СПОСОБ ОБРАБОТКИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ Российский патент 2004 года по МПК C22F3/00 

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии, преимущественно к способам радиационной модификации изделий из легких металлических сплавов, в частности, к изделиям из алюминиевых сплавов, применяемым в авиационной и авиакосмической промышленности.

Известен способ радиационной обработки твердых сплавов на основе кобальта [1], заключающийся в облучении их интегральными потоками электронов Ф в интервале от 10¹³ до 4•10¹⁸ эл/см² при потоке электронов ϕ ≈ 6•10¹³ эл/см² с и энергиях электронов 1,2 и 1,8 МэВ.

Недостатками известного способа являются:
- недостаточная эффективность при относительно малых значениях интегрального потока электронов: при Ф=10¹³-10¹⁵ эл/см² микротвердость изменялась незначительно и лишь в интервале 5•10¹⁷-2•10¹⁸ эл/см² она возрастала на 18%;
- малая экономичность из-за большой длительности процесса обработки (8000-32000) с, т.е. ≈ 2 ч 13 мин - 9 ч).

Наиболее близким к заявляемому способу является способ радиационной обработки металлических сплавов интегральными потоками электронов, равными 5•10¹⁷ эл/см², с энергией электронов, равной 2 МэВ, и потоком электронов ϕ ≈ 6•10¹³ эл/см² с [2].

Недостатками известного способа являются:
- низкая экономичность способа из-за большой длительности процесса обработки (8000 секунд ≅ 2 ч.13 мин);
- недостаточная эффективность способа по отношению к изменению микротвердости: во всех исследованных материалах микротвердость не изменялась в пределах ошибок измерений.

Заявляемое изобретение направлено на повышение экономичности способа, увеличение его эффективности и распространение на изделия из алюминиевых сплавов в части повышения их пластичности во всем объеме облучаемого материала.

Указанный результат достигается тем, что изделия облучают радиоизотопным источником электронов, содержащим смесь радиоактивных изотопов стронция 90 и иттрия 90, в интервале интегральных потоков от 10 до 10¹⁸ эл/см².

Отличительными признаками заявляемого способа обработки изделий из алюминиевых сплавов являются:
- выбор объектов облучения электронами - изделий из алюминиевых сплавов;
- выбор в качестве источника электронов радиоизотопного источника электронов, содержащего смесь радиоактивных изотопов стронция 90 и иттрия 90;
- выбор в качестве нижнего предела интервала интегральных потоков электронов значения, равного 10 эл/см²;
- выбор в качестве верхнего предела интервала интегральных потоков электронов значения, равного 10¹⁸ эл/см².

Установлено, что облучение электронами высоких энергий алюминиевых сплавов приводит к тем же положительным эффектам (увеличение микротвердости или увеличение пластичности как на поверхности, так и в объеме облучаемых изделий), что и облучение инструментальных сталей. Этот факт весьма важен и поэтому мы считаем оправданным вкючение его содержания в качестве отдельного признака в формулу изобретения.

Нижний предел интегральных потоков электронов, используемых в изобретении, составляет 10 эл/см². Нашими опытами установлено, что в ряде случаев даже при столь малых значениях Ф, как 10¹÷10² эл/см², наблюдаются заметные относительные изменения механических характеристик металлических сплавов.

Верхний предел интегральных потоков электронов, указанный в формуле изобретения, составляет 10¹⁸ эл/ см². Это значение найдено нами экспериментально: во-первых, наблюдаемый положительный эффект - относительное изменение микротвердости мал при Ф=1•10¹⁸ эл/см², во-вторых, при этом значении Ф происходит окисление образцов.

Заявленный способ осуществляют следующим образом.

