Способ изготовления полуфабрикатов и/или изделий из алюминий-литиевых сплавов

 

Изобретение относится к способам изготовления полуфабрикатов и/или изделий из алюминиево-литиевых сплавов, предназначенных для новой техники, в том числе и для сварных конструкций в авиационной промышленности. Предлагаемый способ включает получение литой гомогенизированной, прессованной или катаной заготовки, отжиг для коагуляции избыточных фаз, деформаций при 250 420°С со степенью 15 - 60% с последующим отжигом при 250 450°С, окончательную деформацию со степенью 15 60% при 270 480°С, закалку со скоростью охлаждения 0,5-3 V_кр и старение. После старения может проводиться сварка и окончательное старение. Способ позволяет повысить вязкость разрушения основного материала и снизить уровень остаточных напряжений в сварных соединениях. 7 з. п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к способу изготовления полуфабрикатов (катаных, прессованных, кованых) и/или изделий из алюминиево-литиевых сплавов, используемых в качестве конструкционных материалов в изделиях новой техники и изделиях народного хозяйства, в том числе и для сварных соединений.

Известен способ получения кованных полуфабрикатов из Al-Li-сплава марки 1420, включающий получение прессованной заготовки, горячую деформацию (ковка по 2-й схеме), закалку на воздухе и искусственное старение [1] Уровень вязкости разрушения поковок, полученных по известному способу, не превышает 50 кгс/мм^3/2.

Наиболее близким к изобретению является способ обработки алюминиево-литиевых сплавов, включающий гомогенизацию, горячую, холодную деформацию, промежуточный отжиг, закалку и старение. Горячую деформацию проводят при 100-500^оС, промежуточный отжиг при 200-500^оС с последующим охлаждением со скоростью 1500^оС/с 30^оС/ч [2] Известный способ позволяет получить полуфабрикаты, обладающие высокой пластичностью и изотропностью.

Однако полуфабрикаты, полученные по известному способу, имеют низкие значения вязкости разрушения, при этом в большинстве случаев разрушение происходит по границам зерен.

Алюминиево-литиевые сплавы представляют особый интерес для изготовления сварных изделий, так как последние приоритетны и наиболее рациональны. При прочих равных условиях сварные конструкции позволяют получить большую отдачу по массе, что особенно важно для авиационной, автомобильной техники [3] Сварные соединения, полученные по известному способу, имеют высокий уровень внутренних остаточных напряжений, что приводит к снижению работоспособности изделия.

Технической задачей изобретения является повышение вязкости разрушения основного материала и снижение уровня внутренних остаточных напряжений в сварных соединениях.

Предлагаемый способ изготовления полуфабрикатов и/или изделий из Al-Li сплавов включает получение заготовки, отжиг для коагуляции вторичных избыточных фаз, деформацию при 250-420^оС со степенью деформации 15-60% с последующим отжигом при 250-450^оС (при выдержке 1-12 ч), окончательную деформацию со степенью 15-60% при 270-480^оС, закалку со скоростью охлаждения 0,5-3 V_кр и старение. Для получения полуфабрикатов и/или изделий используют слиток гомогенизированный, прессованную и катаную заготовки. Отжиг для коагуляции вторичных избыточных фаз проводят на заготовке при 330-420^оС (при выдержке 1-12 ч). В случае, когда деформацию проводят при температуре ниже или равной температуре коагуляционного отжига, последний можно совмещать с нагревом под деформацию, что позволяет экономить электроэнергию в процессе изготовления полуфабрикатов.

Для получения сложных и тонких полуфабрикатов деформацию и промежуточный отжиг проводят многократно. Необходимое количество повторений операций деформация-промежуточный отжиг определяется размерами исходной заготовки и геометрическими размерами конкретного полуфабриката. В случае получения сварных изделий после старения проводят сварку и дополнительное старение при 200-230^оС (в течение 30 мин 12 ч). Дополнительное старение способствует снижению внутренних остаточных напряжений и стабилизации свойств сварных соединений.

В предложенном способе дополнительно введен отжиг для коагуляции вторичных избыточных фаз и закалку проводят cо cкороcтью охлаждения 0,5-3 V_кр. При температурах 330-420^оС происходит выделение и коагуляция вторичных избыточных фаз, а также коагуляция выпавших в процессе охлаждения от температуры гомогенизации или в процессе деформации заготовки и последующем ее охлаждении, в том числе и дисперсоидов переходных металлов. Это приводит к более равномерному протеканию процесса деформации в широком интервале температур 250-420^оС.

