ELABORAREA, TURNAREA SI OMOGENIZAREA SLEBURILOR DIN AL DE ÎNALTĂ PURITATE PENTRU AERONAVE CIVILE

MANUFACTURING, CASTING AND HOMOGENIZATION OF AL ALLOYS SLABS FOR CIVIL AIRCRAFT

Lecturer, dr. eng. Ileana Nicoleta POPESCU1, Conf. dr. eng. Vasile BRATU2,As. drd. Phs. Florina-Violeta ANGHELINA3, Researcher Lucica-Grigora TOMA4

1-3 Faculty of Materials Engineering, Mechatronics and Robotics, Valahia University from Târgovişte 4 XRF” Laboratory - Multidisciplinary Scientific and Technological Researche Institute, Valahia

University fromTârgovişte

Rezumat. Elaborarea si turnarea aliajelor de aluminiu de inalta puritate 2048 destinate aviatiei civile s-au realizat dupa o tehnologie specifica la ALRO Slatina. A fost descris in detaliu procesul tehnologic de elaborare-turbnare-omogenizare sleb din aluminiu 2048 de tip DURAL si apoi a fost analizat din punct de vedere al compozitiei chimice, dupa fiecare etapa tehnologica. Compozitia chimica finala analizata a fost in conformitate cu standardele in vigoare.Cuvinte cheie: Elaborare, turnare, omogenizare sleburi din aliaj de Al, aliaj 2048 pentru aeronave civile

1. INTRODUCEREInregistrand numeroase succese, stiinta si

tehnica contemporana prezinta in domeniul aeronautic cele mai spectaculoase realizari.

Viitorul aeronauticii civile depinde in buna masura de progresele ce se realizeaza in elaborarea unor materiale noi, din care sunt fabricate motoarele si avioanele. De aici necesitatea unei industrii care sa fabrice aliaje ce pot raspunde cerintelor tot mai pretentioase ale constructorilor de aeronave. Cu cat avionul este mai greu cu atat consuma mai mult conbustibil si deci rentabilitatea transportului are de suferit.

Aliajele usoare pe baza de aluminiu si ultra usoare pe baza de magneziu si zinc au fost mult timp si au ramas si in present principalele materiale utilizate pentru constructia structurilor din industria aerronautica.

Aliajele usoare trebuie sa indeplineasca si proprietati mecanice cat mai bune. Prin caracteristica specifica se intelege caracteristica mecanica uzuala (tractiune compresiune, deformare elastica, oboseala) raportata la densitate. Materialele trebuie sa fie fiabile, adica sa prezinte o garantie suficienta de functionare pentru intreaga durata de lucru prevazuta. Acestea mai trebuie sa fie usor de prelucrat prin sudare, ambutisare turnare, iar pretul de cost al lor sa se gaseasca in limite acceptabile. Duraluminiu si aliaje similare din punct de vedere al proprietilor sunt cele mai raspandite aliaje usoare folosite in constructiile aeronautice.

In tabelul 1 sunt prezentate caracterisiticle specifice ale catorva tipuri de avioane civile si materialele folosite pentru constructia acestora.

Tabelul 1. Caracteristicile avioanelor:Tipul avionului Concorde TU-144 BOEING 2707Materiale folosite in constructie

Aluminiu-Titan

Aluminiu-Titan Titan-Aluminiu

Performante:  viteza de croaziera (M) 2,2 2,2 2,7autonomie (Km) 6570 6600 7000inaltime de zbor,(m) 22000 21500 19500viteza de aterizare(Km) 275 280 295nr.depasageri 140 145 350

Pe fundalul inaltei puritati a aliajelor de aluminiu destinate constructiei aeronautices-au efectuat cercetari stiincifice pentru fabricarea tablelor din aliaj 2048 PL desfasurate la ALRO Slatina, in cadrul sistemului Acceptable Quality

Level (AQL). Aceasta lucrare are ca scop cercetari privind stabilirea regimului de elaborare-turnare, debitare, frezare al sleburilor aliajului de aluminiu 2048.

