Труды КНЦ вып.9 (ХИМИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ вып. 1/2018(9) часть 1)

A b stra c t The synthesis basics of aluminum-scandium, aluminum-yttrium, aluminum-zirconium and aluminum- hafnium alloys are discussed. P resented system s of fluoride-chloride salts are suitable for high- temperature exchange p rocesses for aluminum alloys. Experimental studies for development of manufacturing technology-enriched alloys of Al-Me has been carried out. Enrichment of scandium alloy surface and the slow dissolution of IMS in the volume were shown. The possibility of getting rich of ligatures when using sludge and centrifugation standard (Al-2 % Sc) alloys has been confirmed. Keyw o rds : aluminium, scandium, yttrium, zirconium, hafnium, alloys, state diagrams o f salt systems, methods o f producing alloys. Потребность промышленности, в первую очередь наиболее высокотехнологичных ее отраслей, в скандии, иттрии, цирконии, гафнии, лантаноидах в настоящее время велика как никогда и продолжает возрастать. Применение редких и рассеянных металлов для легирования алюминий-магниевых, алюминий-литиевых и других сплавов резко улучшает эксплуатационные свойства изделий [1]. Например, трубы для нефтегазового комплекса из таких сплавов обладают повышенной коррозионной стойкостью и прочностью по сравнению со стальными трубами (табл. 1). Таблица 1 Сравнительные характеристики труб из стали и скандийсодержащего сплава Наименование Количество, шт/км Вес, т/шт. Стоимость, долл. США/т Стоимость, долл. США /км Труба из A l-S c сплава 1570 96 6 8 500 5 1 000 Труба СС-90073 (Япония) 96 16,8 3 680 -10 000 6 1 824 -168 000 Введение скандия (~ 0,2 %) в алюминий-магниевые сплавы придает деформируемым сплавам высокую прочность, свариваемость, коррозионно- и виброустойчивость. В изделиях ракетной техники широко применены сплавы на алюминиевой ( 14 2 1, 1570) и магниевой (ВМ Д -10 ) основе, легированные скандием и цирконием (ГРЦ им. акад. В. П. Макеева). Модифицирующий эффект обусловлен уменьшением размера зерен и созданием сильнейшего антирекристаллизационного эффекта. Исчезает рекристаллизация при нагреве до температур сверпластичной деформации (500-550 °С). В авиаракетно-космической технике применение алюминиево­ скандиевых сплавов позволило перейти на сварные конструкции ракет и самолетов. В сварном варианте самолет МИГ- 29М весит на 20 % меньше своего обычного собрата, изготовленного из традиционных алюминиевых сплавов, что позволило авиастроителям обойтись без герметиков и многих сотен тысяч заклепок. Благодаря существенной экономии в весе МИГ-29М имеет большую скорость и дальность полетов, он более маневрен и мобилен. Иттрий является ценным легирующим компонентом, улучшающим механические свойства и повышающим жаростойкость металлов и сплавов. Так, использование лигатуры АлКаИт (алюминий-кальций- иттрий) для производства проводов линий электропередач за счет одновременного повышения прочности и снижения электросопротивления позволяет в значительной мере заменить медь алюминием в проводниковых сплавах [2]. Добавка циркония приводит к значительному дисперсионному упрочнению за счет образования вторичных выделений метастабильной фазы A l3Zr. Это влияние аналогично скандию [3]. Введение 0,2 % Zr примерно эквивалентно 0 ,1 % Sc, таким образом для значительного упрочнения сплава содержание циркония должно составлять не менее 0,5 %. Однако введение циркония в алюминиевый сплав более затруднительно. Фазовая диаграмма системы A l — Zr показывает, что круто возрастающий ликвидус не позволяет насытить сплав цирконием. Температура синтеза лигатуры для полного растворения циркония в жидкой фазе должна быть выше 850 °С. Распад вторичных выделений метастабильной фазы A bZ r начинается ~ с 400 °С [3-5]. Аналогичным образом обстоит дело с введением гафния. На диаграмме состояния H f-A l рост линии ликвидуса не менее резкий, чем у циркония, при этом ощутимый модифицирующий эффект гафний проявляет при больших содержаниях (~ 2 %). Это также затрудняет приготовление лигатур и сплавов. Как ярко выраженный металл [6, 7], гафний оказывает рафинирующее воздействие на алюминиевые сплавы. При формировании наноразмерных зерен интенсивной пластической деформацией гафний очень эффективно измельчает зерно до 80 нм в двухкомпонентной (Al — 1 % Hf) системе и до 40 нм в четырехкомпонентной (Al — 1 % Hf — 0,2 % Ni — 0,2 % Sn). В присутствии гафния также отмечается увеличение микротвердости [8]. Экономически оправдано получение лигатур и сплавов методами электрохимического восстановления [9] и высокотемпературных обменных процессов, т. е. металлотермическим восстановлением соответствующих соединений скандия, иттрия, циркония и гафния в солевых расплавах [10]. Рассматриваемые в данной работе обменные реакции являются частным случаем алюминотермии, разработанной в 1859 г. русским ученым Н. Н. Бекетовым. Метод алюминотермии основан на том, что химически менее активные металлы при повышенных температурах восстанавливаются из своих соединений (классически из оксидов) алюминием. Получение сплавов этим методом при использовании более электроотрицательного алюминия предствляется суммарными уравнениями реакций: 444