3. Гранулированные сплавы алюминия

Гранулированные сплавы - конструкционные металлические материалы, полученные путём изостатического прессования при высоких давлениях (компактирования) мельчайших частиц (гранул) сплавов определенного химического состава, закристаллизовавшихся с высокой скоростью. Металлургия гранул - одно из перспективных направлений порошковой металлургии. В авиационной промышленности широкое применение находят гранулируемые сплавы на основе никеля, титана, алюминия.

Технологическая схема изготовления заготовок или деталей методом металлургии гранул включает следующие операции; приготовление расплава, по химическому составу соответствующего заданному сплаву; получение гранул (используются методы центробежного распыления заготовок, оплавляемых плазменной дугой, распыления расплава сжатыми инертными газами, центробежного распыления расплава и др.); рассев и сепарация гранул; дегазация гранул и засыпка их в герметичные металлические или керамические формы; компактирование гранул в заготовки с плотностью, близкой к теоретической, методами горячего изостатического прессования (в специальных аппаратах - газостатах или высокотемпературных гидростатах) или в контейнерах обычных гидравлических прессов.

Первичное компактирование может дополняться прессованием, ковкой или штамповкой, Компактные заготовки подвергают затем термической и механической обработке и контролю качества.

Важная характерная особенность металлургии гранул - высокая скорость затвердевания капель металлического расплава: если затвердевание промышленных слитков проходит при скорости охлаждения менее 1°С/с, то при затвердевании гранул размером до 200-300 мкм скорость охлаждения в интервале кристаллизации превышает 10 000°С/с.

Высокие скорости охлаждения, достигаемые при кристаллизации гранул, в сочетании с горячим изостатическим прессованием обеспечивают ряд преимуществ нового технологического процесса: отсутствие в больших объёмах зональной ликвации и высокая однородность состава, структуры и свойств изделий даже из сложнолегированных сплавов; значительно меньшая чувствительность свойств к размерам заготовок и деталей; измельчение структуры сплава в сочетании со смещением фазовых равновесий по диаграмме состояния; возможность изготовления деталей или точных заготовок сложной формы при минимальной трудоёмкости; резкое сокращение расхода металла; возможность получения изделий из сплавов с повышенным содержанием легирующих компонентов, а также создания нового класса материалов переменного химического состава, обеспечивающих значительное повышение механических, эксплуатационных и многих специальных характеристик.

Так, в сплавах алюминия с переходными металлами в несколько раз увеличивается растворимость (пересыщение твёрдого раствора), что приводит к существенному повышению конструкционной прочности и жаропрочности. Гранулируемые сплавы алюминия со свинцом, которые невозможно получить традиционным способом, значительно превосходят известные алюминиевый сплавы с оловом по антифрикционным свойствам.

Гранулирование, приводя к многократному измельчению хрупких первичных кристаллов, даёт возможность, эффективно деформируя брикеты, получать изделия с низким коэффициентом линейного расширения (сплавы алюминия с высоким содержанием кремния) и с хорошим сочетанием прочности и электрической проводимости при повышенных температурах (сплавы алюминия с редкоземельными металлами).

Из высоколегированных никелевых сплавов, не поддающихся обработке давлением из-за малой пластичности в литом состоянии, методом металлургии гранул изготовляются диски газотурбинных двигателей. Предел прочности этих дисков на 20%, а при высоких температурах на 30% выше, чем у дисков, получаемых в серийном производстве обычными способами. Новая технология позволяет снизить массу деталей и увеличить ресурс.

Наряду с гранулируемыми сплавами на основе никеля, титана, алюминия получают распространение и другие гранулируемые материалы. Так, гранулируемые быстрорежущие стали обеспечивают значительно более высокую стойкость режущего инструмента и возможность замены дефицитных легирующих элементов. Металлургия гранул открывает широкие перспективы для повышения свойств сплавов на основе различных металлов.

Метод гранулирования, обеспечивающий высокие скорости охлаждения при кристаллизации (103 - 105 град/с) позволяет:

- резко диспергировать все структурные составляющие (эвтектические и первичные интерметаллиды, а также непосредственно твердый раствор);

- образовывать аномально пересыщенные твердые растворы ряда переходных металлов в Аl;

- легировать сплавы металлами, ранее не применявшимися для легирования деформируемых Аl сплавов (W, Мо,Со, PЗМ, Рb, Sn, In и др.).

Это приводит с одной стороны к значительному улучшению характеристик стандартных А1 сплавов (повышению прочности на 10 - 15 %, значительному увеличению коррозионной стойкости, повышению технологичности и свариваемости), с другой стороны созданию за счет легирования такими металлами как Cr, Zr, V, W, Si,Mo, РЗМ, Pb, Sn и др, гранулируемых сплавов с высокой жаропрочностью (в 1,5 раза выше, чем стандартные А1 сплавы), а также сплавов с особыми физико-механическими свойствами:

- высокой электропроводностью

- пониженным коэффициентом линейного расширения

- высокой поглощаемостью рентгеновских излучений и др.