1

In industria aeronautica aliajele de aluminiu deformabile ocupa o pondere de 50-60% datorita capacitatii lor de a-si schimba proprietatile fizico-mecanice prin supunerea la tratamente termice sau termomecanice. Dintre aliajele complexe pe baza sistemului Al-Cu-Mg-Mn, denumite DURALUMINIU in lucrarea de fata vom insista mai ales pe aliajul 2048 dupa norma AA destinat obtinerii de table necesare industriei aeronautice. 2. ASPECTE TEORETICE

PRIVIND ELABORAREA-TURNAREA ALIAJOR DURAL DIN SERIA 2XXX

Aliajul 2048 face parte din seria aliajelor 2xxx in care elementele de aliere il constitue Cu, Mg si Mn fapt pentru care aliajele din aceasta serie necesita tratamente termice de

punere in solutie pentru obtinerea proprietatilor fizico-mecanice optime. In conditiile acestui tratament proprietatile mecanice sunt similare si uneori depasesc pe cele specifice otelurilor aliate. In domeniul aviatiei aliajele de aluminiu de inalta puritate si rezistenta s-au impus in special prin greutatea specifica redusa, rezistenta la oboseala sporita si temperature cu proprietati antimagnetice si conductibilitate buna si rezistenta la coroziune.

Pentru marirea rezistentei la coroziune, duraluminiu se placheaza cu aluminiu pur. In functie de conditiile tehnice, grosimea stratului de placare reprezinta 4-8% din grosimea tablei. Asigurarea rezistentei la temperature ridicate, rezistentei la fluaj si oboseala prin vibratii se realizeaza din procesul de elaborare al aliajului prin adaugarea elementelor de macroliere. In tab.2 este redata compozitia chimica a aliajului 2048 dupa norma AA(USA).

Tabelul 2. Compozitia chimica a aliajului 2048 norma aa

Tip aliajContinutul in % greutate

Si Fe Cu Mn Mg Zn Ti Altele TotalAlCu3,3Mg1,5Mn

0,15 0,202,8-3,8

0,20-0,6

1,21,8- 0,25 0,10 0,05 0,15

Prezenta impuritatilor de fier si siliciu peste limita admisibila conduce la aparitia unor efecte negative cum ar fi: fragilizarea,diminuarea durificarii, micsorarea stabilitatii la coroziune. Totusi numai fierul constitue o impuritate inutila sau chiar daunatoare.

Asa cum se mentioneaza in literature de specialitate [1-5] elementele de aliere cuprul, magneziu si manganul au o influenta foarte mare asupra structurii si proprietatilor fizico-mecanice,atunci cand sunt adaugate simultan sau separate. Elaborarea aliajului 2048 cu compozitie chimica cat mai precisa necesita introducerea in topitura a elementelor de modificare in vederea evitarii fenomenului de supraincalzire care ar

conduce la pierderi importante de metal prin oxidare sau volatizare. Avand in vedere ca aliajulul 2048 este alcatuit dupa modelul Al-Cu-Mg-Mn necesita sa folosim la elaborare prealiajele Al-Cu, Al-Mn, Al-Tişi Al-Zr. Prealiajele mentionate trebuie sa indeplineasca o serie de cerinte dintre care cele mai importante sunt:

temperature de topire sa fie apropiata de temperature de elaborare:

continutul elementului de aliere sa fie cat mai ridicat:

sa posede stabilitate in ceea ce priveste compozitia chimica si sa aiba o

buna rezistenta la coroziune: sa nu prezinte fenomenul de segregare

la solidificare.3. ELABORAREA SI TURNAREA

PREALIAJELOR DE ALUMINIU SI A ALIAJULUI 2048

Aliajul 2048 a fost realizat cu ajutorul unor prealiaje, elaborate ulterior. Utilizarea prealiajelor in procesul de elaborare a aliajului

2048 a rezultat din faptul ca unele elemente de aliere au temperatura de topire mult superioara. In tab.3 sunt prezentate proprietatile fizico-chimice ale elementelor de aliere utilizate la elaborarea aliajului 2048.

Tabelul 3 .Proprietatile fizico-chimice ale elementelor de aliere [6 ]

2

  Al Cu Mg Mn Ti B Al-Cu Al-Mn Al-TiCu 50%Cu 33%

Mn10%Mn20% Ti 4%

Temp.de topire, o C 660 1083 651 1245 1668 2175 580 780 1100

Densitate in Kg/dm³ 2,7 8,95 1,73 7,4 4,51 2,18

Coef.de conductivtermica, J/cm S grd 2,382 3,846 1,463 0,501 0,17Rezistenta electr.Specifica la 20 o C/cm 2,68 1,72 4,4 5,4 5,54

Caldura specifica (0-100 grade C)J/G.grd 0,883 0,389 1,025 0,487 0,631

Coef.de dilataretermica (0-100 grade C)x10grd¯¹ 24 16,4 25,7 22 8,2

Modululul de elasticitate, daN/mm² 7250 12250 4550 20160 11200Fluiditatea la supraincalzire (15% si 30%)

4048

Intervalul de temperatura , o C

630540

800780

950900

Capacitatea calorica , oC-kj/katom kg 24,25 24,52 23,89

Elaborarea aliajului 2048 prin introducerea directa in baia de aluminiu a acestor elemente de aliere produce neomogenitati chimice si structurale, proprietati mecanice si tehnologice necorespunzatoare.