Изделия из алюминиевых сплавов облучают электронами в интервале интегральных потоков от 10 до 10¹⁸ эл/см². При этом используют радиоизотопный источник электронов, содержащий смесь радиоактивных изотопов стронция 90 и иттрия 90 (Sr⁹⁰+Y⁹⁰), применявшийся во всех наших экспериментах. Этот источник электронов обладает рядом преимуществ по сравнению с обычно используемыми ускорителями электронов (как, например, в способе-аналоге [1] и способе-прототипе [2] ), главными из которых являются отсутствие потребления электроэнергии, большой срок службы, малые габариты и простота эксплуатации. Энергетический спектр электронов источника Sr⁹⁰+Y⁹⁰ весьма широк: он простирается от практически нулевых энергий до Е₀=2,27 МэВ [3,4]. Кривая распределения бета-частиц по энергиям имеет максимум E_max ≈ 1/3E₀ ≅ 0,76 МэВ [3] . В наших опытах поток электронов ϕ варьировался в широких пределах: в зависимости от значений интегрального потока электронов Ф он изменялся от 0,14 эл/см² с до ≈10¹² эл/см² с. Время облучения t, зависящее от сочетания ϕ и Ф, также изменялось в широких пределах от секунды или нескольких секунд до ≈83 суток при ϕ≈10¹² эл/см² с и Ф=7,2•10¹⁸эл/cм².

Проверка достижения заявленного технического результата осуществлялась следующим образом.

Образцы толщиной 10 мм, изготовленные из алюминиевого сплава АМГ6, исследовались методом измерения микротвердости. Микротвердость на обеих плоских поверхностях цилиндрических образцов измерялась до и после облучения их источником электронов Sr⁹⁰+Y⁹⁰. Интервал использованных интегральных потоков электронов Ф составил 1•10¹-7,2•10¹⁸ эл/см².

Результаты измерений микротвердости представлены в таблице.

В ней приведены относительные изменения микротвердости (ΔH/H₀) на двух плоских поверхностях образцов: облученной электронами и противоположной ей. (ΔH = H_β-H₀, где H_β - микротвердость, измеренная после облучения образца электронами, H₀ - микротвердость, измеренная до облучения образца). При этом на одной горизонтальной стороне таблицы располагаются значения ΔH/H₀, соответствующие одному и тому же значению Ф. Из таблицы следует, что, в основном, значения ΔH/H₀, измеренные на обеих поверхностях образцов при одинаковых или близких значениях Ф, мало отличаются друг от друга. Более того, вообще мало отличаются друг от друга максимальные значения ΔH/H₀, как положительные, так и отрицательные, на обеих поверхностях образцов. Отметим, что при Ф=7,2•10¹⁸ эл/см² микротвердость не могла быть измерена из-за окисления образца.

Поскольку значения ΔH/H₀, приведенные в таблице, за исключением Ф= 7,2•10¹⁸ эл/см², превышают ошибки измерений, причем иногда весьма значительно, можно сделать вывод, что сведения, приведенные в таблице, достоверны. Отметим основные научные результаты, вытекающие из данных, приведенных в таблице. Во-первых, даже при таких аномально малых значениях Ф, как 1•10¹ и 1•10² эл/см², наблюдаются изменения микротвердости на облученных электронами поверхностях образцов из сплава АМГ6. Во-вторых, наблюдается изменение свойств всего объема образцов сплава АМГ6 при облучении электронами одной из их поверхностей. В-третьих, изменение микротвердости на противоположной облученной электронами поверхности образца из сплава АМГ6 наблюдается даже при таком аномально малом значении Ф, как 1•10² эл/см².

Предлагаемое изобретение основано на обнаруженном авторами двух новых эффектах, один из которых может быть назван "эффектом аномально малых доз", а другой - "эффектом аномального дальнодействия".

1. Эффект аномально малых доз
При характеристике способа-аналога [1] выше отмечалось, что микротвердость в [1] заметно изменялась лишь в интервале Ф=5•10¹⁷-2•10¹⁸ эл/см². Более того, предпринятая в [1] проверка результатов работы [5] о влиянии малых доз ионизирующей радиации на механические свойства твердых сплавов не подтвердила эти результаты: в [1] микротвердость не изменялась в интервале Ф= 10¹³-10¹⁵ эл/см². В наших опытах не только подтверждены результаты работы [6] о влиянии малых значений Ф, равных 10¹²-10¹⁴ эл/см² на свойства материалов, но показано, что даже аномально малые значения Ф=10¹-10² эл/см² изменяют микротвердость алюминиевого сплава АМГ6. Таким образом, установлено, что уменьшение значений Ф на 10-11 порядков по сравнению с минимальным значением Ф в работе [5] не препятствует проявлениям "эффекта малых доз" [6].