При снижении температуры коагуляционного отжига ниже 330^оС (при выдержках менее 1 ч) размер избыточных фаз не превышает 2 мкм (в предлагаемом способе размер этих фаз более 3 мкм), при этом вблизи границ зерен образуются зоны, свободные от выделений. При повышении же температуры выше 420^оС (при выдержках более 12 ч) наблюдается неравномерное выделение фаз с преимущественным выделением их на границах зерен, что как в первом, так и во втором случаях приводит к локализации деформации в микрообъемах. Для такого материала характерно межзеренное разрушение и снижение вязкости разрушения, особенно в высотном направлении.

Опыт работы с Al-Li-сплавами показал, что у них в отличие от стандартных алюминиевых сплавов при снижении скорости охлаждения ниже V_кр коррозионная стойкость в высотном направлении улучшается.

Однако с уменьшением скорости охлаждения выносливость при циклических нагрузках, а также механические свойства снижаются, что обуславливает ограничение скорости охлаждения по нижнему пределу. С повышением скорости охлаждения выше V_кр коррозионная стойкость падает и увеличивается анизотропия свойств. Поэтому для Al-Li-сплавов при закалке в отличие от cтандартных алюминиевых cплавов необходимо регламентировать скорость охлаждения при закалке по нижнему и верхнему пределам с целью обеспечения оптимального сочетания характеристик, определяющих высокую работоспособность сплава: низкий уровень внутренних остаточных напряжений, повышенная коррозионная стойкость, высокий уровень вязкости разрушения и механических свойств при их изотропности.

V_кр каждого сплава определяют по С диаграмме распада переохлажденного твердого раствора алюминия с учетом характеристик трещиностойкости, механических и коррозионных свойств. Этой скорости охлаждения соответствует минимальная ширина зоны свободной от выделения, максимальная трещиностойкость при статической и циклической нагрузке, максимальное сопротивление разрушению, минимальная чувствительность к зернограничному разрушению материала и оптимальное сочетание механических и коррозионных свойств.

Снижение скорости охлаждения ниже нижнего предела приводит к снижению механических свойств, вязкости разрушения (K_1с), а выше верхнего предела возрастают внутренние остаточные напряжения снижаются коррозионные свойства материала и увеличивается анизотропия свойств.

Температуру нагрева полуфабрикатов, деталей под закалку выбирают исходя из условия максимального растворения магния и лития в твердом растворе алюминия, т.е. выбор температуры нагрева под закалку соответствует традиционному подходу.

Для реализации предлагаемого технического решения в качестве закалочной среды используют водовоздушные смеси, воздух под давлением, термоизоляционные покрытия, водные растворы полимеров, кипящую воду и др.

При сварке в зоне термического влияния происходит нагрев, в том числе и до температур минимальной устойчивости твердого раствора алюминия. В этих зонах могут происходит существенные изменения из размеров и как следствие повышенное коробление и возникновение внутренних остаточных напряжений в сварных соединениях. Дополнительное старение при 200-230^оС обеспечивает снятие сварочных внутренних остаточных напряжений. Кроме того, за счет дисперсных выделений в сварном шве фазы β проиcходит cтабилизация cвойcтв cварного cоединения, при этом сохраняется высокий уровень прочностных свойств основного материала.

П р и м е р 1. Сплав 1421 принадлежит к системе Al-Mg-Li с добавками Sc, Zr, имеет V_кр 0,8^оС/с. Штамповки получены из плоского литого слитка по следующей технологии: гомогенизация по режиму 450^оС, 12 ч; отжиг для коагуляции избыточных вторичных фаз при 330^оС, 12 ч; деформация (ковка) при 250^оС со степенью 15% промежуточный отжиг при 250^оС, 1 ч; деформация (ковка) при 270^оС со степенью 60% отжиг при 320^оС, 1 ч; деформация (предварительная штамповка) при 320^оС со степенью 20% отжиг при 450^оС, 2 ч; окончательная деформация (окончательная штамповка) при 480^оС со степенью 60%
закалка от 430^оС со скоростью охлаждения 0,4^оС/с, что составляло 0,5 V_кр;
старение сплава проводили по режиму 120^оС, 12 ч.

