 – в растворе № 2 ПЭО (S-A) + ПАВ – рабочий раствор;

4 – в растворе ПАГ (Aqua-Quench 260) [22]

Принципиальное отличие этой закалочной среды от импортных сред на основе ПАГ заключается в том, что она имеет низкую концентрацию полимеров в растворе (в сумме не более 2 %) по сравнению с концентрацией ПАГ (12–40 %) [22]. Благодаря малому содержанию полимеров облегчается смыв их остатков с поверхности закаленных деталей, повышается экологическая безопасность среды при ее утилизации, а также воды для промывания.

Еще одним из перспективных методов для уменьшения остаточных напряжений является закалка в криогенной среде (жидком азоте), которая в основном применяется для деталей, имеющих сложную геометрическую форму. По сравнению с водой жидкий азот имеет в ~11 раз меньшую теплоту парообразования (удельная теплота испарения воды составляет 539 кал/г, а жидкого азота 47,5 кал/г), поэтому на закаливаемых деталях мгновенно образуется тонкая устойчивая пленка газообразного азота. Режим пленочного кипения сохраняться в течение всего периода охлаждения детали, что обеспечивает ее минимальное коробление. Однако быстрое повышение температуры при воздействии пара ограничило широкое применение данного метода.

В работе [23] исследована взаимосвязь между остаточными напряжениями, вызванными закалкой в холодной воде,  полимерной и криогенной средах, и деформацией тонкостенных деталей при механической обработке.

Цилиндрические тонкостенные детали из сплава 7075 системы Al–Zn–Mg–Cu термобрабатывали тремя вышеприведенными способами. Эффективность каждого метода оценивали путем измерения остаточных напряжений. Наличие остаточных напряжений связано с геометрической формой заготовки, толщиной и перепадами температуры в процессе закалки. Снижение остаточных напряжений при закалке является следствием уменьшения температурного градиента от центра заготовки к ее поверхности [23].

Для оценки эффективности методов закалки в полимерной и криогенной средах на снижение остаточных напряжений, по сравнению с закалкой в воде, также проведено несколько экспериментов на цилиндрических заготовках из сплава 7075-Т6 диаметром 60 мм. Заготовки разделили на три группы и подвергли испытаниям в различных экспериментальных условиях. Первую группу заготовок нагревали в течение 20 мин при температуре 470±5°C для последующей закалки. Далее детали закаливали в воде с температурой 25 °С, после чего проводили старение в печи при температуре 120 °С в течение 24 ч (режим термообработки – Т6). Установлено, что старение снижает остаточные напряжения, вызванные закалкой, на 15 % [23]. Вторую группу заготовок после нагрева под закалку охлаждали в 32%-ном полимерном растворе ПАГ, а затем детали также подвергали старению. Третью группу заготовок после нагрева под закалку погружали на 30 мин в емкость с жидким азотом температурой –196 °С. По истечении этого времени детали помещали в паровую камеру с давлением водяного пара 1,4 МПа до тех пор, пока температура деталей не достигнет ~200 °С, после чего также проводили искусственное старение.

По результатам проведенных исследований установлено, что при закалке деталей из алюминиевого сплава в холодной воде резкие температурные перепады и различные скорости охлаждения приводят к образованию очень высоких уровней остаточных напряжений: в поверхностной области – до 230 МПа, а в центральной части 100 МПа. В закаленных деталях сжимающие напряжения развиваются на поверхности, а растягивающие – в центре детали. В детали, подвергаемой закалке (охлаждению) в растворе ПАГ, уровень остаточных напряжений в центральной части составил 60 МПа, в поверхностной области 30 МПа, что значительно ниже, чем в детали, закаленной в холодной воде. Уровень остаточных напряжений в детали, закаленной в криогенной среде, составил в центральной части 70 МПа, в поверхностной области 50 МПа. Недостигнутый уровень ожидаемого снижения остаточных напряжений при данном методе связан с его сложной реализацией (рис. 2).

Рис. 2. Распределение остаточных напряжений в деталях из сплава 7075,

закаленных в холодной воде (а), криогенной среде (б) и полиалкиленгликоле (в)[23]

В работе [24] также исследовано влияние закалки в криогенной среде на тонкостенную конструкцию по отношению к снижению остаточных напряжений и коробления, в сравнении с закалкой в холодной воде и в 30%-ном растворе ПАГ.

