Полный текст

Введение В последнее время конструкторами в машиностроении вообще и в авиастроении в частности всё в большей степени предъявляются требования к повышению механических характеристик сплавов, созданию новых типов сплавов с уникальными эксплуатационными характеристиками. На современном этапе развития металлургии технология дальнейшего повышения прочностных и других эксплуатационных свойств сплавов легированием, применительно к обычным условиям производства полуфабрикатов из слитков, практически исчерпала себя [1, 2]. В связи с этим особое внимание уделяется технологии изготовления изделий и полуфабрикатов из различных металлов и сплавов с применением технологии гранулирования. Металлургия гранул, основанная на использовании высоких скоростей кристаллизации расплава материала, довольно долгое время относилась к порошковой металлургии. В настоящее время металлургия гранул довольно отчетливо выделяется в отдельное направление [3]. Имеется ряд существенных отличий металлургии гранул от порошковой металлургии. В частности, в порошковой металлургии элементарные металлические частицы (гранулы, чешуйки, порошинки) получают любым способом, в том числе разбрызгиванием расплава, истиранием или дроблением слитка, часто используют в смесях частицы разнородных металлов и сплавов. В металлургии гранул элементарные частицы получают исключительно разбрызгиванием или распылением сплава определенного состава [1, 3]. Применительно к алюминиевым сплавам можно отметить, что перспективы применения технологии гранулирования основаны на использовании одного или нескольких факторов существенного изменения структуры материала при высоких скоростях кристаллизации расплава. К таким факторам можно отнести: аномальное пересыщение твердого раствора легирующими элементами, предотвращение образования или измельчение и изменение формы первичных кристаллов интерметаллических соединений, диспергирование продуктов эвтектической кристаллизации, предупреждение расслаивания расплава в системах с двумя несмешивающимися жидкостями [1]. При производстве изделий и полуфабрикатов из высокопрочных алюминиевых сплавов технология гранулирования позволяет решить вопросы, связанные с наличием внутренних кристаллизационных напряжений. Известно, что при литье высокопрочных алюминиевых сплавов имеются определенные ограничения слитков по их размерам. При превышении этих размеров слиток отлить невозможно из-за возникновения трещин [3]. Получение брикета из гранул для последующего спекания или деформирования возможно с любыми габаритными размерами. Технологии с применением высоких скоростей кристаллизации обеспечивают получение значительного упрочняющего эффекта гранулированного материала от легирования алюминиевых сплавов тугоплавкими компонентами, не растворимыми в алюминии или имеющими очень малую растворимость (цирконий, хром, железо, марганец). Это позволяет создавать новые гранулированные алюминиевые сплавы повышенной прочности на основе традиционных систем Al-Zn-Mg-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Mg с легированием тугоплавкими элементами в гораздо большем количестве, чем это применяется для существующих сплавов [1]. Таким образом, повышенная прочность алюминиевых сплавов, создаваемых с применением технологии гранулирования определяется сочетанием двух механизмов упрочнения: - дисперсионного упрочнения, связанного с выделением дисперсных упрочняющих фаз, образуемых цинком, магнием, медью, кремнием, в результате закалки и старения готовых изделий или полуфабрикатов; - дисперсионного твердения, связанного с образованием аномально пересыщенных твердых растворов переходных металлов в алюминии при кристаллизации гранул [3]. 1. Теоретические исследования и постановка задачи Одним из основных факторов, влияющих на формирование пересыщенных твердых растворов и формирование субмикроскопической структуры материала, является скорость кристаллизации, которая в свою очередь определяется скоростью отвода тепла от формируемой гранулы. Вокруг гранулы, попадающей в охлаждающую среду, образуется «паровая рубашка», а именно тонкая прослойка пара, возникающего за счет перехода охлаждающей жидкости (как правило, технической воды), соприкасающейся с раскаленным или расплавленным металлом в парообразное состояние. Формируемая «паровая рубашка» является барьером по отношению к интенсивному отводу тепла от охлаждаемой гранулы. Низкая интенсивность теплопередачи в воздушной или газовой среде объясняется, в первую очередь, невысоким коэффициентом теплопередачи в воздухе. Проведен анализ существующих