Cíl vývoje slitin
Vývoj hliníkových slitin je řízená manipulace s chemií, zpracováním a tepelným zpracováním k dosažení cílové kombinace pevnosti, houževnatosti, odolnosti proti korozi a tvarovatelnosti. Čistý hliník je měkký a tažný; každá komerční slitina přidává prvky, které narušují pohyb dislokace nebo zlepšují mikrostrukturu. Inženýrským úkolem je rozhodnout, který mechanismus poskytuje požadovanou vlastnost za přijatelnou cenu, a poté stanovit cestu zpracování, díky níž bude tento mechanismus opakovatelný ve výrobě.
Moderní praxi dominuje pět mechanismů: precipitační vytvrzování, mikrolegování skandiem, přísady lithia, vypalování v plechu 6xxx a rychlé tuhnutí pro provoz za zvýšené-teploty.
Precipitation Hardening v řadě 7xxx
Ve slitinách Zn-Mg-Cu tvoří shluky rozpuštěných látek koherentní Guinierovy-Prestonovy zóny během přibližně 24 hodin přirozeného stárnutí při pokojové teplotě. Standardní cesta T6 pro tyto slitiny sestává z úpravy roztoku při teplotě zhruba 475 stupňů po dobu 2 hodin, zchlazení vodou a následného umělého stárnutí při teplotě asi 120 stupňů po dobu 24 hodin.
Při umělém stárnutí metastabilní fáze η' na bázi MgZn2, nukleuje a blokuje pohyb dislokace, což způsobuje nárůst síly. Kompromis-je klasický: přes-starší tempera T7 obětuje asi 10 % maximální pevnosti, aby získala výrazně lepší odolnost vůči praskání v důsledku namáhání-korozí, jako u AA7075-T7351.
| Krok | Typický stav | Účel |
|---|---|---|
| Přirozené stárnutí | Pokojová teplota, až 24 hodin | Tvoří koherentní zóny GP |
| Léčba roztokem | 475 stupňů, 2 h | Rozpouští rozpustné fáze |
| Uhasit | Studená voda | Zachovává přesycený pevný roztok |
| Umělé stárnutí | 120 stupňů, 24 hodin | Sráží jemné η' (MgZn2) |
| Nadměrné{0}}stárnutí | Stav T7 | Vyměňuje špičkovou pevnost za odolnost proti korozi |
Specifikace materiálů pro letectví a kosmonautiku běžně stanovují minimální rovinnou-deformační lomovou houževnatost nad 28 MPa·m1/2pro tlusté křídlové-sekce nosníků ve vysoko{1}}pevnostních deskách 7xxx, jako je AA7150-T7751. Lomová houževnatost je měřena postupy ASTM B645, takže pevnost a odolnost vůči poškození mohou být hodnoceny za srovnatelných podmínek.
Mikroslitina Scandium, zjemnění zrna a svařitelnost
Přidáním přibližně 0,2 % skandia do hliníkové slitiny se transformuje struktura zrn v odlévaném stavu a zmenší se velikost zrna ze zhruba 500 μm na přibližně 10 μm. Mechanismem je vznik koherentního Al3Sc nanoprecipitáty, typicky o velikosti 3-5 nm, které spojují jak dislokace, tak hranice zrn a odolávají rekrystalizaci i po vysokoteplotním zpracování.
Zisk vlastnosti je velký pro přídavek mikrolegování: u žíhaného Al-Mg-Sc materiálu se mez kluzu zvyšuje z přibližně 150 MPa na přibližně 350 MPa. Scandium také odstraňuje náchylnost k praskání za horka u svařitelných-slitin s vysokou pevností, jako je AA2219, a proto se pro velké kupole kryogenních palivových nádrží používají svařitelné varianty Al-Cu-Sc. Limitujícím faktorem byly vždy náklady a velké úsilí v oblasti vývoje nyní vynakládá na obnovu skandia z{11}}procesů a hlušiny z těžby, aby se přidání stalo ekonomickým u širší řady produktů.
Přídavky lithia a redukce hustoty
Každé 1 % lithia přidaného do hliníku snižuje hustotu asi o 3 % a zvyšuje tuhost, a proto jsou slitiny obsahující lithium- atraktivní pro struktury s kritickou hmotností- a pro kryogenní nádrže. Slitiny s přibližně 1,0 % Li, jako je řada 2195, nahradily 2219 v nádrži startovního-vozidla a přinesly značné úspory hmotnosti na vozidlo.
| Funkce | Detail |
|---|---|
| Fáze sraženiny | T1(Al2CuLi) |
| Praxe stárnutí | Duplex: 155 stupňů po dobu 32 hodin, poté 190 stupňů po dobu 24 hodin |
| Čistota taveniny | Vakuové obloukové přetavení pro udržení kyslíku pod 10 ppm |
| Použití draku letadla | AA2099-T86 deska a plachta pro pláště trupu |
| Obrábění | Kvůli reaktivitě lithia potřebuje chladicí kapaliny na bázi minerálního-oleje- |
Léčba duplexního stárnutí existuje, protože T1precipitace je pomalá a musí se nukleovat při nižší teplotě, než v kroku s vyšší teplotou{0}}vyroste plát{1}}jako sraženiny, které dodávají slitině rovnováhu pevnosti a houževnatosti. Čisté tavení je stejně důležité, protože lithium snadno oxiduje a oxidové inkluze působí jako iniciátory trhlin.