Объектом исследования являлись прямолинейные полые детали, изготовленные из высокопрочного алюминиевого сплава 7449 системы Al–Zn–Mg–Cu (рис. 3).

Рис. 3. Геометрическая форма и размеры детали из сплава 7449 [24]

Детали термообрабатывали с использованием вышеперечисленных методов, в том числе включая закалку в криогенной среде при температуре –196 °C с последующей обработкой паром с температурой до 100 °C. После чего оценивали величину остаточных напряжений.

Результаты измерения остаточных напряжений показали, что в детали, закаленной в растворе ПАГ, практически отсутствовали остаточные напряжения.

Установлено, что по сравнению с обычной закалкой в холодной воде использование раствора ПАГ и закалка в криогенной среде позволяют значительно (в 1,5 раза) снизить остаточные напряжения. Однако в то время как закалка в растворе ПАГ приводит к равномерному снижению остаточного напряжения и коробления по всей площади детали, закалка в криогенной среде оказывает локальный эффект и ограничивается областями, находящимися в непосредственной близости от воздействия пара (рис. 4 и 5).

Рис. 4. Остаточные напряжения (σ) в стенке толщиной 5 мм детали из сплава 7449 после закалки в холодной воде (а), 30%-ном растворе полиалкиленгликоля (б) и криогенной среде (в) [24]

Рис. 5. Коробление стенки толщиной 1,5 мм детали из сплава 7449 после закалки в растворе полиалкиленгликоля (а), холодной воде (б) и криогенной среде (в) [24]

Таким образом, исследование закалки в водно-полимерной и криогенной средах показало, что применение данных методов позволяет значительно снизить уровень остаточных напряжений в деталях по сравнению с закалкой деталей в холодной воде. Однако закалка в криогенной среде требует дорогостоящего оборудования и уникальной оснастки для каждой конкретной геометрической формы детали и способна лишь локально снимать напряжения в алюминиевых сплавах, что делает ее гораздо менее эффективной по сравнению с закалкой в растворе ПАГ. В свою очередь закалка в ПАГ сопряжена с экологическими издержками, так как раствор необходимо утилизировать надлежащим образом после использования, а гель может загрязнять поверхность деталей, поэтому может потребоваться дополнительная очистка. Закалка в малоконцентрированной полимерной среде на основе ПЭО и ПАВ обеспечивает более равномерное охлаждение образцов по сравнению с закалкой в холодной воде, что приводит к снижению коробления при сохранении необходимого уровня механических свойств. Благодаря малому содержанию полимеров, облегчается смыв их остатков с поверхности закаленных деталей, повышается экологическая безопасность среды при ее утилизации, а также воды для промывания.

Закалка c использованием плакирования

Для снижения закалочных остаточных напряжений в работе [25] предложен новый метод закалки с использованием плакирования, при котором высокотемпературный неорганический клей и алюминиевая фольга наносятся на поверхности пластин из сплава 7150 системы Al–Zn–Mg–Cu.

В качестве объекта исследования взяты образцы длиной 80 мм и шириной 40 мм из сплава 7150. Суть эксперимента состояла в том, что перед закалкой на образцы наносили плакирующий слой, состоящий из высокотемпературного неорганического клея, толщиной 0,2; 0,4 и 0,6 мм и алюминиевую фольгу.

Шесть поверхностей образца покрывали однородно распределенным неорганическим клеем, а затем поверхностный слой закрывали алюминиевой фольгой (рис. 6).

Рис. 6. Схема экспериментального образца [25]

Высокотемпературный неорганический клей обладает высокой термостойкостью – до 1200 °C, и выбран благодаря тому, что у него отсутствует устойчивость к горячей воде, поэтому его можно легко удалить после закалки.

После плакирования образцы сушили при температуре 90 °С в течение 1 ч, а затем при 150 °С в течение 1 ч с последующим охлаждением на воздухе. Плакированные и неплакированные образцы подвергали нагреву под закалку при температуре 475 °С в течение 1,5 ч с последующим быстрым погружением их в воду.

