Алюминиево-медные сплавы ( AlCu ) — это алюминиевые сплавы , которые состоят в основном из алюминия (Al) и небольшого количества меди (Cu) в качестве основных легирующих элементов . Важные марки содержат также добавки магния и кремния ( AlCu(Mg,Si) ), часто для повышения прочности включают и марганец (см. Алюминий-марганцевые сплавы ). Основная область применения – авиастроение. Сплавы имеют среднюю и высокую прочность и могут подвергаться старению . Оба они изготовлены из кованого сплава . Также доступен в виде литого сплава. Недостатками являются их подверженность коррозии и плохая свариваемость.
Дюралюминий является старейшей разновидностью этой группы и восходит к Альфреду Вильму , который открыл его в 1903 году. Алюминий мог использоваться в качестве широко распространенного строительного материала только благодаря алюминиево-медным сплавам, поскольку чистый алюминий слишком мягок для этого и других материалов. закаливаемые сплавы, такие как сплавы алюминия, магния и кремния (AlMgSi) или естественно твердые (незакаливаемые) сплавы.
Сплавы алюминия и меди были стандартизированы в серии 2000 года Международной системой обозначения сплавов (IADS), которая была первоначально создана в 1970 году Алюминиевой ассоциацией . Серия 2000-х включает сплавы 2014 и 2024 годов , используемые при изготовлении планера.
Дюралюминий — торговое название одного из первых типов алюминиевых сплавов , упрочняемых старением . Этот термин представляет собой комбинацию слов Дюренера и алюминия . Его использование в качестве торгового названия устарело. Дюралюминий был разработан немецким металлургом Альфредом Вильмом в компании Dürener Metallwerke AG . В 1903 году Вильм обнаружил, что после закалки алюминиевый сплав , содержащий 4% меди, затвердевает, если его оставить при комнатной температуре на несколько дней. Дальнейшие усовершенствования привели к появлению дюралюминия в 1909 году. [1] Это название в основном используется в популярной науке для описания всех систем сплавов Al-Cu.
Сплавы алюминия и меди были стандартизированы в серии 2000 года Международной системой обозначения сплавов (IADS), которая была первоначально создана в 1970 году Алюминиевой ассоциацией . Серия 2000-х включает сплавы 2014 и 2024 годов , используемые при изготовлении планера.
Все сплавы AlCu созданы на основе системы чистых сплавов AlCu. [2]
Алюминий образует эвтектику с медью при 547 °C и 33 массовых процентах меди, что также соответствует максимальной растворимости. При более низких температурах растворимость резко падает; при комнатной температуре оно составляет всего 0,1%.
При более высоких содержаниях меди образуется интерметаллическая фаза Al 2 Cu . Он присутствует в тетрагональной структуре, которая настолько отличается от кубической кристаллической системы алюминия, что -фаза существует только как некогерентная фаза . Существуют также частично когерентные - и -фазы. [2]
После отливки материал обычно перенасыщен — смешанный кристалл, который к тому же содержит больше меди при комнатной температуре, чем реально могло бы раствориться при этой температуре.
Отдельные температурные диапазоны перекрываются: даже при низких температурах происходит образование фаз - или , но они образуются гораздо медленнее, чем зоны GP(I/II). Каждая из фаз образуется тем быстрее, чем выше температура. [3] [4]
Образование зон GP(I) называется естественным упрочнением и происходит при температуре до 80 °С. Это крошечные дискообразные слои толщиной всего в один атом и диаметром от 2 до 5 нанометров. Со временем количество зон увеличивается и в них увеличивается концентрация меди, но не их диаметр. Они когерентны с решеткой алюминия и формируются на плоскостях {100}. [5] [6]
Зоны GP(II) ( -фазы) в значительной степени ответственны за повышение прочности сплавов AlCu. [5] Они связаны с кристаллом алюминия и состоят из чередующихся слоев алюминия и меди с толщиной слоя около 10 нанометров и размерами до 150 нанометров. В отличие от зон ГП(I) это трехмерные выпадения. Их слои параллельны плоскости {100} алюминия. Из -фазы образуются -фазы, но есть и перекрытия.
