Розглянуто застосування методу надлишкового тиску при кристалізації для створення високоміцних та жароміцних ливарних алюмінієвих сплавів на основі системи Al–Cu. У роботі досліджено мікролегований високоміцний авіаційний сплав марки АМ4.5Кд (ВАЛ10), отриманий з використанням додаткового тиску на розплав при кристалізації. Розвинуто технологію отримання виливок з метою мінімізації формування технологічних дефектів лиття. Досліджено фазовий склад, та особливості структури ливарного сплаву в залежності від умов кристалізації. Визначено рівень фізико-механічних властивостей сплаву та розглянуто механізм його руйнування. Легування сплавів системи Al–Cu дозволяє реалізувати одночасну дію твердорозчинного та дисперсійного механізмів зміцнення, забезпечити високі значення пластичності та жароміцності.

Для приготування сплаву АМ4,5Кд (ВАЛ10) використовували наступні вихідні шихтові матеріали:

– високочистий алюміній марки A99 (1199 alloy),

– лігатуру AlCu (50 % Cu),

– лігатуру AlCd,

– лігатуру AlTiB.

Оскільки механічні властивості високоміцних сплавів на основі системи Al-Cu дуже чутливі до шкідливих домішок, використання високоякісних шихтових матеріалів є обов’язковим.

Плавлення шихтових матеріалів проводили у керамічному тиглі марки BU 50 Stabil (Noltina/Morgam, Germany) ємністю 50 кг за алюмінієм. В роботі було використано піч електроопору, що дозволило точно підтримувати задану температуру на всіх етапах плавлення та технологічної обробки розплаву перед литтям [1-4]. Також це дозволило отримати мінімальне газонасичення розплаву. Основні етапи технологічної обробки розплаву перед литтям складалися з рафінування, дегазації розплаву та введення спеціальної лігатури. Рафінування розплаву здійснювали за допомогою введення в розплав спеціального покривально-рафінуючого гранульованого флюсу на основі хлоридів, карбонатів та фторидів. Було використано флюс марки Elimoxal KF28/GF (Aluminium Martigny France, Франція) в загальній кількості 0,2 % від маси шихтових матеріалів. Флюс вводили двома етапами для максимальної ефективності рафінування розплаву. На першому етапі флюс вводили разом із шихтовими матеріалами на дзеркало розплаву. На другому етапі після розплавлення всіх шихтових матеріалів флюс вводили під дзеркало розплаву за допомогою спеціального інструменту - занурюваного «дзвіночка». Тривалість рафінування складала 2-3 хвилини.

Дегазацію розплаву для зменшення вмісту розчиненого в алюмінієвому розплаві водню проводили введенням спеціального таблетованого флюсу марки Desydral N71P (Aluminium Martigny France, Франція) в кількості 0,1 % від маси розплаву. Таблетований флюс вводили в розплав за допомогою занурюваного «дзвіночка». За хімічною реакцією виділявся чистий азот та відбувався процес барботації розплаву. Тривалість дегазації складала 3 хвилини.

Введення лігатури проводили з метою подрібнення зерен матеріалу виливки для гомогенізації структури та підвищення механічних характеристик. У теперішній час одним із найбільш ефективних способів зменшення розміру зерен є введення в розплав лігатури AlTiB (5 % Ti, 1 % B, решта алюміній). Використовували лігатуру AlTiB (KBM Master Alloys B.V., Нідерланди) у формі стрижнів діаметром 9,5 мм у кількості 0,1 % від маси розплаву. Формування додаткових центрів кристалізації в розплаві відбувалось вже на 2 хвилину після введення лігатури.

Після проведення всіх вищенаведених технологічних операцій та видалення шлаку з поверхні розплаву відбувався процес лиття. Для цього використовували металеву форму (кокіль), покриту антипригарним покриттям Vernifond (Fondermat, Італія).

Сплав марки АМ4,5Кд (ВАЛ10) має високі механічні властивості (високу міцність та високу пластичність), тому широко застосовується для виробництва високонавантажених частин літаків, безпілотних літальних апаратів та ракет. Разом з тим, сплави цієї групи мають наступні недоліки: низькі ливарні властивості (низьку текучість розплаву, схильність до ліквацій і т.п.); схильність до утворення гарячих тріщин через значну усадку розплаву при кристалізації.