методов получения гранул с точки зрения повышения интенсивности отвода тепла от гранулируемого материала. Медленно движущаяся в охлаждающей среде (в технической воде) гранула, получаемая, к примеру, вибрационным или капельным методом литья, не может сбить постоянно возникающую вокруг нее паровую оболочку. Для преодоления появления постоянно образующейся прослойки пара скорость движения капли должна быть на порядок выше. Известен способ получения гранул, заключающейся в диспергировании струи расплава под действием регулярных возмущений [4]. При реализации данного способа гранулирования при помощи системы продавливания расплава формируется ламинарная струя. Возбуждение струи и распад последней на капли одинакового размера производится системой возбуждения. Длину пролета гранул до охлаждающей среды устанавливают из соотношения l > w × (τ1 + τ2), где w - скорость движения гранул, м/с; τ1 - время кристаллизации гранулы, с; τ2 - время охлаждения гранул до температуры 0,5·Тк, с; Тк - температура кристаллизации гранул из заданного материала, оС. Таким образом, кристаллизация гранулы и ее охлаждение до температуры 0,5·Тк происходит исключительно в атмосфере инертных газов или воздушной атмосфере, насыщенной парами охлаждающей жидкости. Понятно, что скорость охлаждения гранул в воздушной или инертной атмосфере в разы меньше скорости кристаллизации в охлаждающей жидкости. Необходимость охлаждения капель расплава до температуры 0,5·Тк объясняется тем фактом, что если температура гранул, попадающих в накопитель с охлаждающей жидкостью, находится в диапазоне Т > 0,5·Тк, то между гранулами возникает диффузионное взаимодействие, и получить из образующихся конгломератов отдельные гранулы является довольно затруднительной задачей [4]. Очевидно, что скорости кристаллизации гранул при таком способе гранулирования еще меньше, чем в случае вибрационного и капельного методов с отвердением капли непосредственно в охлаждающей жидкости. Получение скоростей движения гранул, обеспечивающих сбив постоянно возникающей паровой оболочки, возможно только при центробежном разбрызгивании расплава с высокой скоростью начального движения расплавленной капли. Известно устройство для центробежного разбрызгивания расплава, содержащее вращающийся лопастной диск с приводом, вращающийся сборник гранул с водой и металлоприемник для подачи струи расплава в зону разбрызгивания. Как показали исследования, за счет того, что лопастной диск расположен над уровнем воды, образующиеся капли расплава частично охлаждались в воздушной или газовой среде [1, 5]. С целью увеличения скорости отвода тепла от формируемых гранул данное устройство было конструктивно улучшено уменьшением пути движения расплава в воздушном пространстве, однако проблема формирования паровой прослойки вокруг капли, движущейся в охлаждающей жидкости, решена не была. В зарубежной практике для получения гранулированных материалов широко используются методы газовой атомизации струи расплава (Vacuum Induction Melt Inert Gas Atomization) [6], а также наиболее близкий к рассматриваемому способу центрифугования расплава метод вращающегося электрода (Plasma Rotating Electrode Process) [7-10]. Технологический процесс газовой атомизации струи расплава представляет собой расплавление металла в плавильной камере, выливание его в форсунку (распылитель), где производится разрушение потока жидкого металла потоком инертного газа или воздуха с получением гранул. Промышленные сплавы обычно диспергируют потоком аргона. Схема процесса распыления вращающегося электрода, оплавляемого посредством возникающей электрической дуги (Plasma Rotating Electrode Process), представлена на рис. 1. Рис. 1. Схема процесса распыления вращающегося электрода [7] Fig. 1. Plasma Rotating Electrode Process [7] Известно, что рассматриваемый метод широко применяется для получения гранул и порошков, в первую очередь тугоплавких материалов сплавов (никелевые, титановые сплавы) [11], при изготовлении сферических гранул нержавеющих и жаропрочных сталей [12], при получении гранул интерметаллидных материалов типа Ni3Al и NiAl [13]. Главным недостатком вышерассмотренных двух методов является захват инертного газа в центр сферической гранулы, а также образование большого количества несферических частиц. Это происходит вследствие того, что струя расплава под воздействием высокоскоростного газового потока дробится сначала на плёнки, а затем плёнка расплава под действием сил поверхностного натяжения захлопывается, и при формировании капли происходит захват инертного газа внутрь частицы [13-16]. Кроме