Principalele conditii de calitate ale prealiajelor sunt urmatoarele:

grad de aliere cat mai inalt, compozitie chimica cat mai omogena, debitare cat mai usoara pentru dozare.

Prealiajele pe baza de aluminiu au fost elaborate prin topirea directa a doua sau mai multe metale.Prin aceasta metoda a fost elaborate in cadrul sectiei Turnatorie ALRO Slatina, prealiajele Al-Cu si Al-Mn folosindu-se cuptoarele de inductie.

3.1. Elaborarea prealiajelor de aluminiu Pentru elaborarea prealiajelor necesita urmatoarele etape:

materia prima a fost analizata din punct de vedere chimic

s-au debitat bucati corespunzatoare pentru a fi introduce cu usurinta in cuptoarele de inductie.

Dupa debitare metalele de aliere se protejeaza cu folii de hartie sau masa plastic si se pastreaza in incaperi inchise. La elaborarea aliajelor nu se folosesc metale impurificate sau deseuri.

Pregatirea cuptoarelor presupune functionarea normala a acestora si curatirea zonei active din material refractor sau creuzet de aderentele elaborarilor anterioare.

Aceasta curatire se face mecanic, cu multa grija pentru a se evita deteriorarile. Atunci cand in cuptorul in cauza s-au elaborat anterior alte aliaje din punct de vedere chimic este indicat sa se topeasca compozitiile chimice intermediare eventual din aluminiu pur pentru ca in felul acesta sa se evite impurificarea.

3.1. 2. Incarcarea cuptorului Se va proceda la incarcarea cuptorului cu aluminiu 99,7% cca.80% in crezuetul incalzit la rosu.

Se topeste aluminiu, se supraincalzeste baia pana la 850-1000 OC si apoi se introduce elementul de aliere in proportii prestabilite incalzite la temperature de 350OC.Dupa asimilarea elementelor de aliere se introduce restul de aluminiu.

La prealiajul Al-Cu materiile prime utilizate sunt urmatoarele:

3

Aluminiu tehnic primar cu puritate 99,7% dupa STAS 7607-72, Cuprul rafinat pe cale electrolitica dupa STAS 270-72.Compozitiile chimice mai folosite sunt: 50% Al si 50% Cu sau 67 % Al si 33 % Cu al carui eutectic se afla pana la temperatura de 548 OC. Solubilitatea cuprului in aluminiu variaza de la 0,2 % la 200 OC pana la 5,63 % la eutectic.

Pentru prealiajul Al-Mn se utilizeaza ca materii prime,aluminiu tehnic primar 99,7 % dupa STAS 7607-72 si mangan pur dupa GOST 2169-69. Compozitiile chimice mai frecvente: 90 % Al si 10 % Mn sau 80 % Al si 20 % Mn.

Materiile prime folosite la prealiajul Al-Ti sunt: Aluminiu 99,5 % STAS 7607-72 si Titan

pur cu o compozitie chimica 3,5-5 % Ti rest aluminiu.

2. Rafinarea Rafinarea se face fie cu fluxul (67 %NaF si 33 % NaCl) in proportie 0,2-0,5 % din incarcatura fie cu clorura de zinc, clorura de mangan deshidratate in aceasi proportie sau clor prin barbotarea baii metalice.

