Свойства цветных металлов, применяемых в криогенной технике. Вып 1. Алюминий, титан и их сплавы:

Степанов Г. А, Фаткина А. М., Толкачева О А

НПО Криогенмаш , 1982 г.

ТРЕБОВАНИЯ К МЕТАЛЛАМ КРИОГЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Остановимся кратко на специфических требованиях, которые предъявляются к металлу криогенных конструкций. Прежде всего это — удовлетворительная пластичность и вязкость при низких температурах.

Известно, что с понижением температуры материалы становятся менее пластичными, а многие из них — хрупкими. Поглощение энергии в случае образования трещин в пластичном материале значительно большее, чем в хрупком; способность материала к пластическому течению обеспечивает перераспределение напряжений, и при образовании трещин и развитии их до макроскопических размеров не возникает мгновенного взрывоподобного разрушения материала, поэтому он гораздо менее опасен для персонала, эксплуатирующего оборудование. Соответственно относительное удлинение и сужение — стандартные характеристики пластичности металлов — для материалов, применяемых в нагруженных конструкциях, работающих в условиях глубокого холода, должны быть достаточно высокими.

Для многих алюминиевых сплавов, как выяснилось в работе [10], относительное удлинение с понижением температур до 20 К повышается. Так, для сплава АМг5 относительное удлинение возрастает с 23 до 44% при понижении температуры от 293 до 77 К. хотя относительное сужение падает от 42 до 33%, т. е. рост пластичности происходит вследствие увеличения равномерного

удлинения. Аналогичные данные были получены и для других сплавов [И].

Наряду с хорошей пластичностью при статическом нагружении важна удовлетворительная вязкость при ударном приложении нагрузки. Как показали исследования, алюминиевые сплавы не имеют порога хладноломкости, характерного, например, для многих сплавов железа: ударная вязкость алюминиевых сплавов равномерно уменьшается с понижением температуры. Необходимо оговориться, что не следует проводить сравнения сталей и алюминиевых сплавов по значению ударной вязкости а, так как она является комплексной характеристикой, зависящей от пластичности и прочности при ударном нагружении.

ЛИТЕЙНЫЕ АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ

Наряду с деформируемыми сплавами в криогенной технике для изготовления деталей сложной конфигурации, главным образом корпусных деталей арматуры применяют литейные алюминиевые сплавы [9]. Разработано большое количество литейных сплавов |55], легированных кремнием, медью, магнием и другими элементами; наибольшее распространение получили алюминиевые сплавы с содержанием кремния 6—13%.

Отливки получают всеми известными способами; литье осуществляют песчаные формы, в кокиль, в выплавляемые модели; прогрессивным является литье под давлением. Способ изготовления отливки определяет свойства литого металла. Например, при переходе от литья в песчаные формы к литью в кокиль удается повысить предел усталости сплава системы алюминий—кремний— магний примерно вдвое. В меньшей степени при таком переходе повышаются временное сопротивление, предел текучести и относительное удлинение (примерно на 10—30%).

Силумин АЛ2 (ГОСТ 2685—75), обладающий высокими литейными свойствами, имеет невысокую прочность (временное сопротивление <^>14 кгс/мм2), что позволяет применять его лишь для деталей, несущих относительно невысокую нагрузку при температурах до 77 К; он имеет высокую жидкотекучесть, минимальную литейную усадку, не склонен к образованию горячих трещин в отливках. Сплав герметичен, мало восприимчив к термической обработке; обрабатываемость резанием пониженная; хорошо сваривается газовой и аргонодуговой сваркой с применением присадочной проволоки . Повышение прочности достигается легированием сплавов магнием в количестве 0,2—0,4% при обязательной термической обработке — закалке с последующим старением, что обеспечивает временное сопротивление до 23 кгс/мм2 (сплав АЛ9); сплавы склонны к газовой пористости. Введение титана в сплавы этого типа в количестве до 0,15% позволяет повысить временное сопротивление до 30 кгс/мм2 (сплав АЛ9-1). Дальнейшее повышение прочности достигается легированием бериллием в количестве 0,15—0,4% (сплав АЛ34), что одновременно обеспечивает получение мелкозернистой структуры отливок. С понижением температуры до 77 К временное сопротивление увеличивается до 39 кгс/мм2, относительное же удлинение, будучи невысоким (2,5%), практически не изменяется. Высокая герметичность отливок, характерная для сплавов этого класса, позволяет применять их в конструкциях, работающих под высоким давлением (до 30 МПа).

Сплавы типов АЛ9-1 и АЛ34 удовлетворительно свариваются с деформируемыми термически неупрочняемыми сплавами АМцС и АМг5 [61] при использовании присадочных проволок СвАК5 (кремний 4,5 — 6,0%, титан 0,1 — 0,2%) и СвАМг5 соответственно. При комнатной температуре в случае сварки с АМц5С разрушение происходит по последнему; при 77 К разрушение происходит по сварному шву со стороны литейных сплавов. В сварном соединении литейного сплава со сплавом АМг5 минимальной прочностью обладает зона сплавления со стороны литейного сплава независимо от температуры испытания.

Сплавы на основе титана в последнее время находят все более широкое применение в криогенной технике в связи с тем, что они обладают малыми удельным весом, теплопроводностью и теплоемкостью, высокими удельной прочностью и пластичностью в широком температурном интервале, удовлетворительной свариваемостью и достаточной коррозионной стойкостью в различных агрессивных средах. Удельная прочность титановых сплавов выше, чем у наиболее широко применяемых при отрицательных температурах аустенитных сталей.

Об изменении механических свойств различных титановых сплавов при низких температурах в литературе имеются сведения, однако нет систематизированных данных. Одним из основных требований, предъявляемых к материалам, применяемым в криогенном машиностроении, является сохранение высокой вязкости при глубоком охлаждении. Поэтому в данном обзоре освещены в основном низкотемпературные прочностные и пластические свойства ряда титановых сплавов, нашедших широкое применение в производстве криогенных конструкций.

ДВУХФАЗНЫЕ ТИТАНОВЫЕ СПЛАЗЫ

Сплавы марок ВТ6c, ВТ14, ВТ15, ВТ16, ВТ22 системы Ti—A1—V содержат значительное количество элементов, стабилизирующих р-фазу, и могут подвергаться эффективной упрочняющей термической обработке (закалке и старению). Химический состав и механические свойства сплавов при температурах 300 — 4 К приведены соответственно в табл. 15 и 16.

Сплав ВТ6с — аналог широко применяемого до температуры 4 К зарубежного титанового сплава марки ELI (Ti—6А1—4V) повышенной чистоты [76—79]. Сплав ВТ6с в отечественной практике используют для производства емкостей высокого давления, работающих как при высоких (до 1023 К), так и при низких (4 К) температурах. Он удовлетворительно сваривается всеми видами сварки, применяемыми для титана. пластичность сварного соединения близка к пластичности основного металла [80].