того, в подавляющем большинстве случаев при реализации данного метода капли расплава преодолевают довольно большое расстояние до поверхности охлаждающей жидкости; формирование гранул происходит практически в воздушной среде или в среде инертного газа, характеризующейся малой теплопроводностью. Данный фактор снижает интенсивность отвода тепла от кристаллизуемой частицы. Но основной причиной низкой применяемости данных методов при производстве гранул алюминиевых сплавов является тот факт, что реализация рассматриваемых методов является довольно дорогостоящим процессом [17, 18]. На основе анализа мирового опыта можно отметить, что центрифугование расплава из вращающегося тигля с водным охлаждением, а также близкие к этому по технологии процессы более перспективны, дешевы и целесообразны для получения сферических гранул из алюминиевых и магниевых сплавов [19, 20]. Рассматриваемых технологических недостатков лишены методы центрифугования расплава из вращающегося тигля. Однако стоит отметить, что применение метода центрифугования при получении гранул из никелевых и титановых сплавов проблематично, так как необходимо исключить контакт расплава и воздушной среды. Это обусловлено тем, что насыщение гранул кислородом отрицательно сказывается на качестве получаемого сырья (особенно это важно при производстве гранул никелевых сплавов). Рассматривая процесс кристаллизации и охлаждения гранулы в водной среде, можно отметить, что интенсивный отвод тепла неминуемо приводит к формированию прослойки паровой среды, как только ее температура превысит температуру кипения. Как только температура близлежащих слоев жидкости к охлаждаемой капле превышает температуру кипения, происходит преобразование жидкости в пар. Паровая прослойка значительно снижает отвод тепла за счет меньшей теплопроводности паровой среды (рис. 2). Рис. 2. Схема формирования паровой оболочки вокруг движущейся капли (гранулы): 1 - охлаждающая среда; 2 - капля расплава (гранула); 3 - паровая оболочка («паровая рубашка») Fig. 2. Scheme of the formation of a vapor shell around a moving droplet (granule): 1 - cooling liquid; 2 - a drop of melt (granule); 3 - «steam jacket» На основе анализа данных табл. 1 можно утверждать, что теоретически снижение интенсивности теплоотвода за счет снижения теплопроводности охлаждающей среды может составлять сотни и тысячи процентов. Таблица 1 Величины коэффициентов теплопроводности и удельной теплоемкости воды и насыщенного пара [21] Table 1 The values of the coefficients of thermal conductivity and specific heat capacity of water and saturated steam [21] Состояние охлаждающей среды Температура, °С Давление насыщенного пара Рп, МПа Коэффициент теплопроводности λ, Вт/м×К Удельная теплоемкость Cр, кДж/кг×0С Техническая вода 20 - 0,5984 4,1818 Техническая вода 50 - 0,6435 4,1806 Техническая вода 90 - 0,6753 4,2050 Техническая вода 100 - 0,6791 4,2159 Насыщенный пар 100 0,101 0,0279 2,0267 Насыщенный пар 100 2,03 0,684 2,1037 Насыщенный пар 150 0,101 0,0284 2,315 Насыщенный пар 150 2,03 0,684 - Насыщенный пар 190 0,101 0,0326 - Насыщенный пар 190 2,03 0,67 - До настоящего времени задача определения детального температурного поля кристаллизующейся капли высоколегированных алюминиевых расплавов в процессе ее свободного движения в охлаждающей среде, а также температурные изменения в близлежащих к капле слоях жидкости практически не решалась. Известны лишь аналитические зависимости для определения времени кристаллизации сплавов таких материалов, дающие приближенную оценку усредненной по объему температуры частицы [20]. Известны результаты исследований, направленных на создание математической модели для описания теплофизических процессов, происходящих при формировании гранул расплава системы Al - 15 % Pb в водной среде [22, 23]. Построенная математическая модель представляет собой систему дифференциальных уравнений неразрывности, сохранения импульса и сохранения энергии. Уравнение энергии включает члены, отвечающие за внутреннее тепловыделение при фазовом переходе в расплаве капли при кристаллизации и при закипании воды. Кроме того, определено, что так как движение жидкости вблизи двигающейся кристаллизуемой частицы имеет турбулентный характер, то учитываются и турбулентные пульсации охлаждающей жидкости [22, 24]. Единственным способом удаления препятствия в виде паровой прослойки является постоянный сбив последней за счет высокой скорости движения капли в охлаждающей среде. Причем скорость должна быть настолько велика, чтобы за время, необходимое на преодоление пути каплей, равного её