II. Эффект аномального дальнодействия
Обнаруженный эффект - изменение микротвердости на необлученной поверхности образца из алюминиевого сплава АМГ6 при Ф=1•10² эл/см² - явно необычен. Действительно, глубина проникновения (d) электронов в алюминий - основной компонент сплава АМГ-6, рассчитываемая по формуле [7]

где Е - энергия электронов, выраженная в МэВ, а ρ - плотность мишени, выраженная в г/см³, даже для максимальной энергии электронов источника, равной 2,27 МэВ, составляет 3,54 мм. Напомним, что толщина образцов из сплава АМГ6 равнялась 10 мм.

Предположение о том, что свойства на противоположной поверхности образца изменяет тормозное излучение также не выдерживает критики. Рассчитываемая по формуле [8]
D(P)=5•10^-10E(MэВ•Nγ - квантов/см²) (2)
где N - число γ-квантов/см², D - экспозиционная доза γ-излучения, выраженная в рентгенах, экспозиционная доза тормозного излучения при принятых нами допущениях (N=Ф) равна 10⁷ P=0,1 мкР. В то же время образец получает каждый час 10-12 мкР благодаря естественному фону радиоактивного излучения.

Выполнение сформулированных выше условий, т.е. облучение электронами в интервале интегральных потоков от 1•10¹ до менее 1•10¹⁸ эл/см², обеспечивает увеличение твердости или увеличение пластичности алюминиевых сплавов. Напротив, невыполнение данных условий либо не изменяет механических свойств алюминиевых сплавов, либо приводит к их резкому ухудшению.

Источники, принятые во внимание
1. Механизм радиационного упрочнения инструмента из твердого сплава на основе кобальта /Петренко П.В., Кулиш Н.П., Мельникова Н.А., Грицкевич А.Л., Мищенко О.П. // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. -1991.- В.1(55). - С.105-107.

2. Изменение износостойкости инструментальных сталей при электронном облучении /А. Е. Брагинская, В.Н. Манин, А.В. Македонский, Н.А. Мельникова, Л.М. Пакчанин, П.В. Петренко // Физика и химия обработки материалов. - 1983. - 1. - С.8-12 (прототип).

3. Яворский Б. М. , Детлаф А.А. Справочник по физике / М.: Физматгиз, 1963. - 848c. - C.751.

4. Таблицы физических величин. Справочник. Под ред. академика И.К. Кикоина /М.: Атомиздат, 1976. - 1008 с. - С.834.

5. Изменение структуры сплава ВК при воздействии малых доз γ -облучения /Чернов И.П., Тимошников Ю.А., Мамонтов А.П., Коротченков В.А., Лапскер И.А. , Семухин B.C. // Атомная энергия. - 1984.-Т.57, Вып.1. - С.58-59.

6. Радиационное упорядочение структуры несовершенных полупроводниковых кристаллов /И.П. Чернов, А.П. Мамонтов, В.А. Коротченко, Ю.А. Тимошников, Е. Ю. Боярко, Ю.Ю. Крючков, В.В. Копылов // Физика и техника полупроводников. - 1980. - Т.14, В. 11.-С.2271-2273.

7. Мамонтов А.П., Чернов И.П. Эффект малых доз ионизирующего излучения / М.: Энергоатомиздат, 2001. - 286 с.

8. Широков Ю.М., Юдин Н.П. Ядерная физика /М.: Наука, 1972. - 672 с.

Изобретение относится к области металлургии, преимущественно к способам радиационной модификации изделий из легких сплавов, в частности к изделиям из алюминиевых сплавов, применяемым в авиационной и авиакосмической промышленности. Данный способ включает облучение изделий радиоизотопным источником электронов, содержащим смесь радиоактивных изотопов стронция 90 и иттрия 90, в интервале интегральных потоков от 10 до 10¹⁸ эл/см². Техническим результатом изобретения является то, что предложенный способ позволяет увеличить твердость или пластичность алюминиевых сплавов, а также то, что он является экономичным и эффективным. 1 табл.

Способ обработки изделий из алюминиевых сплавов, включающий облучение изделий электронами, отличающийся тем, что изделия облучают радиоизотопным источником электронов, содержащим смесь радиоактивных изотопов стронция 90 и иттрия 90, в интервале интегральных потоков от 10 до 10¹⁸ эл/см².