Производство деталей из металлических порошков

Технологическая характеристика конструкционных материалов.

К материалам из которых изготовляются детали летательного аппарата предъявляются очень высокие требования в отношении статической прочности, коррозионной стойкости, жаропрочности, вибропрочности, а также требования, а также требования технологического характера - хорошая деформированность, свариваемость, обрабатываемость резанием и др. Большое влияние на выбор материала оказывает также его удельная прочность – это отношение предела прочности к удельному весу.

Стали

Стали-сплавы железа с углеродом (содержание до 2%) являются самыми распространенными промышленными сплавами.

Углеродистая сталь применяется для изготовления различных деталей машин и механизмов.

Углеродистые стали маркируются цифрами 05, 08, 10, 15, 20… 85, которые обозначают среднее содержание углерода в самых долях процента. Так, например, сталь 45 содержит 0,45%

Сталь конструкционная легированная дороже углеродистой стали, но обладает рядом важных преимуществ : болев высоким пределом текучести, возможностью управлять после закалки и отпуска прочности и пластическими свойствами, лучшей коррозионной стойкостью и износостойкостью.

Маркировка легированной стали включает в себя цифры и буквы, указывающие на химический состав стали. В начале маркировки приводятся двухзначные цифры, указывающие содержание углерода в сотых долях процента. Последующие буквы обозначают легирующие элементы: А-азот, Б-ниобий, В-вольфрам, Г-марганец, Д-медь, Е-селен, К-кобальт, Н-никель, М-молибден, П-фосфор, Р-бор, С-кремний, Т-титан, Ф-ванадий, Х-хром, Ц-цирконий, Ч-редкоземельные элементы, Ю-алюминий. Цифры (справка от букв) указывают содержание (в процентах) соответствующего элемента, причем, если содержание легирующего элемента менее 1,5%, то цифра отсутствует. Высококачественные стали обозначают буквой А в конце маркировки, особо высококачественные – буквой Ш. Опытные стали обозначают буквами ЭИ или ЭП с порядковым номером разработки.

Стали Х18Н9Т и ЭИ654 обладают антикоррозиционными свойствами и применяются для трубопроводов и деталей, работающих в условиях агрессивных сред.

При аэродинамическом нагреве свыше 700 °С применяют специальные стали типа СН и ВНС. Стали СН+2, СН+3, СН+4, ВНС2, ВНС5 в результате сложной термической обработки получают прочность _в= 150 кгс/мм² (1500 МПа). Формообразование этих сталей производится с использованием высоких скоростей и энергий или с предварительным нагревом заготовки.

Алюминиевые сплавы

По применяемости материалов в различных конструкциях летательных аппаратов более 50% приходится на алюминиевые сплавы. Широкое применение алюминиевых сплавов обуславливается небольшой плотностью алюминия 2,7 г/см³ и сравнительно высокой прочностью его сплавов 𝝈_в=q₀ 550 МПа (55 кгс/мм² ).

Группа дуралюминов. Рассмотрим характеристики наиболее широко применяемых марок сплавов. Сплав Д16 легирован медью (4%) и магнием (1,5%): упрочняется термической обработкой: в закаленном состоянии 𝝈_в=420-430 МПа, 𝝈_s=280-290 МПа, б не менее 11%. Поставляется в виде листов, прессованных профилей и труб. Листы покрыты тонким слоем чистого алюминия, который предохраняет основной металл от коррозии (плакированные листы). Плакирующий слой создается во время прокатки. Листы применяются для обшивок сплав при штамповке может быть подвергнут значительным деформациям оттоженном и свежезакаленном состоянии (2 часа с момента закалки), а в закаленном состоянии незначительным деформациям.

Прессованные профили и трубы поставляются в закаленном состоянии – Д16Т (Т-закаленный).

Листы как в закаленном Д16АТ(А-плакировка), так и отожженном –Д16АТН (Н – начертованный).

Высокопрочные сплавы (В95,В96). В закаленном состоянии 𝝈_в=500-530 МПа, 𝝈_s=410-420 МПа, б = 10% В отожженном и свежезакаленном состоянии сплавы обладают удовлетворительными пластическими свойствами. Возможность к пластическому деформированию сплавов в закаленном состоянии очень ограничены, что является большим технологическим недостатком их. Применяются для ответственных несущих (силовых) деталей планера.

Сплавы невысокой прочности (АД, АМЦ, и АМг).

Термически не упрочняемые, хорошо свариваются, коррозионо-стойкие.

АМг6 – алюминиево-магниевый сплав (6% магния) - 𝝈_в=320, 𝝈_s=160 МПа, б = 15%. В случае необходимости полуфабрикаты можно упрочнять холодным деформированием. Но во время сварки в зоне шва происходит отжиг и изделие получается неравнопрочным. Широко применяется для сварных баков, трубопроводов.

АМц – алюиминево-марганцовый сплав (1,5% марганца) является саамы пластичным из алюминиевых сплавов. Из него штампуются детали самых сложных форм. Но у сплава невысокие прочностные свойства 𝝈_в=120 МПа 𝝈_s=60 МПа, б = 20%. Начартовка увеличивает предел текучести, но резко снижает его пластические свойства.