Зонам GP(II) для роста необходимы вакансии , поэтому их недостаток (например, из-за магния) приводит к задержке роста. [5] [7]
-фаза лишь частично когерентна с решеткой алюминия и образуется при температуре от 150 до 300 °С. Он имеет форму тромбоцитов и может возникать из зон ГП(II). Однако он может возникнуть и непосредственно в виде осаждения из смешанного кристалла. В первом случае возрастающая межфазная энергия снижается за счет дислокаций , во втором случае выделения образуются преимущественно на дислокациях. [8] [9]
-фаза некогерентна с решеткой смешанного кристалла. Образуется при температуре 300 °С и более. Обычно она образует более крупные частицы с большим расстоянием между ними, чем другие фазы, и поэтому не приводит к какому-либо увеличению прочности или даже к ее падению, если ее образование происходит за счет других фаз. -фаза также возникает при температурах от 150°C до 250°C в виде осаждения на границах зерен , поскольку это снижает межфазную энергию .
-фаза приводит к частичному межзеренному разрушению; однако поведение разрушения в целом остается пластичным. Изменение характера разрушения вызвано появлением свободных от выделений зон на границах зерен.
-фаза имеет большую разность потенциалов по сравнению со смешанным кристаллом, поэтому может возникнуть послойная и межкристаллитная коррозия . При более длительном отжиге внутренняя часть зерен также разделяет -фазы, и разность потенциалов снижается. [10]
Как и почти все алюминиевые сплавы, различают деформируемые сплавы прокатки и ковки и литые сплавы для литья .
дляСодержание меди обычно составляет от 3 до 6%. При содержании от 0,3% до 6% они считаются несвариваемыми или очень трудносвариваемыми ( сваркой плавлением ), при более высоком содержании меди они пригодны для сварки. Большинство типов также содержат добавки магния , марганца и кремния для повышения прочности. Свинец и висмут образуют мелкие включения, которые плавятся при низких температурах, что приводит к лучшему образованию стружки , аналогично автоматной стали . Жаростойкость повышается за счет добавления никеля и железа . [11]
Железо, содержащееся в качестве примеси в конструкционных сплавах, предотвращает деформационное упрочнение . Добавление магния снова делает это возможным. Большие количества магния до 1,5% увеличивают прочность и удлинение при разрыве (см. Алюминиево-магниевый сплав ). Марганец также используется для повышения прочности (см. AlMn). Однако большие количества имеют отрицательные побочные эффекты, поэтому содержание ограничивается примерно 1% Mn. Меньшие добавки кремния добавляются для связывания железа, так как оно предпочитает образовывать фазу AlFeSi, а образование Al 7 Cu 2 Fe приведет к удалению большего количества меди из материала, что тогда уже не приводит к образованию фаз, которые действительно желаемые (особенно Al 2 Cu, алюминид меди [12] ) присутствуют. Большие количества кремния легируются с образованием магния Mg 2 Si ( силицида магния ), который, как и сплав алюминия, магния и кремния , улучшает прочность и прокаливаемость. [13]
Литий добавляется в некоторые сплавы в количестве от 1,5% до 2,5%. Благодаря очень низкой плотности лития (0,53 г/см³ по сравнению с 2,7 г/см³ алюминия) это приводит к более легким компонентам, что особенно выгодно в авиации. Подробнее см. в разделе «Алюминий-литиевый сплав» .
Литые сплавы содержат около 4% меди и небольшое количество других добавок, улучшающих литейные качества, в том числе титана и магния. Исходным материалом является первичный алюминий; В отличие от других литейных алюминиевых сплавов, вторичный алюминий (полученный из лома) не используется, поскольку он снижает удлинение при разрыве и ударную вязкость. Литые сплавы AlCu склонны к горячему растрескиванию и используются в состояниях закалки Т4 и Т6. [14]
В следующей таблице показан состав некоторых марок согласно DIN EN 1706. Все данные указаны в процентах по массе, остальное — алюминий. [15]
Сплавы AlCuMg представляют собой наиболее важную группу сплавов AlCu. В них может образовываться множество других фаз: [16] [17]
Добавки магния ускоряют холодное затвердевание. Какие именно фазы образуются, зависит прежде всего от соотношения меди и магния. Если соотношение меньше 1/1, кластеры, содержащие Cu и Mg, удаляются. При соотношении выше 1,5/1, что характерно для большинства конструкционных сплавов, образуется преимущественно фаза. Эти сплавы имеют значительно более высокую твердость и прочность.
Условия:
Серия 2000 раньше называлась дюралюминием .