диаметру и пройденного каплей, не успела сформироваться паровая прослойка, объем, которой будет превышать 1 % объема капли. В противном случае паровая прослойка начинает оказывать существенное влияние на интенсивность теплоотвода. На основе этого положения был предложен способ получения гранул из алюминиевых сплавов, обеспечивающий достаточную первоначальную скорость движения капли [25]. Для того чтобы в начальные моменты времени попадания капли в охлаждающую среду вокруг движущейся капли не успевала сформироваться паровая прослойка, первоначальная скорость движения капли в охлаждающей жидкости (V, м/с) должна быть не меньше расчетной по формуле (1): , (1) где r - радиус капли, м; aк - коэффициент теплоотдачи капли охлаждающей среде, Вт/м2×К; r - плотность расплава металла, кг/м3; Tох.ср. - температура охлаждающей среды, К; T - температура кристаллизуемой капли, К; m - масса капли металла, кг; g - объемная масса паровой среды, кг/м3; Cох. ср. - удельная теплоемкость охлаждающей среды, Дж/кг×К; TK - температура парообразования охлаждающей среды, К; Qо - удельная теплота парообразования охлаждающей среды, Дж/кг; k - коэффициент, который для получения гранул алюминиевых сплавов систем Al-Zn-Mg-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Mg составляет 2518,3 [25]. Необходимо отметить, что в качестве температуры кристаллизации гранул из заданного материала Т, при условии, что исследуемый материал кристаллизуется в интервале температур от температуры ликвидуса до температуры солидуса, целесообразно выбирать температуру ликвидуса, т.е. температуру, при которой из жидкого раствора с данной концентрацией могут появляться первые равновесные с ним кристаллы Для обеспечения такой скорости движения капли расплава в первоначальный момент времени был предложен способ получения металлических гранул и устройство для центробежного гранулирования расплава. Для обеспечения заданной скорости первоначального движения капли число оборотов вращения подвижного тигля с расплавом (v, с-1) определяется на основе соотношения v = V / (2 ∙ p ∙ RT), (2) где RT - средний радиус внешней стенки разливочной емкости, м. Установлено, что при такой начальной скорости движения капли на начальном этапе кристаллизации, возникающей в результате испарения близлежащих к грануле слоев охлаждающей жидкости, паровой прослойки объемом менее 1 % от объема гранулы недостаточно для влияния на потерю интенсивности теплоотвода. Мгновенное положение капли за это время успевает сместиться в зону наличия «свежей» охлаждающей жидкости. Естественно, что при движении капли в охлаждающей среде за счет сопротивления жидкости скорость капли снижается. На последнем этапе движения капля или ударяется о стенки закалочного бака или, в случае частичного расплющивания капли о поверхность воды, за счет торможения жидкостью горизонтальное движение капли прекращается, и она под влиянием силы тяжести плавно опускается на дно приемного бака. Принципиально важным для увеличения интенсивности кристаллизации является сбивание «паровой рубашки», образующейся вокруг капли на первоначальном этапе до перехода металла из жидкого состояния в твердое по всему объему формирующейся частицы. Очевидно, что устранение проблемы наличия «паровой рубашки» позволяет значительно увеличить скорость теплоотвода, а следовательно, и скорость кристаллизации, и тем самым получить гранулированные материалы с более высокими прочностными характеристиками. Таким образом, может быть сформулирована задача необходимости исследования процессов получения гранул алюминиевых сплавов со сверхвысокими скоростями кристаллизации в условиях сбива паровой оболочки, снижающей скорость отвода тепла от кристаллизуемой гранулы с целью получения повышенных прочностных характеристик гранулированных материалов. 2. Методика проведения исследований Как было установлено ранее, основным препятствием на пути отвода тепла от кристаллизуемого объекта и, соответственно, на пути увеличения скорости кристаллизации является паровая прослойка, возникающая за счет нагрева и перехода близлежащих слоев воды в парообразное состояние. С другой стороны интенсивность охлаждения расплава напрямую зависит от размеров гранул. Следовательно, одной из задач исследований является получение гранул равномерного гранулированного состава промышленного размера с контролируемой высокой скоростью их кристаллизации. Получение гранул промышленных алюминиевых сплавов В95, В96ц проводилось на установке центробежного разбрызгивания расплава. Принципиальная схема установки представлена на рис. 3. Установка для