Изобретение относится к литейным сплавам на основе алюминия, которые могут использоваться в качестве конструкционного материала для эффективного применения их в конструкциях летательных аппаратов.
Аналогами предлагаемого изобретения являются: сплав на основе алюминия, содержащий, мас.%: бериллий -1,0; неодим - 0,005-0,1; алюминий - остальное [1] (патент РТ №TJ 323 от 30.03.2010 г. C22C21/00) и сплав на основе алюминия следующего состава: мас.%: галлий 0.005-3.5; магний 0.1-3.0 [2]. Указанные сплавы не отличаются высоким уровнем коррозионной устойчивости.
Прототипом заявляемого сплава является сплав на основе алюминия следующего состава, мас. %:
бериллий - 1,0;
празеодим - 0,005-0,1;
алюминий - остальное [3].
Однако известный сплав не обладает высоким уровнем коррозионной устойчивости, т.к. легирование сплава алюминия с бериллием неодимом смещает в отрицательную область основные электрохимические характеристики сплава, в том числе потенциал коррозии. Это в свою очередь способствует росту скорости коррозии. Таким образом, известный сплав по коррозионной стойкости значительно уступает заявляемому сплаву.
Целью изобретения является создание сплава на основе алюминия с бериллием такого химического состава, который обладает высокой устойчивостью в коррозионно-активных средах.
Суть изобретения заключается в разработке состава алюминиевых сплавов с бериллием, легированных одним металлом из группы магний, цинк, кадмий.
Для достижения поставленной цели в сплав на основе алюминия, содержащий бериллий дополнительно вводят один элемент из группы: магний, цинк, кадмий, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
бериллий - 0,5 - 1,5
один металл из группы:
магний, цинк, кадмий - 0,05 - 1,0
алюминий - остальное.
Заявляемый сплав алюминия с бериллием и одним элементом из группы магний, цинк, кадмий получали следующим образом: в расплав алюминия, нагретого до 850-900 0С добавили расчётное количество лигатуры алюминия с бериллием, расплав перемешивали, после полного расплавления с поверхности удалили шлак и затем вводили расчётное количество металлического магния, цинка, кадмия в отдельности. Расплав перемащивали, снова удалили шлак и заливали образцы для исследования.
Расплав опробованных образцов сплавов заливался в стальную форму диаметром 8мм и высотой 100 мм при рабочей площади поверхности анода 3см2. В таблице приведены данные по химическому составу сплавов, рабочих потенциалов анодов и скорости их коррозии. Видно, что заявляемый сплав отличается повышенной коррозионной устойчивостью. Преимуществом заявляемого состава является высокий уровень устойчивости к коррозии в агрессивных средах.
Скорость коррозии заявляемого сплава составляет (0,904 ÷ 1,207)·10-2 г/м2·час., а у известного сплава 7,3·10-2 г/м2·час.
Предложенный сплав на основе алюминия можно использовать в качестве легких конструкционных материалов в машиностроении, авиации и ракетно-космической техники.
Промышленная применимость заключается в том, что для получения сплавов в соответствии с заявленной формулой может быть использован как первичный, так и вторичный алюминий.
Таким образом, на основании выполненных экспериментальных исследований микроструктуры легированных магнием, цинком, кадмием алюминиевого-бериллиевого сплава АБ1 установлено, что добавки указанных металлов (0.01-1.0 мас.%) играя роль легирующей добавки оказывают влияние на микроструктуру алюминиево-бериллиевого твердого раствора, то есть с ростом содержания магния, цинка, кадмия наблюдается уменьшение размера зёрен твердого раствора алюминия (α-Al) и раствора алюминия с бериллием и их измельчение. Наиболее существенное влияние на питтингостойкость сплавов оказывает их химический состав, что ярко проиллюстрируются при сравнении исследованных сплавов. Введение в алюминиево-бериллиевый сплав АБ1 магния, цинка, кадмия приводит к росту граничных потенциалов питтинговой коррозии. Сравнение известного алюминиевого сплава АБ1, обработанного неодимом с заявленным алюминиевым сплавом АБ1 с магнием, цинком и кадмием показало, что он характеризуется более мелкой структурой, чем исходный сплав АБ1. Это подтверждается установленными значениями скорости коррозии для легированного магнием, цинком и кадмием сплава АБ1 и сплава прототипа (таблица).