In literatura de specialitate se mentioneaza ca pentru rafinarea prealiajelor si aliajelor de aluminiu se folosesc fondanti cu temperature mica de topire, nedeficitari, prezentati in tab.4

Tabelul 4.Fondanti cu tempertura mica de topire

CompozitiaTemp.de topire, oC Tensiunea superficială ,

MJ/m²Unghi de umectare

F-I , gradeNaCl-44;KCl-44;NaF-12 610 350 10KCl-42;NaF-16;NaCl-42 620 343 6NaCl-47;KCl-47;KF-5,5 640 410 37

Particularitatile fondantilor sunt urmatoarele:

temperature joasa de topire ( sub 650 Grade C) ceea ce permite micsorarea (cu cca 140 grade C) a gradului de supraincalzire la elaborarea prealiajelor si aliajelor de aluminiu (consum mai mic de energie,continut de gaze si energie electrica mai redus,cost mai mic etc),

capacitatea mare de umectare a incluziunilor de Al203 exprimata prin valoarea mica a unghiului de umectare (sub 30 grade), deci activitatea ridicata de adeziune pe suprafata acestor incluziuni si deci capacitatea mare de rafinare.conditiile reale de rafinare se realizeaza

conform schemei din fig.1 unde este redat echilibrul fortelor. Capacitatea de rafinare este

si este cu atat mai

mare,cu cat este mai mare. capacitatea relative mica de adeziune a

fondantului fata de metal exprimata prin =350-410 MJ/m2, pentru

preintampinarea formarii incluziunilor in peretii produsului. Aceste incluziuni apar cand este mai mic de 340 MJ/m2.

Fig.1.Echilibrul fortelor in procesul de rafinare

2. Omogenizarea topiturii si turnarea prealiajelor

Omogenizarea si turnarea prealiajelor,se face prin amestecarea cu tije din grafit sau otel protejat. Pentru prealiajul Al-Cu zgurificarea si turnarea se face la temperature de 720-750oC, prealiajul Al-Ti dupa zgurificare se toarna la temperatura de 750-800oC iar prealiajul Al-Ti dupa zgurificare se toarna la temperatura de la 850-900oC. Turnarea prealiajelor de mai sus se face in lingotiere metalice din fonta, preincalzite la temperature de 150 grade C. De mentionat este faptul ca prealiajul AlTiB2 a fost elaborat sub strat de fondant care au rolul sa preia o parte din caldura degajata datorita reducerii sari TiO si B2O4 cu aluminiu.

Prealiajul AlTiB2 dupa turnare se retopeste, se rafineaza si se toarna din nou in lingotiere.

4

In literature de specialitate [3,4,7] se mentioneaza ca lingotierele asigura o viteza mica de racire (1-2 grade C/s) conducand la obtinerea unor cristale intermetalice cu dimensiuni mari (200-300)x(10-30) miar repartizarea fazelor intermetalice este haotica, fenomen ce conduce la variatia proprietatilor mecanice ale aliajului in limite foarte mari.

Fluxul tehniologic de elaborare, omogenizare si turnare a sleburilor din aliaj de Al marca 2048 s-a desfasurat astfel:

S-au utilizat prealiajele AlCu 33%, AlMn 10%,AlZr 5%, AlTi 5%. Caracteristicile prealiajelor folosite la elaborarea aliajului 2048sunt urmatoarele:

prealiajul AlCu are ca element de 33 % temperature de tur 700 grade C, temperatura de topire 575oC

prealiajul AlMn are ca element de aliere Mn 10% temperatura de turnare 850-900 oC temperatura de topire 780-800 oC;

Prealiajul AlTi 5% are ca element de aliere Ti 5 % temperature de turnare 950-1000 oC,temperature de topire 900-950 oC, puritate Mg 99,9 %, temperature de topire 650 oC,densitate1,74 grame/cm³;

La elaborarea sarjei s-au folosit Mg (sunb forma de blocuri) in cantitate de 20 Kg, prealiajele AlCu 33%, AlMn 10%,AlZr 5%, AlTi 5% (total prealiaje 212 Kg) si aluminiu tehnic Al 99,7% in cantitate de 1838.2 Kg. Etapele elaborarii sarjei sunt:

introducerea si topirea lingourilor de aluminiu 99,7% in cuptorul de topire; temperatura optima in cuptorul de topire 740 oC);

zgurificare usoara,

introducerea si topirea prealiaj AlCu 33%

omogenizarea si zgurificarea topiturii, introducerea si topirea blocurilor de

AlMn 10%; introducerea si topirea blocurilor de de

AlTi 5% omogenizarea si zgurificarea topiturii, introducerea prealiajului AlZr 5%; protectia baii lichide cu flux PAL 5; amestecare topitura; omogenizarea si zgurificarea topiturii; turnarea aliajului 2048; racire naturala a slebului tratamentul termic de omogenizare a

structurii aliajului marca 2048 turnat sub forma de sleburi

3.2.3. Tratamentul termic de omogenizare a sleburilor turnate din aliaj 2048

Omogenizarea reprezinta tratamentul termic primar aplicat sleburilor turnate, din aliajul 2048 inaintea executarii oricarei deformari plastice la cald sau lau la rece (laminarea).