получения гранул со сверхвысокими скоростями кристаллизации состоит из внешнего корпуса 1, который одновременно является закалочным баком. Внутри корпуса установлен вращающийся разделительный стакан 2 с отверстиями для свободного пролета гранул. Назначение разделительного стакана заключается в создании воронки охлаждающей жидкости 5 при его вращении и исключение попадания жидкости во вращающийся тигель 3 с расплавом 4. За счет вращения тигля расплав выдавливается в предусмотренные в нем каналы, разбивается на капли и пролетает сквозь отверстия разделительного стакана. Попадая в охлаждающую жидкость, капли расплава кристаллизуются в гранулы. Принципиально важным является сбалансированность одновременного вращения тигля и разделительного стакана и то, что отверстия в стакане должны быть значительно больше отверстий в тигле (в 5-6 раз) для свободного пролета капли расплава. Диаметр отверстий внутреннего тигля 4 определяет диаметр получаемых гранул. Суспензия в виде полученных гранул и охлаждающей жидкости выводится через отверстие в патрубке 6. Вращательное движение от электродвигателя 7 подвижным элементам системы обеспечивается через систему валов 8 и муфт 9. Принципиально важным является наличие жесткой связи 10 между разделительным стаканом и тиглем для обеспечения сбалансированности их совместного вращения. Устойчивость вращающихся элементов устройства обеспечивается системой подшипников 11. Поступление расплава в установку происходит через отверстие в крышке 12; поступление охлаждающей жидкости происходит через отверстие в корпусе закалочного бака 1. В тигле, формирующем капли расплава, выполнены отверстия по образующей диаметром 1,0-1,5 мм; диаметр отверстий в перфорированном разделительном стакане составлял 6,0 мм. Известно, что при скорости вращения тела, погруженного в воду, более 3500 об./мин, как и для данного устройства, вода за счет формирования воздушного потока и водной воронки отбрасывается от него, и возникает прослойка воздушной среды между поверхностью вращающегося разделительного стакана и поверхностью воронки охлаждающей жидкости. Благодаря конструкции устройства удается свести к минимуму траекторию полета капли расплава в воздушной среде и в результате сохранить температуру капель расплава в момент соприкосновения с охлаждающей жидкостью, равной температуре расплава в разливочной емкости, что, в свою очередь, способствует увеличению скорости кристаллизации. Принципиально важной является скорость вращения тигля с расплавленным металлом, которая задает требуемую поступательную скорость движения капели, обеспечивающей сбив «паровой рубашки» вокруг кристаллизирующейся гранулы. Соответственно, кристаллизация гранулы происходит в условиях интенсивного отвода тепла в воду, а не в образующуюся паровую оболочку. В табл. 2 представлены оптимальные скорости вращения тигля, обеспечивающие сбив паровой оболочки для устройства, схема которого представлена на рис. 3. Рис. 3. Принципиальная схема установки для получения гранул со сверхвысокими скоростями кристаллизации Fig. 3. Scheme of the installation for producing granules with ultra-high crystallization rates Таблица 2 Оптимальные скорости вращения перфорированного тигля для получения качественных гранул алюминиевых сплавав при реализации эффекта сбива паровой оболочки Table 2 Optimal rotation speeds of the perforated crucible for obtaining high-quality aluminum alloy granules when implementing the effect of knocking down the steam shell Система исследуемого сплава Рекомендуемая скорость вращения тигля, мин-1 Al-Zn-Mg-Cu 4200-4300 Al-Mg 3800-4100 Промывка и рассеивание гранул по фракциям проводились по традиционным для порошковой металлургии методикам. Технология предварительного брикетирования включала в себя ряд операций: подготовка брикета осуществлялась засыпкой в стакан из листового алюминиевого материала, нагревом до 340-380 °С в электропечи сопротивления СНО 4.8.2,5/10-И2 и последующее брикетирование в глухую матрицу на вертикальном гидравлическом прессе усилием 1,6 МН. В целях избегания попадания смазки или ее паров внутрь алюминиевого стакана брикетирование проводилось без смазки. Полученные брикеты обтачивались и подвергались нагреву и последующему прессованию на горизонтальном гидравлическом прессе усилием 1,0 МН с получением прутков заданного диаметра с коэффициентом вытяжки λ, равным 40. Температура прессования составляла 380-420 °С. Подогрев контейнера велся температуры 340-360 °С. Закалка и искусственное старение прессованных прутков из сплавов В95, В96ц проводились по стандартной для