Таблица
Влияние магния, цинка, кадмия на коррозионно-электрохимические характеристики алюминиево-бериллиевого сплава АБ1 (Al+1%Be) и в среде электролита 3% -ного NaCl
|
Содержание Mg, Zn, Cd в сплаве АБ1, мас.%
|
Электрохимические характеристики, В (х.с.э.)
|
Скорость коррозии
|
|
-Екорр.
|
-Еп.о.
|
iкорр.102
|
К·102
|
|
А/м2
|
г/м2·час
|
|
Сплав АБ1
|
1.160
|
0.670
|
0.042
|
1.407
|
|
0.05 Mg
|
1.112
|
0.614
|
0.039
|
1.306
|
|
0.5 Mg
|
1.085
|
0.582
|
0.035
|
1.172
|
|
1.0 Mg
|
1.070
|
0.570
|
0.033
|
1.105
|
|
0.05 Zn
|
1.095
|
0.590
|
0.036
|
1.206
|
|
0.1 Zn
|
1.070
|
0.570
|
0.032
|
1.072
|
|
1.0 Zn
|
1.058
|
0.561
|
0.030
|
1.005
|
|
0.05 Cd
|
1.080
|
0.581
|
0.034
|
1.139
|
|
0.1 Cd
|
1.052
|
0.560
|
0.029
|
0.971
|
|
1.0 Cd
|
1.041
|
0.550
|
0.027
|
0.904
|
|
Известный сплав по патенту № TJ 322, состава, мас.%:
бериллий - 1,0
неодим - 0,1
алюминий - остальное
|
-
|
0.700
|
0.22
|
7.3
|
Примечание:
Екорр. - потенциал коррозии, В;
Еп.о.- потенциал питтингообразования, В;
iкорр.х102 - плотность тока коррозии, А/м2;
Кх103- скорость коррозии, г/м2.час.
Скорость коррозии заявляемого сплава в 7 раз ниже, чем у сплава-прототипа. Снижение скорости коррозии на 10% позволяет уменьшить металлоемкость единицы изделий из него также на 10%. Экономия алюминия при этом составляет: при объеме производства 1000тн сплава 10%-ная экономия составляет 100тн. При стоимости 1тн алюминия 2700$ за тонну экономия равняется 100·2700 = 270 000$ США.
Механизм положительного действия магния, цинка, кадмия на коррозионную устойчивость алюминиево-бериллиевого сплава АБ1 объясняется их влиянием на основные электрохимические потенциалы сплавов. Как видно из таблицы сплав АБ1, легированный магнием, цинком, кадмием характеризуется более положительными значениями потенциалов коррозии (Екорр.) и питтингообразования (Еп.о.). Легирующие добавки увеличивают ширину пассивной области на потенциодинамических кривых и уменьшают область активного растворения, где металл переходит в ионное состояние. Все это способствует снижению скорости коррозии сплавов.
Кроме того у легированного магнием, цинком, кадмием алюминиевого сплава АБ1 отмечается рост степени пассивации поверхности образцов малорастворимыми продуктами коррозии, что в свою очередь способствует снижению скорости анодной коррозии сплавов.
При этом имеет место протекание следующих химических реакций:
2Al+3H2O → Al2O3+6H+;
Al+3OH- → Al(OH)3.
Образующиеся оксид и гидроксид алюминия вместо с подобными соединениями образуемыми легирующими добавками магния, цинка, кадмия осаждаясь на поверхность электрода тормозят его химические растворение, т.е. вызывают пассивацию поверхности и снижают скорость коррозии.