П р и м е р 2. Сплав 1410 принадлежит к системе Al-Mg-Li с добавками Sc, Zr, имеет V_кр 0,7^оС/с. Поковки толщиной 40 мм получены из прессованного прутка по следующей схеме:
отжиг для коагуляции избыточных вторичных фаз при 420^оС, 1 ч;
деформация при 420^оС со степенью 40%
промежуточный отжиг при 320^оС, 2 ч;
деформация при 320^оС со степенью 50%
отжиг при 270^оС, 4 ч;
деформация при 270^оС со степенью 40%
закалка от 450^оС со скоростью охлаждения 2,1 С/с, что составляло 3 V_кр;
старение сплава проводили по режиму 120^оС, 12 ч.

П р и м е р 3. Штамповки сплава 1421 получены из прессованного прутка по следующей технологии:
отжиг для каогуляции избыточных вторичных фаз при 350^оС, 8 ч;
деформация (ковка) при 350^оС со степенью 40%
промежуточный отжиг при 370^оС, 4 ч;
деформация (ковка) при 370^оС со степенью 60%
отжиг при 370^оС, 2 ч;
деформация (штамповка) при 370^оС со степенью 50%
закалка от 450^оС со скоростью охлаждения 0,8^оС/с, что составляло 1,0 V_кр;
старение сплава проводили по режиму 120^оС, 12 ч.

П р и м е р 4. Штамповка сплава 1421 получены из катаной полосы по следующей технологии:
отжиг для коагуляции избыточных вторичных фаз при 350^оС, 8 ч;
деформация (ковка) при 350^оС со степенью 60%
промежуточный отжиг при 450^оС, 4 ч;
деформация (ковка) при 370^оС со степенью 15%
отжиг при 370^оС, 2 ч;
деформация (штамповка) при 370^оС со степенью 50%
закалка от 450^оС со скоростью охлаждения 0,8^оС/с, что составляло 1,0 V_кр;
старение сплава проводили по режиму 120^оС, 12 ч;
сварка автоматическая аргонно-дуговая с присадочной проволокой марки АМг63;
дополнительное старение 200^оС, 12 ч.

П р и м е р 5. Штамповки сплава 1421 получены из прессованного прутка по следующей технологии:
отжиг для коагуляции избыточных вторичных фаз при 350^оС, 8 ч;
деформация (ковка) при 350^оС со степенью 40%
промежуточный отжиг при 370^оС, 4 ч;
деформация (ковка) при 370^оС со степенью 60%
отжиг при 370^оС, 2 ч;
деформация (штамповка) при 370^оС со степенью 50%
закалка от 450^оС со скоростью охлаждения 0,8^оС/с, что составляло 1,0 V_кр;
старение сплава проводили по режиму 120^оС, 12 ч;
сварка автоматическая аргонно-дуговая с присадочной проволокой марки АМг63;
дополнительное старение 230^оС, 30 мин.

П р и м е р 6. Штамповки сплава 1421 получены из плоского слитка по следующей технологии:
гомогенизация по режиму 450^оС, 12 ч;
"коагуляционный" отжиг при 450^оС, 0,5 ч;
деформация (ковка) при 250^оС со степенью 40%
промежуточный отжиг при 450^оС, 4 ч;
деформация (ковка) при 320^оС со степенью 60%
отжиг при 320^оС, 1 ч;
деформация (предварительная штамповка) при 320^оС со степенью 20%
отжиг при 470^оС, 2 ч;
окончательная деформация (окончательная штамповка) при 480^оС со степенью 60%
закалка от 430^оС со скоростью охлаждения 8^оС/с, что составляло 10 V_кр;
старение сплава проводили по режиму 120^оС, 12 ч;
сварка автоматическая аргонно-дуговая с присадочной проволокой марки АМг63;
дополнительное старение 250^оС, 30 мин.

П р и м е р 7. Штамповки сплава 1421 получены из плоского слитка по следующей технологии:
гомогенизация по режиму 450^оС, 12 ч;
коагуляционный отжиг при 270^оС, 13 ч;
деформация (ковка) при 250^оС со степенью 40%
промежуточный отжиг при 450^оС, 4 ч;
деформация (ковка) при 320^оС со степенью 60%
отжиг при 320^оС, 1 ч;
деформация (предварительная штамповка) при 320^оС со степенью 20%
отжиг при 470^оС, 3 ч;
окончательная деформация (окончательная штамповка) при 480^оС со степенью 60%
закалка от 430^оС со скоростью охлаждения 0,2^оС/с, что составляло 0,25 V_кр;
старение сплава проводили по режиму 120^оС, 12 ч;
сварка автоматическая аргонно-дуговая с присадочной проволокой марки АМг63;
дополнительное старение 170^оС, 14 ч.