исследуемых сплавов технологии. Известно, что основной проблемой широкого промышленного применения алюминиевых сплавов В95, В96, В96ц является их склонность к коррозионному растрескиванию и расслаивающей коррозии. Попытки увеличения прочности сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu за счет повышения содержания основных легирующих компонентов (в первую очередь цинка и магния) показали, что при содержании 10 % Zn, 4-4,5 % Mg, 1,5 % Cu, 0,4 % Мn и 0,2 % Сr предел прочности сплавов можно повысить до 800-810 МПа, однако при этом пластичность и сопротивление коррозионному растрескиванию снижаются столь сильно, что сплавы не могут применяться в качестве конструкционного материала [1, 3]. Для снижения склонности к коррозии для гранулированного сплава В96ц применялась термообработка по смягчающим режимам Т2 и Т3. В табл. 3 представлены режимы термообработки. Длительность перерыва между закалкой и старением для прессованных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов В95 и В96ц оказывает большое значение на прочностные характеристики материала. В целях получения максимальных прочностных характеристик на основании рекомендаций [1, 3] длительность перерыва между закалкой и старением для образцов прессованного материала составляла 48 ч. Испытания образцов для определения механических свойств материала, полученных из прессованных полуфабрикатов, проводись по стандартным методикам на универсальной электромеханической разрывной машине Instron 5982. Таблица 3 Режимы термообработки прессованных изделий из гранулированных материалов сплава В96ц Table 3 Prameters of heat treatment of pressed products made of granular materials of aluminum alloy 7070 Исследуемый сплав Температура закалки Искусственное старение по смягчающему режиму (Т2) Искусственное старение по смягчающему режиму (Т3) Температура нагрева, °С Длительность выдержки, ч Температура нагрева, °С Длительность выдержки, ч В96ц 465-470 °С 160-170 16 170-180 20 Таблица 4 Соотношение скоростей кристаллизуемых объектов [3] Table 4 The ratio of the velocities of crystallized objects [3] Характеристика объекта Скорость охлаждения Время кристаллизации объекта τ кр, с vлин, см/с vоб, 1/с vохл, °С/с Слиток диаметром 100 мм, получаемый методом непрерывного литья 0,4 50 1 1 Проволока диаметром 6 мм, охлаждение водой 10 5·102 10 0,1 Гранулы, диаметром 1-4 мм, охлаждение водой - 5·103 100 0,01 Гранулы, диаметром 500 мкм, охлаждение водой - 5·104 1000 0,001 Гранулы, диаметром 500 мкм, охлаждение на воздухе - 5·102 10 0,1 Гранулы, диаметром 50 мкм, охлаждение на воздухе - 5·103 100 0,01 3. Анализ и обсуждение полученных результатов В описании процессов кристаллизации слитков или гранул довольно часто применяют показатели линейной скорости кристаллизации vлин, измеряемой в см/с, и объемную скорость кристаллизации vоб, измеряемой в 1/с. Линейную скорость кристаллизации наиболее часто применяют при описании процесса кристаллизации слитков. В случае кристаллизации слитков объемная скорость кристаллизации прямо пропорциональна линейной скорости кристаллизации. При кристаллизации гранул эта зависимость искажается, так как скорость кристаллизации будет определяться не только отводом тепла от наружной поверхности гранул, но и переохлаждением расплава в процессе кристаллизации [3]. Объемную скорость кристаллизации vоб в этом случае определить сложнее и поэтому довольно часто пользуются пропорциональной ей величиной скорости охлаждения vохл, измеряемой в °С/с. В табл. 4 представлено соотношение скоростей кристаллизации и скоростей охлаждения. В связи с тем что очевидна взаимосвязь между скоростью кристаллизации и скоростью отвода тепла от гранулы (см. табл. 4), можно сказать, что при изменении скорости охлаждения vохл пропорционально изменяется и объемная скорость кристаллизации vоб. Следовательно, при неизменных размерах гранул в целях увеличения скорости кристаллизации задача состоит в том, чтобы: 1) максимально возможно уменьшить время между отделением капли от всей массы расплавленного металла и попаданием ее в закалочную среду; 2) обеспечить отсутствие контакта капли расплава и воздушной среды или, другими словами, обеспечить отсутствие паровых прослоек между телом гранулы и окружающей закалочной средой. Именно это обеспечивалось быстрым (3500-4000 об./мин) вращением устройства центрифугирования расплава и высокой скоростью движения капли внутри закалочного бака с охлаждающей средой. Оценка гранулометрического состава фракций исследуемых сплавов показала однородность гранул по размерам и форме. Гранулы имели