Изучение возможности получения сварных соединений для нового алюминиевого сплава на базе системы Al-zn-mg с добавкой кальция

Развитие авиакосмической техники требует использования в конструк-ци-ях качественно новых высокопрочных материалов, отличающихся высо-кими эксплуатационными свойствами. Так, в отечественной и зарубежной практике при изготовлении обшивки и внутреннего набора элементов плане-ра самолета (фюзеляж, крыло, киль и др.) успешно используются упрочняе-мые термической обработкой высокопрочные алюминиевые сплавы системы Al-Zn-Mg и сплавы средней и повышенной прочности Al-Zn-Mg-Cu [1, 2].
К достоинствам этих сплавов относится хорошая свариваемость, высо-кая устойчивость твердого раствора цинка и магния в алюминии, которая проявля-ется в так называемой самозакаливаемости, то есть способности за-каливаться при охлаждении на воздухе, вследствие чего свойства сварных соединений по-сле старения приближаются к свойствам основного материа-ла. Сплавы Al-Zn-Mg имеют высокую общую коррозионную стойкость и от-личаются высокой технологичностью при производстве деформированных полуфабрикатов [3].
Однако, существующие системы легирования, но основе которых со-зданы известные сплавы, в значительной мере исчерпали ресурсы повыше-ния базовых эксплуатационных характеристик, прежде всего, прочностных, которые зача-стую недостаточно высоки для применения в силовых кон-струкциях. Поэтому представляется целесообразным рассмотреть принципи-ально новые системы ле-гирования.
В данной работе проведен комплекс мероприятий, включающий полу-че-ние экспериментального алюминиевого сплава системы Al-Zn-Mg, легиро-ван-ного кальцием; определение склонности к трещинообразованию сплава при сварке; исследование механических свойств и микроструктуры сварного соеди-нения. Составлен аналитический обзор литературы в области создания алюми-ниево-кальциевых сплавов, а также существующих критериев оценки склонно-сти к образованию трещин при сварке.

 
1. Аналитический обзор
1.1. Алюминиевые сплавы системы Al-Zn-Mg, легированные кальцием
Кальций – щелочноземельный металл, элемент второй группы перио-дической системы, порядковый № 20, его температура плавления в зависи-мости от чистоты колеблется от 810 до 851 °С. По содержанию в земной ко-ре (3,6 масс. %) Ca занимает 3 место среди всех металлов, уступая только Al и Fe. Плотность кальция составляет 1,542 г/см3, (у алюминия – 2,7 г/см3) по-этому будучи введенным в состав алюминиевых сплавов, он способен облег-чить вес изделий из них.
В бинарных Al-Ca сплавах в области, богатой алюминием, отмечено наличие эвтектики А1+А14Ca, которая соответствует 7,6%Ca при 617 °С. Со-единение А14Ca (27 % Ca) имеет ОЦТ-решетку (10 атомов на ячейку), с па-раметрами a = 0,436 нм, c = 1,109 нм, плотность 2,35 г/см3 , твердость 200 HB [4].
В доэвтектических сплавах структура состоит из первичных дендритов твердого раствора Al (Ca) и эвтектики [Al+Al4Ca], что следует из диаграммы состояния Al-Ca (рисунок 1).


Рисунок 1 – Диаграмма состояния «алюминий-кальций» [4]

Преимущества легирования алюминиевых сплавов кальцием подробно описаны в работах [5, 6]. Кальций образует с алюминием дисперсную эвтек-тику, способную легко фрагментировать при нагреве. Это недорогой компо-нент, который помимо снижения плотности алюминиевых сплавов способ-ствует улучшению коррозионных свойства.
Оценивая влияние легирующей добавки кальция, как модифицирующе-го компонента, сдерживающего развитие собирательной рекристаллизации, следует, прежде всего, отметить, что он может, как и другие щелочноземель-ные металлы II группы, проявить себя в качестве поверхностно-активного элемента, изменяя вклад зернограничной энергии. Легирующие добавки кальция как фазообразующего компонента приводят к образованию дис-персных частиц избыточных интерметаллидных фаз или неорганических со-единений, способствующих зарождению новых зерен. Важно, что кальций не увеличивает объемную долю нерастворимых избыточных фаз.
Для обеспечения хорошего формообразования при холодной дефор-мации необходимо отсутствие анизотропии, чему также способствует введе-ние кальция в сплав. Показано, что Са образует интерметаллидные соедине-ния Аl2Са и Аl4Са, которые уплотняют границы зерен, снижают рост зерна во время высокотемпературных нагревов, а также способствует их сферои-дизации. Эвтектические составляющие, расположенные по границам зерен, растворяются быстрее с увеличением количества кальция в сплаве.
Размер частиц фазы Al4Ca в эвтектике в литом состоянии достигает 0,5-2,5 мкм, дендриты Al – порядка 0,5-1,5 мкм. В процессе длительного нагрева до температур 450 до 600°С каркас из Al4Ca дробится на округлые фрагмен-ты, размер которых при температурах 550-600°С увеличивается примерно до 3-5 мкм. Данная разновидность термообработки – диффузионный отжиг или гомогенизация – необходима для повышения пластичности сплавов, по-скольку в литом состоянии в эвтектическом сплаве содержится около 30 масс. % хрупкого соединения Al4Ca.