Для вирішення проблем отримання литих виробів з мінімальними технологічними дефектами та з найкращим комплексом механічних властивостей було розроблено та використано технологію лиття зі сплаву АМ4,5Кд (ВАЛ10) в сталеву форму (кокіль) під надлишковим тиском. Розробниками цієї технології є             SA-Foundry sp. z.o.o., Польща та Aerolux, Україна. Розроблена технологія базується на трьох основних елементах (рис. 1):

1. Ламінарне заповнення форми (кокіля) розплавом. Для реалізації ламінарного заповнення форми розплавом використовували кокільну нахильну (поворотну) машину. Нахил форми (кокілю) на кут 45-90^о перед заливанням з наступним повертанням форми у вихідну позицію із заданою постійною швидкістю дозволяє забезпечити ламінарне заповнення форми розплавом.

2. Створення умов для неперервного направленого руху фронту кристалізації розплаву. Геометрія, конструктивні особливості обладнання та використання спеціальних теплоізоляційних покриттів дозволили максимально розтягнути час кристалізації розплаву в частині форми (кокіля) - «riser/feeder». Це дозволило створити постійний градієнт температури в заданому напрямку при кристалізації виливки та забезпечити постійну присутність рідкої фази при затвердінні виливки.

3. Створення умов для кристалізації під зовнішнім надлишковим тиском.

Рисунок 1. Конструктивний вигляд серії деталей «прямі та кутові з'єднувальні конструктивні елементи», отримані при литті з надлишковим тиском в кокіль:

а - схема ливарної системи; б - прямі та кутові з'єднувальні конструктивні елементи для застосування в легкомоторних літаках та БПЛА для з'єднання вуглепластикових високонавантажених елементів конструкції; в - виливок «прямий з'єднувальний конструктивний елемент» без ливарної системи та після термічної обробки;

1, 2, 3 – зони виливка, з яких вирізали зразки серії 1, 2 і 3

Технологія лиття під надлишковим тиском порівняно із звичайним литвом дозволяє отримати відливки з мінімальними технологічними дефектами та високою газо-щільністю отриманих відливок [1-3]. Тиск на розплав складав 49 кПа (0,5 атм), який підтримували постійним протягом всього часу твердіння виливки. Вектор прикладання тиску співпадав з віссю симетрії «runner» («ливника»).

Всі виливки піддавали термічній обробці за режимом Т6 (ASTM B917):

– solution heat treatment (SHT) 530 ºС, витримка 3 години;

– швидке охолодження в воду;

– штучне старіння 165 ºС, витримка 8 годин.

У результаті застосування вищенаведеної технології лиття було отримано виливку з високими експлуатаційними характеристиками та мінімальною кількістю технологічних дефектів, незважаючи на її суттєву товщину (більше 10 мм). Технологічними та конструктивними засобами реалізовано ламінарне заповнення форми розплавом з метою мінімізації формування технологічних дефектів лиття. За цією технологією отримано відливку зі сплаву АМ4,5Кд (ВАЛ10) з високими експлуатаційними параметрами та мінімальною кількістю технологічних дефектів, незважаючи на суттєву товщину виливки.

Література:

1. А.Yu. Sezonenko, М.М. Petryshyn, А.А. Кolesnichenko, R.V. Lytvyn, І.V. Lukianenko, Ie.G. Byba, М.М. Yamshinskij, М.Yu. Barabash, Features of structure and properties of Al-Si-Cu alloy produced by pressure casting, Results in Materials. 21 (2024) 100539, https://doi.org/10.1016/j.rinma.2024.100539.

2. М. М. Petryshyn, А. Yu. Sezonenko, М. М. Yamshinskij, Ie. G. Byba, I. V. Lukianenko, D. S. Leonov, А. А. Kolesnichenko, R. V. Lytvyn, М. Yu. Barabash, Injection of Excess Pressure during the Crystallization Process on the Structure and Power of the Alloy of the Al-Si-Cu System for Aviation Technology, Metallophysics and Adv. Techn. 46(4) (2024) 325-341, https://doi.org/10.15407/mfint.46.04.0325.

3. А. Ю. Сезоненко, М. М. Ямшинський, Є. Г. Биба, І. В. Лук’яненко, Я. І. Євич, Д. С. Леонов, А. В. Мініцький, Р. В. Литвин, М. Ю. Барабаш Структура та властивості авіаційного мікролегованого сплаву системи Al–Cu, отриманого методом лиття під тиском Металофізика та новітні технології. 2025, т. 47, №10. – С. 1083-1099 https://doi.org/10.15407/mfint.47.10.1083.

4. Dmytro Ivanchenko, Mykhailo Yamshinskij, Treatment of An Aluminum Casting Alloy of the Al-Si-Cu-Mg System with Zirconium Entered from its Compounds, International Journal of Engineering Research & Technology. 10(10) (2021) 411-416, 0.17577/IJERTV10IS100024.