сферический приплюснутый вид. Как показали результаты исследований, на выходе из отверстий тигля гранулы, вероятнее всего, имели веретенообразный вид (вытянутый за счет центробежного ускорения), однако при высокой скорости движения и ударе о поверхность воды принимали сферическую приплюснутую форму. Это подтверждается тем, что диаметр полученных гранул немного больше выходного отверстия в тигле с расплавом (на 2-5 %). При исследованиях особенностей получения гранул центрифугованием указывается на неоднородные размеры получаемых гранул [1, 5]. Из гипотез авторов следует, что решающим фактором в получении разнородной гранулометрического состава является давление верхних слоев расплава на нижние слои. При этом капли дополнительно выдавливаются в отверстия в нижней зоне тигля за счет силы тяжести. Для выравнивания гранулометрического состава предлагалось уменьшать размер выходных отверстий разбрызгивающего тигля в направлении дна сосуда. В данном случае влияние этого давления сводился к минимуму и, как показали эксперименты, гранулометрический состав довольно однородный. В табл. 5 представлен размерный состав гранул исследованных материалов. Таблица 5 Результаты гранулометрических исследований Table 5 Results of granulometric studies Сплав Скорость вращения сосуда разбрызгивателя, об./мин Диаметр отверстий-каналов в сосуде-разбрызгивателе, мм Выход фракций гранул, в %, крупностью, мм св. 2,5 2,4-1,5 1,5-1,0 до 1,0 В96ц 600 1,0 38 61 1 0 В96ц 1000 1,0 19 69 11 1 В96ц 3500 1,0 7 21 65 7 В96ц 4000 1,0 3 18 70 9 Оценка скорости охлаждения гранул проводилась по методикам, предложенным в [22, 23], с учетом турбулентности возмущений водной охлаждающей среды в зоне контакта с каплей расплавленного металла [24, 25]. Расчетная скорость охлаждения капель в большой степени зависит от диаметра капли (гранулы): с увеличением диаметра капли расплава скорость охлаждения резко падает. В табл. 6 представлены результаты определения расчетной скорости охлаждения капель расплава алюминиевых сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu (сплавов В95 и В96ц). Таблица 6 Расчетная скорость охлаждения гранул при скорости вращения перфорированного тигля 4000 об./мин Table 6 The calculated cooling rate of granules at the rotation speed of the perforated crucible is 4000 rpm Диаметр гранулы, мм Расчетная средняя скорость охлаждения капли vохл, °С/с Максимальная расчетная скорость охлаждения капли vохл в первоначальный момент времени попадания капли в жидкую среду, °С/с (τ = 0÷0,1 с) 1,0 2250 3400 1,5 2100 2950 2,0 1650 2500 2,5 1400 2150 3,0 1150 1900 3,5 990 1750 Анализируя данные по скоростям охлаждения гранул алюминиевых сплавов, видно, что применение методики получения гранул в условиях сбива «паровой рубашки» приводит к тому что для гранул диаметром 1,0-3,5 мм, которые довольно широко применяются при получении гранулированных материалов, удалось достичь скоростей охлаждения (а следовательно, и скоростей кристаллизации), свойственных при водном охлаждении порошинок диаметром 0,1-0,5 мм. Известно, что для алюминиевых сплавов сложного состава увеличение скорости охлаждения, скорости кристаллизации гранул должно характеризоваться ростом прочностных свойств как материала самих гранул, так и материала получаемых из гранул полуфабрикатов. Основной задачей проводимых исследований являлось получение прутковых полуфабрикатов из гранулированных материалов из сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu. Исследования показали рост прочностных характеристик закланных и искусственно состаренных полуфабрикатов по отношению к прессованным изделиям, полученных из гранул традиционной технологии гранулирования (табл. 7). Установлено, что увеличение диаметра отверстий-каналов в тигле до диаметра в 1,5 мм влияет на размеры гранул, но не воздействует существенно на гранулометрический состав получаемых гранул, что подтверждает стабильность рассматриваемого способа центрифугования алюминиевых сплавов. Известно, что при горячей обработке давлением гранулированных материалов системы Al-Zn-Mg-Cu при температуре нагрева выше 350 0С наблюдается снижение механических свойств получаемых материалов [28, 29]. Однако при проведении экспериментальных исследований было установлено, что повышение температуры прессования гранулированных материалов системы Al-Zn-Mg-Cu до 380-420 0С не приводит к снижению механических характеристик полуфабрикатов. Это обусловлено высокой степенью деформации (больших коэффициентов вытяжки λ ~ 40) и благоприятной Таблица 7 Механические свойства полученных гранулированных материалов