Алюминиево-медные сплавы применяются в основном в авиастроении альклад -дюралюминием. Материалы Alclad и по сей день широко используются в авиационной промышленности. [31] [32] Сплавы обрабатываются прокаткой, ковкой, экструзией и частично литьем. [33] Типичные области применения деформируемых сплавов Al-Cu включают: [34]
, где их низкая коррозионная стойкость играет второстепенную роль. Коррозионная стойкость может быть значительно повышена за счет металлургического соединения поверхностного слоя алюминия высокой чистоты, называемогоНемецкая научная литература открыто публиковала информацию о дюралюминии, его составе и термической обработке до начала Первой мировой войны в 1914 году. Несмотря на это, сплав использовался за пределами Германии только после окончания боевых действий в 1918 году. Сообщения об использовании немцами во время мировой войны Первая война, даже в технических журналах, таких как Flight , все еще могла ошибочно идентифицировать ее ключевой легирующий компонент как магний, а не медь. [37] Инженеры в Великобритании не проявляли особого интереса к дюралюминию до окончания войны. [38]
Самая ранняя известная попытка использовать дюралюминий для конструкции самолета тяжелее воздуха произошла в 1916 году, когда Хьюго Юнкерс впервые представил его использование в планере Юнкерса J 3 , одномоторного моноплана «демонстратора технологий», ознаменовавшего первое использование дюралюминия. дюралюминиевой гофрированной обшивки торговой марки Юнкерс. Компания Юнкерс завершила только крытые крылья и трубчатый каркас фюзеляжа J 3, прежде чем отказалась от его разработки . Чуть более поздний бронированный полутораплан Junkers JI 1917 года, получивший исключительное обозначение IdFlieg , известный на заводе как Junkers J 4, имел цельнометаллические крылья и горизонтальный стабилизатор, изготовленные так же, как крылья J 3, как и экспериментальный самолет. и годный к полетам полностью дюралюминиевый одноместный истребитель Junkers J 7 , который привел к созданию истребителя-моноплана с низкорасположенным крылом Junkers DI , представившего в 1918 году в немецкой военной авиации технологию полностью дюралюминиевых авиационных конструкций .
Его первое использование в аэростатических планерах произошло в жестких каркасах дирижаблей , в конечном итоге включая все модели эпохи «Великих дирижаблей» 1920-х и 1930-х годов: британский R-100, немецкие пассажирские цеппелины LZ 127 Graf Zeppelin , LZ 129 Hindenburg , LZ 130 Graf Zeppelin II , а также дирижабли ВМС США USS Los Angeles (ZR-3, ex-LZ 126) , USS Akron (ZRS-4) и USS Macon (ZRS-5) . [39] [40]
Серия 2000 когда-то была наиболее распространенными сплавами в аэрокосмической отрасли, но поскольку они были подвержены коррозионному растрескиванию под напряжением , в новых конструкциях их все чаще заменяют серией 7000 .
Дюралюминий использовался для производства компонентов и рам велосипедов с 1930-х по 1990-е годы. Несколько компаний в Сент-Этьене, Франция, отличились своим ранним новаторским внедрением дюралюминия: в 1932 году Verot et Perrin разработали первые шатуны из легкого сплава; в 1934 году Хаубтманн выпустил полную систему шатунов; с 1935 года дюралюминиевые обгонные колеса, переключатели , педали, тормоза и рули производились несколькими компаниями.
Вскоре последовали полные наборы рам, в том числе произведенные: Mercier (а также Aviac и другими лицензиатами) с их популярным семейством моделей Meca Dural, братьями Пелисье и их достойными гонок моделями La Perle, а также Николя Барра и его изысканными моделями середины двадцатого века». Барралум». Здесь также упоминаются другие имена: Пьер Каминад с его прекрасными творениями Caminargent и их экзотическими восьмиугольными трубками, а также Gnome et Rhône с ее глубоким наследием в качестве производителя авиационных двигателей, который после мировой войны также диверсифицировал производство мотоциклов, веломоторов и велосипедов. Два.
Компания Mitsubishi Heavy Industries , которой было запрещено производить самолеты во время американской оккупации Японии, в 1946 году изготовила «крестовый» велосипед из излишков военного времени дюралюминия. «Кросс» был спроектирован Киро Хондзё , бывшим авиаконструктором, ответственным за Mitsubishi G4M. . [41]
Использование дюралюминия в производстве велосипедов прекратилось в 1970-х и 1980-х годах. Тем не менее , Vitus (велосипедная компания) в 1979 году выпустила почтенную раму «979», модель «Duralinox», которая мгновенно стала классикой среди велосипедистов. Vitus 979 был первым серийным алюминиевым рамным комплектом, в котором тонкостенные трубки 5083/5086 были скользящими, а затем склеены с помощью сухой термоактивируемой эпоксидной смолы. В результате получился чрезвычайно легкий, но очень прочный каркас. Производство Vitus 979 продолжалось до 1992 года. [42]
Дюралюминий использовался для производства компонентов и рам велосипедов с 1930-х по 1990-е годы.