П р и м е р 8. Штамповки сплава 1421 получены из плоского слитка по следующей технологии:
гомогенизация по режиму 450^оС, 12 ч;
деформация (ковка) при 350^оС со степенью 60%
промежуточный отжиг при 450^оС, 4 ч с охлаждением 30^оС/ч;
деформация (ковка) при 320^оС со степенью 40%
отжиг при 320^оС, 1 ч;
деформация (штамповка) при 320^оС со степенью 20%
отжиг при 470^оС, 3 ч;
окончательная деформация холодная;
закалка от 450^оС в воде (скорость охлаждения 20^оС/с);
старение сплава проводили по режиму 120^оС, 12 ч.

П р и м е р 9. Штамповки были получены по варианту примера 8 и затем проведена сварка автоматическая аргонно-дуговая с присадочной проволокой марки АМг63;
П р и м е р 10. Штамповки сплава 1421 получены из плоского литого слитка по следующей технологии:
гомогенизация по режиму 450^оС, 12 ч;
коагуляционный отжиг при 310^оС, 12 ч;
деформация (ковка) при 230^оС со степенью 40%
На поковке имелись боковые трещины. Изготовление прекращено, испытание свойств не проводилось.

П р и м е р 11. Штамповки сплава 1421 получены из плоского слитка по следующей технологии:
гомогенизация по режиму 450^оС, 12 ч;
коагуляционный отжиг при 310^оС, 12 ч;
деформация (ковка) при 490^оС со степенью 70%
На поковке имелись боковые трещины. Изготовление прекращено, испытание свойств не проводилось.

Результаты испытаний основного материала и сварных соединений приведены соответственно в табл.1 и 2. Как видно из данных табл.1 полуфабрикаты, обработанные по предлагаемому способу, имеют более высокую вязкость разрушения в сравнении с полуфабрикатами, полученными по известному способу, при практически одинаковом уровне механических свойств. В сравнении с сварными соединениями, полученными по известному способу, сварные соединения (табл. 2), изготовленные по предлагаемому способу, имеют значительно более низкие сварочные внутренние остаточные напряжения при том же уровне коррозионных и механических свойств, при этом отмечается меньший разброс свойств. Таким образом предлагаемый способ позволяет повысить надежность работы изделия и предопределяет эффективность и экономичность использования предложенного технического решения в различных отраслях промышленности.

При решении поставленной цели предлагается новый подход. Каждый из введенных признаков является необходимым, а вместе перечисленные признаки в указанной последовательности достаточны для обеспечения поставленной цели.

Таким образом, полученные результаты по опробованию предлагаемого способа дают основание рекомендовать его для широкого использования при изготовлении различных полуфабрикатов и/или изделий из термически упрочняемых алюминиево-литиевых сплавов, в том числе и сварных соединений.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУФАБРИКАТОВ И/ИЛИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ АЛЮМИНИЙ-ЛИТИЕВЫХ СПЛАВОВ, включающий получение заготовки, деформацию при 250 420^oС со степенью деформации 15 60% последующий отжиг при 250 450^oС, окончательную деформацию со степенью 15 60% при 270 480^oС, закалку и старение, отличающийся тем, что перед деформацией проводят отжиг заготовки для коагуляции вторичных избыточных фаз, а закалку осуществляют со скоростью охлаждения 0,5 3,0 критических скоростей охлаждения.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что получают литую гомогенизированную заготовку.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что получают прессованную заготовку.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что получают катаную заготовку.

5. Способ по пп.1 4, отличающийся тем, что отжиг для коагуляции вторичных избыточных фаз проводят при 330 420 ^oС.

6. Способ по пп.1 5, отличающийся тем, что отжиг для коагуляции вторичных избыточных фаз совмещают с нагревом под деформацию.

7. Способ по пп.1 6, отличающийся тем, что деформацию и последующий отжиг проводят многократно.

8. Способ по пп.1 7, отличающийся тем, что после старения осуществляют сварку и дополнительное старение при 200 230^oС.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2