Table 7 Mechanical properties of the obtained granular materials Исследуемый сплав Вид полуфабриката и его технология получения Предел прочности σв, МПа Предел текучести σ0,2, МПа Относительное удлинение δ, % Источник В96ц Прессованные прутки из слитка 610 360 10,3 [1] В96ц Прессованные прутки из слитка 680 640 7 [3] В96ц Прессованные прутки из слитка 650 630 6 [26] В96ц Прессованные прутки из гранул 730 - 10,5-15,3 [1, 3] В96ц Прессованные прутки из гранул. Нагрев гранул перед компактированием и брикета в воздушной среде 710 - 3,4 [1] В96ц Прессованные прутки из гранул. Нагрев гранул перед компактированием и брикета в инертной среде аргона или вакууме 780 - 5,7-6,1 [1] В96ц Прессованные прутки из гранул. Сплавы, содержащие цирконий в пределах от 0,4 до 1,0 %. 765 730 4,3-5,9 [3] В96ц Прессование из гранул, полученных по технологии со сверхвысокими скоростями кристаллизации 890 830 4,6-5,4 Получен. данные В95 Прессованные прутки из слитка 530 480 11 [26] В95 Прессованные прутки из слитка 550 500 10 [27] В95 Прессованные прутки из гранул 580 510 6,0-6,4 [1, 3] В95 Прессование из гранул, полученных по технологии со сверхвысокими скоростями кристаллизации 760 710 5,1-5,8 Получен. данные схемой для консолидации гранул в очаге деформации (всестороннее сжатие). При изготовлении деталей авиационной техники одним из наиболее важных факторов перспективности новой технологии или новых материалов является тот факт, что полученные материалы должны отличаться стабильностью свойств в течение всего срока эксплуатации авиационного аппарата. Проведенные исследования показали, что при длительной выдержке и эксплуатации изделий (более 10-12 лет), полученных по новой технологии гранулирования, прессованные материалы в закаленном и искусственно состаренном состоянии не подвержены расслаивающей коррозии и коррозионному растрескиванию при отсутствии воздействия агрессивных сред. Прочностные характеристики исследуемых гранулированных материалов из сплавов В95, В96ц за продолжительное время также не снижаются. Заключение Таким образом, в результате проведенных исследований установлено, что наиболее действенным методом увеличения скорости охлаждения гранул алюминиевых сплавов системы Al - Zn - Mg - Cu является технология создания высокой первоначальной скорости капель расплава при его центрифугировании, которая обеспечивает сбив паровой прослойки («паровой рубашки»), формирующейся вокруг кристаллизуемой гранулы при попадании последней в охлаждающую жидкость. За счет высокой скорости кристаллизации капель обеспечивается не только повышенная микротвердость гранул, по сравнению с традиционными методами гранулирования, но и, что более важно, обеспечивается повышение прочностных характеристик прессованных изделий (прутков, авиационных профилей), получаемых из гранулируемых материалов В95, В96ц. Увеличение прочностных характеристик прессованных изделий из вышеперечисленных сплавов системы Al - Zn - Mg - Cu может достигать 10-15 % по сравнению с пресс-изделиями из алюминиевых сплавов, получаемых по традиционным технологиям гранулирования. В частности, для прессованных изделий из сплава В96ц механические свойства материала, полученного по предлагаемой технологии, составляют σв = 890 МПа, σ0,2 = 830 МПа, δ = 4,6-5,4 %; для изделий из сплава В95 - σв = 760 МПа, σ0,2 = 710 МПа, δ = 5,1-5,8 %; Определено влияние временного фактора длительного хранения или эксплуатации изделий (порядка 10-12 лет) на изменение прочностных характеристик гранулированных высокопрочных алюминиевых сплавов В95, В96ц. Установлено, что при длительной эксплуатации и хранения изделий механические свойства полученных гранулированных материалов не снижаются. В результате проведенного комплекса исследований разработаны конкретные параметры технологических процессов гранулирования сплавов системы Al - Zn - Mg - Cu и получения прессованных изделий по рассматриваемой технологии для ее промышленного применения. Необходимо отметить, что примерно сопоставимые результаты и закономерности получаются при исследовании получения гранулированных материалов по рассматриваемой технологии из алюминиевых сплавов Д1 и Д16 системы Al - Cu - Mg [30]. Данный факт позволяет говорить о существовании общих закономерностей эффекта повышения скоростей кристаллизации гранул из других материалов путем исключения воздействия паровой прослойки, образующейся при испарении охлаждающей жидкости.

Об авторах

М. В Жаров

Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет)

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 329

PDF (Russian) - 301