Пористость алюминиевых сплавов

Когда слышишь про пористость в алюминиевых сплавах, первое, что приходит в голову — это газовые поры от водорода. Но на практике всё сложнее. Многие думают, что достаточно вакуумировать расплав, и проблема решена. Однако даже при идеальных параметрах плавки поры всё равно появляются — то ли из-за неправильной скорости кристаллизации, то ли из-за скрытых примесей в шихте. У нас на производстве бывало, что партия алюминиевых сплавов с виду соответствовала стандартам, а после механической обработки вскрывались кластеры микропор. И ведь самое неприятное — эти дефекты не всегда видны на УЗК, особенно если они мельче 50 мкм.

Откуда берутся поры

Основной источник — водород. Он растворяется в расплаве при контакте с влагой, а при затвердевании выделяется в виде пузырей. Но интересно, что иногда видишь крупные поры в зоне литников — это уже вопрос к технологии литья. Например, при литье под давлением быстрый впрыск приводит к захвату воздуха, и поры получаются не круглыми, а сплющенными. Такие дефекты снижают усталостную прочность на 20–30%, что для ответственных деталей критично.

Ещё один момент — влияние легирующих элементов. Кремний, магний, медь... Каждый по-своему меняет вязкость расплава и скорость выделения газа. С магниевыми сплавами, например, проблема усугубляется: магний активно реагирует с водородом, и поры образуются даже при низких концентрациях. Мы как-то пробовали добавлять титан для измельчения зерна — помогло, но незначительно. Видимо, без модифицирования газового режима тут не обойтись.

А вот с медью интересная история. В сплавах типа алюминий-медь поры часто связаны с усадочными процессами. При быстром охлаждении усадка концентрируется в межзеренных областях, и если нет питания расплавом, образуются каверны. Это особенно заметно в толстостенных отливках. Мы на ООО 'Сучжоу Ляньсинь Новые материалы и технологии' как-то получали заказ на крупные корпусные детали из алюминиевых сплавов — пришлось пересматривать всю систему питания и охлаждения форм.

Методы контроля

Рентген и УЗК — стандартные методы, но они не всегда эффективны для мелких пор. Мы часто используем металлографию: шлифуем образец, травим и смотрим под микроскопом. Бывает, видишь цепочки пор вдоль границ зёрен — это признак неправильной кристаллизации. Кстати, на сайте lianxin-metal.ru есть раздел по методам контроля, но там в основном общие рекомендации. На практике же каждый сплав требует своего подхода.

Ещё один метод — вакуумная дегазация. Но и тут есть нюансы: если передержать расплав под вакуумом, можно получить повышенное содержание оксидов. Мы как-то перестарались с дегазацией сплава А356 — в итоге получили повышенную хрупкость. Пришлось добавлять рафинирующие флюсы, чтобы снизить содержание оксидных включений.

Интересно, что поры могут быть и 'ложными' — например, при термической обработке выделяются газы из интерметаллидов. С этим столкнулись при работе со сплавами серии 7ххх. После закалки появлялись микропустоты, которые не были видны в литом состоянии. Пришлось корректировать режим гомогенизации.

Практические случаи

Был у нас заказ на детали для авиакосмической отрасли — требовался сплав с минимальной пористостью. Использовали вакуумное литьё, но всё равно в зонах термообработки появлялись дефекты. Оказалось, проблема в исходном сырье — в чушках были примеси натрия, которые при плавке образовывали летучие соединения. Пришлось менять поставщика.

Другой пример — литьё тонкостенных профилей. Там поры возникали из-за слишком высокой скорости заполнения формы. Снизили скорость — поры исчезли, но появились недоливы. Пришлось искать компромисс через моделирование процесса. Кстати, на ООО 'Сучжоу Ляньсинь' как раз занимаются нестандартными профилями — их опыт в подборе режимов литья очень пригодился.

А вот с медно-алюминиевыми композитными материалами вообще отдельная история. При соединении слоёв поры образуются на границе раздела, если не обеспечить идеальный контакт. Мы пробовали разные методы сварки взрывом, но стабильный результат получили только при использовании вакуумной прокатки.

Влияние на свойства

Поры — это не просто визуальный дефект. Они работают как концентраторы напряжений. При циклических нагрузках трещины стартуют именно от пор. Мы проводили испытания на усталость — образцы с пористостью выше 2% выдерживали в 3 раза меньше циклов, чем бездефектные. И это при том, что статическая прочность почти не менялась.

Ещё важно учитывать направление нагрузки. Если поры вытянуты вдоль направления деформации, они меньше влияют на прочность, но снижают пластичность. Мы как-то получили партию прутков из алюминиевых сплавов с продольными порами — при кручении они вели себя нормально, но при изгибе трескались.

Для деталей с поверхностным покрытием поры особенно критичны. Под покрытием скапливается влага, начинается коррозия. На lianxin-metal.ru упоминают о нанесении покрытий на металлы — так вот, перед покрытием мы всегда проводим герметизацию пор методом импрегнации.

Перспективные методы борьбы

Сейчас много говорят про аддитивные технологии — якобы они решают проблему пористости. Но на самом деле в SLM-печати свои сложности: поры образуются из-за неоптимальных параметров лазера. Мы экспериментировали с разными режимами — то недоплав, то перегрев. В итоге стабильные результаты получили только на оборудовании с контролем атмосферы.

Интересный подход — использование ультразвуковой обработки расплава. Она не только дегазирует, но и измельчает зерно. Правда, для крупных объёмов пока неэффективно. Мы пробовали на малых партиях сплава 6061 — пористость снизилась на 40%, но экономика процесса под вопросом.

Ещё перспективное направление — модифицирование наночастицами. Добавка оксидов титана или иттрия стабилизирует структуру и снижает газопоглощение. Но тут важно не переборщить — слишком много добавок ухудшают литейные свойства. На ООО 'Сучжоу Ляньсинь Новые материалы и технологии' как раз занимаются высокотехнологичными сплавами — возможно, в будущем разработают композиции с управляемой пористостью.

Выводы и наблюдения

Пористость — это комплексная проблема. Нельзя сказать, что есть одно универсальное решение. В каждом случае нужно анализировать и технологию литья, и состав сплава, и условия охлаждения. Иногда проще изменить конструкцию детали, чем бороться с порами.

Опыт показывает, что важно вести журнал всех параметров процесса — от состава шихты до скорости охлаждения. Тогда можно выявить закономерности. Мы, например, обнаружили, что при использовании определенных масел для смазки форм повышается риск газовой пористости.

В целом, несмотря на все сложности, контроль пористости в алюминиевых сплавах — это вопрос технологической дисциплины. Нет мелочей: и подготовка шихты, и состояние оборудования, и квалификация персонала. Как говорится, дьявол в деталях — особенно когда эти детали размером с микрон.