Bake Hardening v řadě 6xxx
Automobilové panely karoserie používají Al-Mg-Si plech ve stavu T4P, tvarovaný a poté zesílený v lakovně. Mg2Si'' jehličky, přibližně 2 x 5 nm, se vysrážejí během cyklu vypalování-barvy, typicky 185 stupňů po dobu 20 minut, čímž se zvyšuje mez kluzu tam, kde je panel již vytvořen.
AA6016-Plech T4P dosahuje zhruba o 20 % vyšší pevnosti po-vypálení než referenční dvoufázová ocel, jako je DP780.
Přilnavost elektropovlaku závisí na udržování poměru železa-k{1}}křemíku nad přibližně 1,5:1, aby chemie povrchu zůstala konzistentní po celou dobu předúpravy.
Nárazový výkon měřený jako absorpce energie dosahuje asi 15 kJ/kg oproti zhruba 8 kJ/kg u srovnatelných ocelových profilů.
Velké jednodílné odlitky podvozku a konstrukční panely ze slitin 6xxx z 6xxx používají stejnou cestu vytvrzování-, takže tvarovatelnost v lisu a pevnost v provozu jsou odděleny.
Rychlé tuhnutí a vysokoteplotní{0}}slitiny
Konvenční lité hliníkové slitiny ztrácejí pevnost nad asi 150 stupni, protože jejich zpevnění způsobuje hrubnutí. Rychlé tuhnutí tuto hranici překonává vytvořením jemné disperze tepelně stabilních částic. Nanášením rozprašováním se například vyrábí slitina Al-8,5Fe-1,3V-1,7Si, která stále dosahuje pevnosti asi 400 MPa při 300 stupních, podporovaná disperzoidní populací nad 1017/m350 nm Al12(Fe,V)3Částice Si, které odolávají zhrubnutí.
Aditivní výroba rozšiřuje stejnou myšlenku na složité tvary. Selektivní laserové tavení se používá k výrobě kol turbodmychadel a brzdových třmenů AlSi10Mg s jemnou, přesycenou buněčnou strukturou a dobrou rozměrovou volností, zatímco slitiny Al-Ce-Mg vyvinuté pro kompresorové sekce odolávají provozním teplotám kolem 250 stupňů bez ztráty rozptylu. Pro designéry je praktickým poselstvím, že vývoj slitin již není pouze záležitostí přidávání prvků do taveniny; cesta prášku, rychlost tuhnutí a tepelné zpracování jsou nyní stejně výkonné páky.
Často kladené otázky
Otázka: Co je precipitační vytvrzování v hliníkových slitinách?
Je zpevněna jemně rozptýlenými částicemi, které vznikají při stárnutí. Rozpuštěná látka je držena v přesyceném roztoku zhášením, poté se vysráží jako GP zóny a metastabilní fáze, které brání pohybu dislokace.
Otázka: Proč používat temperament T7 místo vrcholného-staršího T6?
Přes-stárnutí T7 poskytuje přibližně 10 % maximální pevnosti, ale výrazně zlepšuje odolnost-koroznímu praskání a rozměrovou stabilitu, což je důležité pro tlusté profily při trvalém zatížení.
Otázka: Kolik skandia je potřeba ke zjemnění struktury zrna?
Asi 0,2 % obvykle stačí ke zmenšení-velikost zrna odlitku ze zhruba 500 μm na asi 10 μm přes Al3Sc nanoprecipitáty 3-5 nm.
Otázka: Proč slitiny obsahující lithium-stárnou ve dvou fázích?
T1(Al2CuLi) je precipitace pomalá, takže duplexní stárnutí při 155 stupních a poté 190 stupních nejprve nukleuje fázi a poté ji zvětší na velikost, která poskytuje nejlepší pevnost a houževnatost.
Otázka: Co omezuje vypalování-tvrzeného plechu 6xxx v panelech karoserie?
Tvařitelnost v lisu a stabilita povrchové chemie pro adhezi elektropovlak, což je důvod, proč je poměr železa-k{1}}křemíku řízen nad přibližně 1,5:1.
Otázka: Který mechanismus umožňuje použití hliníku nad 250 stupňů?
Rychlé zpracování tuhnutí. Vytváří hustou disperzi stabilních částic, jako je Al12(Fe,V)3Si, který odolává hrubnutí při zvýšené teplotě.
