Алюминиево-скандиевый сплав с высокой технологической пластичностью при горячей экструзии

Сплав алюминия со скандием, который не рвётся при экструзии и даёт стабильный профиль — это не миф, а результат точного баланса состава и режимов обработки. Многие ошибочно думают, что главное — просто добавить скандий, но на деле ключ в контроле примесей и термомеханическом цикле.

Почему скандий — это не панацея

Когда только начал работать с алюминиево-скандиевыми сплавами, думал: литьё с добавкой Sc решит все проблемы. На практике выяснилось, что даже 0,2% скандия не спасают, если в шихте есть избыток железа или кремния. Однажды на опытной партии для ООО Хунань Цзято Новые Материалы получили трещины по всей длине заготовки — причина оказалась в неучтённом содержании меди в исходном алюминии.

Важно не просто ввести скандий, а обеспечить его дисперсное распределение. Если образуются грубые фазы Al3Sc, пластичность при горячей деформации падает в разы. Приходится играть со скоростью охлаждения слитка и гомогенизацией — иногда дольше выдержки при 300°C дают лучший результат, чем стандартные режимы.

Кстати, о гомогенизации: мы в цехе часто спорим, стоит ли её проводить в инертной атмосфере. Для ответственных изделий — однозначно да, иначе поверхность слитка окисляется, и потом при экструзии появляются плёнки, которые становятся концентраторами напряжений.

Режимы горячей экструзии: от теории к провалам

В учебниках пишут про оптимальные температуры 400-450°C для экструзии алюминиевых сплавов со скандием. Но на практике, например, для сплава 1581 с 0,18% Sc, мы иногда поднимаем до 480°C — особенно если пресс старый и есть проблемы с выравниванием температуры контейнера.

Одна из наших ошибок: пытались экструдировать заготовку диаметром 200 мм на слишком высокой скорости. Результат — волнообразная поверхность профиля. Пришлось снижать скорость с 3 м/мин до 1,2 и увеличивать степень деформации до 12:1. Это к вопросу о технологической пластичности — она ведь не абсолютная величина, а зависит от десятка параметров.

Заметил интересную деталь: если перед экструзией проводить ступенчатый нагрев — сначала до 350°C, выдержка 30 мин, потом до рабочей температуры — структура получается мельче и равномернее. Возможно, это связано с тем, что фазы Al3Sc успевают перераспределиться.

Влияние примесей на реальное производство

Железо — главный враг для алюминиево-скандиевых сплавов при горячей обработке. Даже 0,3% Fe резко снижают пластичность. На производстве ООО Хунань Цзято Новые Материалы мы специально ведём журнал примесей для каждой партии — кажется мелочью, но без этого невозможно предсказать поведение сплава при экструзии.

Цинк и магний — их часто добавляют для упрочнения, но в сочетании со скандием они могут давать нестабильные фазы при нагреве. Как-то раз из-за превышения Mg на 0,15% получили межкристаллитное разрушение профиля после пресса. Пришлось перерабатывать всю партию — дорого и обидно.

Кислород в заготовке — проблема, о которой редко говорят. При литье под давлением иногда образуются оксидные плёнки, которые при экструзии растягиваются в продольные дефекты. Теперь всегда делаем ультразвуковой контроль слитков перед горячей деформацией.

Практические наблюдения за структурой

После экструзии часто смотрю микроструктуру — если вижу вытянутые зёрна вдоль направления прессования, это значит, что температура была занижена. Для сплавов со скандием идеальная структура — равноосные зёрна размером 15-25 мкм.

Интересный случай был при изготовлении профилей для авиационных систем: при одинаковом химическом составе одна партия дала прекрасную пластичность, другая — трещины. Оказалось, дело в скорости охлаждения после экструзии — когда охлаждали водой, возникали термические напряжения, которые плюсовались к остаточным от прессования.

Сейчас на https://www.jthsa.ru в техкартах всегда указываем не только температуру экструзии, но и скорость охлаждения профиля. Для толстостенных изделий — постепенное охлаждение на воздухе, для тонких — принудительное обдувом. Мелочь, а влияет значительно.

Оборудование и его капризы

Старые гидравлические прессы с неравномерным нагревом контейнера — головная боль для технолога. Как-то при экструзии алюминиево-скандиевого сплава на таком оборудовании получили разнотолщинность профиля до 0,8 мм при норме 0,3 мм. Пришлось устанавливать дополнительные нагреватели и перерабатывать программу температурного контроля.

Инструмент — отдельная тема. Для сплавов со скандием матрицы изнашиваются быстрее, особенно при высоких температурах. Пробовали разные покрытия — лучше всего показали себя многослойные CVD-покрытия на основе нитрида титана. Но они дорогие, поэтому для серийных изделий часто используем молибденовые покрытия, хоть и меняем матрицы чаще.

Система смазки — казалось бы, элементарно, но именно здесь чаще всего возникают проблемы. Недостаток смазки приводит к задирам, избыток — к неравномерному течению металла. Для горячей экструзии алюминиево-скандиевых сплавов мы используем графитосодержащие пасты, но их состав постоянно корректируем в зависимости от сечения профиля.

Что в итоге получается на практике

Когда все факторы сходятся — состав, режимы, оборудование — получается прекрасный материал с высокой технологической пластичностью. Последний проект для аэрокосмической отрасли: профиль сложного сечения длиной 14 метров без единого дефекта. Гордиться особенно нечем — это просто результат учёта всех нюансов, которые узнали на ошибках.

Сейчас в ООО Хунань Цзято Новые Материалы разрабатываем сплав с добавкой циркония вместе со скандием — предварительные испытания показывают увеличение пластичности на 15-20% при тех же прочностных характеристиках. Но это уже тема для другого разговора.

Главный вывод: алюминиево-скандиевые сплавы требуют не шаблонного подхода, а постоянного эксперимента и внимания к деталям. Технологическая пластичность при горячей экструзии — это не свойство материала, а показатель качества всей технологической цепочки.