Жаропрочные сплавы  АК4-1, Д20,Д21. АК4-1 в закаленном состоянии 𝝈_в=400 МПа. Сохраняет повышенные механические свойства до 300⁰C. Удовлетворительная пластичность б=11-12%. Сплав удовлетворительно обрабатывается резанием. Используется для изготовления обшивок и монолитных панелей.

Спекаемые сплавы САП, САС. САП-1-сплав спекаемый из алюминиевых порошков горячим прессованием. Включение в его состав окиси алюминия Al₂O₃ в количестве 6-9% повышает теплостойкость. Сплав термически неупрочняющийся. Поставляется в листах и прессованных полуфабрикатах. 𝝈_в=330-340 МПа, 𝝈_s=200 МПа, б = 4-5%. Применяется для деталей длительно работающих (холодное деформирование. Для упрочнения поверхности слоев деталей деформированием более широко применяются процессы обкатывания роликами и шариками, формирование (проталкивание через отверстие бочкообразного тела) и обработки дробью.

В результате пластической деформации поверхностных слоев изменяются размеры заготовки , шероховатость поверхности, повышается твердость, износостойкость, предел упругости, текучести и прочности с одновременным снижением показателей пластичности, а также повышается усталостная прочность.

Обработка дробь значительно увеличивает предел усталости деталей, подвергающихся переменному действию изгиба и кручения. Этим способом могут обрабатываться силовые детали сложной конфигурацией.

Сущность процесса – поверхность детали бомбардируется потоком дробинок, летящих с большой скоростью. После удара дробинки образуется микровмятина, т.е. происходит пластическая деформация, что вызывает упрочнение металла. При повышенных температурах. Пластические свойства ограничены. Изготовляются детали, заготовки которых подвергаются небольшим деформациям.

Титановые сплавы

Особенностью титановых сплавов – высокая прочность 𝝈_в=800-1200 МПа при небольшой плотности 4,5²/см³. Титановые сплавы обладают хорошей коррозионной стойкостью и повышенной жаропрочностью.

Технически чистый титан марок ВТ1 и ВТ2 имеет 𝝈_в=450-600. Обладает удовлетворительной пластичностью в холодном состоянии.

Титановые сплавы обладают низкой пластичностью, поэтому их штампуют при нагреве 500-900^оС. При этих температурах титан поглощает водород, что вызывает потерю пластических свойств и снижение ударной вязкости. Поэтому нагрев производят в среде нейтральных газов или вакууме. Это усложняет технологию штамповки.

Наиболее распространенные марки титановых сплавов, поставляемых в листах – ОТ4, ВТ4, ВТ5, ВТ14, ВТ15.

Титановые сплавы применяются для изготовления наружных обшивок и деталей каркаса. Основным видом соединения титановых сплавов является сварка.

Магниевые сплавы

    𝝈_в=210-300 МПа, 𝝈_s=120-200 МПа, б = 7-14%. Малая плотность 1,8^г/см³ и привлекает внимание к магниевым сплавам.

Магнитные сплавы применяются для малонагруженных элементов конструкции летательного аппарата. Ограничивает применение магниевых сплавов и их пониженная коррозионная стойкость.

Наиболее распространенные марки магниевых сплавов, поставляемых в листах – МА1, МА8; в виде прессованных профилей ВМ65-1.

В холодном состоянии магниевые сплавы недостаточно пластичны. Обрабатываются при нагреве до 240-270^оС, при которой приобретают хорошие пластические свойства.

Литейные материалы.

Основными литейными материалами являются: алюминиевые сплавы АЛ9, АЛ19, ВАЛ-1; магниевые сплавы: МЛ5, МЛ8; титановые сплавы; титановые сплавы ВТ5Л, ВТ21Л; стали 35ХГСЛ, ВНЛ-3. Детали, полученные из отливок отличаются меньшей себестоимостью, но и меньшей прочностью. Из литых заготовок изготавливают в основном детали каркаса и крупногабаритные панели (в небольшом количестве).

Композиционные материалы.

Они состоят из химически разнородных компонентов, образующих монолит. Упрочнители – волокна различных материалов; связующие (матрица) – это полимеры или металлы.

Для армирования полимеров используются стеклянные, углеродные, борные и органические волокна. Для армирования металлов используют борные, углеродные, борные и органические волокна. Для армирования металлов используют борные, углеродные волокна, проволку из стали, вольфрамовых и молибденовых сплавов, а также нитевидные кристаллы из керамических материалов.

Комбинированием различных типов армирующих и матричных материалов можно добиться создание конструкций с заданными свойствами (прочность, жесткость, радиопрозрачность, радиопоглащение, теплостойкость, коррозиостойкость, химическая стойкость и др.). Создание композиционных материалов - дорогостоящее мероприятие.

Достоинства КМ. Превосходят традиционные конструкционные материала по удельной прочности в 3-6 раз, по удельной жесткости в 3-5 раз; при использовании материала КМ материалоемкость снижается в 1,6-3,5 раза, трудоемкость изготовления в 1,5-3 раза, энергоемкость в 2-10 раз, увеличение КИМ до 80-90%, сокращение технологического цикла в 1,2-3 раза. К 2030г до 50% всех средств на конструкционные материалы будет расходоваться на полимеры и КМ.

Производство деталей из металлических порошков