Образцы без покрытия закаливали в горячей воде при температуре 90 °С, а затем опускали в холодную воду с температурой 25 °C. Плакированные образцы закаливали в холодной воде. Внешний вид образцов представлен на рис. 7.

Рис. 7. Поверхность образцов перед (а)

и после закалки с толщиной плакирующего слоя 0,2 (б); 0,4 (в) и 0,6 мм (г) [25]

Результаты измерения остаточных напряжений в образцах показали, что величина остаточных напряжений неплакированных образцов, закаленных в холодной и горячей воде, составила 142 и 81,4 МПа соответственно, а величина остаточных напряжений в плакированных образцах, закаленных в холодной воде, с толщиной плакирующего слоя 0,2; 0,4 и 0,6 мм составила соответственно 33,8; 27,4 и 14,2 МПа (рис. 8).

Результаты определения твердости по методу Виккерса (HV) показали, что HV образцов с толщиной плакирующего слоя 0,4 и 0,6 мм составила 190 и 191 ед., а для образцов, закаленных в холодной и горячей воде, 197 и 177 ед. соответственно. Основываясь на приведенных ранее результатах, испытания на растяжение проводили только для неплакированного образца, закаленного в холодной воде, и плакированных образцов с толщиной плакирующего слоя 0,4 и 0,6 мм. Предел прочности (σ_в) и относительное удлинение (δ) при растяжении составили: 581 МПа и 14,6 % ‒ для образца с толщиной плакирующего слоя 0,4 мм; 581 МПа и 17,2 % ‒ для образца с толщиной плакирующего слоя 0,6 мм; 593 и 15,7 % ‒ для неплакированного образца, закаленного в холодной воде.

Рис. 8. Распределение остаточных напряжений в поперечном направлении образцов без покрытия, закаленных в холодной воде (а), и с плакирующим слоем толщиной 0,2 (б), 0,4 (в) и 0,6 мм (г) [25]

Таким образом, закалка с использованием плакирования оказала существенное влияние на снижение остаточных напряжений и не привела к снижению механических свойств.

Заключения

Рассмотрены различные методы снижения остаточных напряжений и коробления при закалке высокопрочных алюминиевых сплавов – закалка в водно-полимерной и криогенной средах, а также с использованием плакирования.

Установлено, что закалка в криогенной среде позволяет значительно снизить остаточные напряжения по сравнению с закалкой в холодной воде. Однако она оказывает локальный эффект, так как полностью снимает остаточные напряжения только в местах, непосредственно примыкающих к воздействию пара, а также требует дорогостоящего оборудования и уникальной оснастки для каждой конкретной геометрической формы детали, что ограничивает ее широкое распространение.

Показано, что по сравнению с обычной закалкой в холодной воде использование раствора ПАГ позволяет значительно (в ~1,5 раза) снизить остаточные напряжения и в отличие от закалки в криогенной среде обеспечивает равномерное снижение остаточных напряжений по всей площади сложноконтурных тонкостенных деталей. Однако закалка в ПАГ сопряжена с экологическими издержками, так как раствор необходимо утилизировать надлежащим образом, а гель может загрязнять поверхность деталей, в связи с чем требуется дополнительная очистка.

Малоконцентрированная закалочная среда (ПЭО (S-A) и ПАВ) обеспечивает более равномерное охлаждение образцов по сравнению с охлаждением в холодной воде, при этом снижается скорость охлаждения, что обеспечивает уменьшение коробления при сохранении требуемого уровня механических свойств. Вместе с тем закалка в малоконцентрированной среде благодаря малому содержанию полимеров ‒ не более 2 % (по сравнению с концентрацией ПАГ: 12–40 %), обеспечивает более равномерный смыв остатков полимеров с поверхности закаленных деталей, поэтому повышается экологическая безопасность среды при ее утилизации, а также воды для промывания.

Одним из новых методов снижения остаточных напряжений в алюминиевых сплавах является закалка с использованием плакирования, при котором высокотемпературный неорганический клей и алюминиевая фольга наносятся на поверхность детали. Снижение остаточных напряжений связано с корректировкой разности кривых охлаждения между поверхностью и серединой образцов из алюминиевого сплава 7150 и снятием поверхностных сжимающих напряжений с помощью плакирующего слоя. Однако использование данного метода представляется сложно реализуемым в условиях промышленного производства.