Omogenizarea are ca scop disparitia structurii dendritice rezultate la turnare cu formarea unei faze solide omogene ceea ce usureaza transformarile ulterioare la cald si modifica o serie de caracteristici finale la rece. Influenta omogenizarii se face simtita asupra:

aptitudinii de deformare la cald si la rece;

reducerii marimii de graunte in timpul recoacerii sau punerii in solutie;

duratei de punere in solutie.Tratamentul termic de omogenizare a

structurii aliajului marca 2048 turnat sub forma de sleburi s-a realizat dupa diagrama din figura:

Fig.2 Diagrama de tratament termic de omogenizare a sleburilor

5

Dupa fiecare etapa tehnologica s-au prelevat probe pentru analize chimice.

S-a efectuat analiza metalografica a structurii aliajului marca 2048 turnat sub forma de sleburi si in stare omogenizata.

4. REZULTATE EXPERIMENTALEIn urma elaborariii-omogenizarii si turnarii

aliajului de Al 2048 s-a obtinut sleb de Al de dimensiunea 300x1340x3100 mm. Compozitiei chimica a Al tehnic primar 99,7 % conform STAS 7607/1-86 este prezentata in tabelul 5.

Tabelul 5 - Compozitia chimica a aluminiului 99,7 % este urmatoarea:

Continut, %

O Al Fe Si Cu Zn Ti Impuritati (fiecare)

Total impuritati

1 99,7 0.25 0.2 0.01 0,06 0,03 0,01 0,30

Compozitiile chimice ale topiturii din aliaj 2048 dupa introducerea fluxului PAL 5 si respectiv la inceputul si sfârşitul turnarii sunt prezentate in tabelul 6:

Tabelul 6. Compozitia chimica a topiturii din aliaj 2048 dupa introducerea fluxului PAL 5 obtinuta:Comp.Chimica, %

Mg Si Cu Mn Fe Zn Cr Ti Ni Zr V Al 99.7%

dupa introducere flux PAL 5

0,08 0,11 0,35 0,52 0,20 0,027 0,020 0,005 0,001 0,005 0,005 Rest

la incep. turnarii

1,80 0,15 3,80 0,57 0,20 0,023 0,02 0,025 0,001 0,03

la sfarsitul turnarii

1.51 0.15 3.57 0.060 0.15 0.02 0.02 0.031 0.001 0.041 0.002

5. CONCLUZIIIn timpul elaborarii aliajului 2048 s-a

urmarit, obtinerea unui randament energetic cat mai ridicat, o protectie impotriva gazelor cat mai eficienta, rafinarea dupa topire si o impurificare a metalului, cat mai mica in timpul turnarii.

Avandu-se in vedere ca aliajul 2048 are in compozitia chimica (tab.2) pe langa elementele de aliere Al-Cu-Mg-Mn si un procent limitat de impuritati, dintre care mentionam 0,15 %Si si 0,20%Fe, impuritati greu de indepartat din topitura de aluminiu atunci sunt necesare unele masuri de precautie ce constau in curatirea cuptorului de topire si alegerea corecta a materialelor care compun incarcatura in vederea prevenirii impurificarii baii.

BIBLIOGRAFIE 1. Ienciu M. s.a., Elaborarea si Turnarea

aliajelor neferoase speciale, Ed. Did. Si ped. Bucuresti, 1985, p.198-243

2. Jacquet J.C. , Heckler M., Aluminium RFG, 598, no. 6 , 1982, p.340-345

3. Dragomir I., Bratu V. - Structura şi proprietăţile topiturilor metalice - Editura Macarie, Târgovişte, 2002

4. Ioniţă Gh. Turnarea şi solidificarea aliajelor metalice, Editura ştiinţifică „ Fundaţia Metalurgică Română ”, 2000, ISBN 98904-5-8

5. Ioniţă Gh., Toma L. G., Elaborarea aliajelor neferoase-lucrari experimentale si aplicatii, Ed. Macarie Targoviste, 1996

6. Sofroni, Elaborarea si turnarea aliajelor, Buc.Ed. Did. si Ped., 1975

7. Moltev T.M. Modificarea structurii metalelor si aliajelor, traducere din lb. Rusa, Bucuresti, Ed. Tehnica, 1966

6