Сплав на основе алюминия и изделие, выполненное из этого сплава

 

Изобретение относится к сплавам на основе алюминия системы алюминий-медь-литий, используемым в качестве конструкционных материалов в авиакосмической технике. Сплав характеризуется следующим химическим составом, мас.%: медь 3,0-3,8, литий 1,4-1,7, цирконий 0,0001-0,04, скандий 0,16-0,35, железо 0,01-0,5, магний 0,01-0,7, марганец 0,05-0,5, водород 1,0•10^-5-5,0•10^-5, барий 0,001-0,2, галлий 0,001-0,08, сурьма 0,00001-0,001, алюминий - остальное. Техническим результатом изобретения является улучшение конструктивной прочности, ударопрочности, снижение скорости роста усталостных трещин при сохранении высокого уровня прочностных свойств (предела прочности, текучести) и свариваемости. 2 с.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к области цветной металлургии, а именно к сплавам па основе алюминия системы алюминий-медь-литий. Изделия из этих сплавов используются в авиакосмической технике, например в баках, обшивке и силовом наборе.

Известны конструкционные деформируемые сплавы системы Al-Cu-Li (патенты РФ 1707986 и 1720291, патент Франции 2561260, МКИ С 22 С 21/12). Они предназначены для баков, элементов крыла и силового набора. Однако эти сплавы, имея пониженную плотность, высокие прочностные свойства при однократном и повторном нагружении, обладают пониженными значениями конструктивной прочности, ударопрочности и повышенной скоростью роста трещины усталости (СРТУ), а также недостаточно высокими характеристиками свариваемости.

Эти свойства во многих случаях являются определяющими при эксплуатации изделий авиакосмической техники.

Наиболее близким по назначению и по химическому составу, принятым за прототип, является сплав на основе алюминия системы алюминий-медь-литий следующего химического состава (мас.%): Медь - 1,4-6,0 Литий - 1,0-4,0 Цирконий - 0,02-0,3 Титан - 0,01-0,15 Бор - 0,0002-0,07 Церий - 0,005-0,15 Железо - 0,03-0,25 по крайней мере один элемент из группы, содержащей (мас. %): Неодим - 0,0002-0,1
Скандий - 0,1-0,35
Ванадий - 0,01-0,15
Марганец - 0,05-0,6
Магний - 0,6-2,0
Алюминий - Остальное
(патент РФ 1584414, БИ 19, 1994г.)
Этот сплав обладает улучшенным сочетанием прочностных характеристик, параметров пластичности, свариваемости. Он используется как конструкционный материал в авиакосмической технике.

Однако указанный сплав обладает пониженными конструктивной прочностью, ударопрочностью и повышенной скоростью роста трещины усталости, что затрудняет его использование, например, в самолетостроении, в частности, в изделиях, длительно работающих при повторных нагрузках или подверженных внешним ударам.

Технической задачей данного изобретения является создание сплава, обладающего, наряду с высокими прочностными свойствами (пределами прочности, текучести) и свариваемостью, повышенными конструктивной прочностью, ударопрочностью и пониженной СРТУ. Это позволит изготавливать изделия авиакосмической техники с большим ресурсом эксплуатации, повышенной надежности и безопасности.

Для достижения поставленной задачи предложен сплав на основе алюминия, имеющий следующий химический состав (мас.%):
Медь - 3,0-3,8
Литий - 1,4-1,7
Цирконий - 0,0001-0,04
Скандий - 0,16-0,35
Железо - 0,01-0,5
Магний - 0,01-0,7
Марганец - 0,05-0,5
Водород - 1,0•10^-5-5,0•10^-5
Барий - 0,001-0,2
Галлий - 0,001-0,08
Сурьма - 0,00001-0,001
Алюминий - Остальное
и изделие, выполненное из этого сплава.

Предлагаемый сплав отличается от прототипа тем, что он дополнительно содержит водород, барий, галлий и сурьму.

Улучшение конструктивной прочности, ударопрочности и снижение СРТУ как важных характеристик, обеспечивающих повышение эксплуатационных свойств и ресурса ряда изделий, достигается дополнительным легированием водородом, барием, а также добавкой галлия и сурьмы.

Присутствие водорода в виде соединений (например, гидридов лития) затрудняет деформацию вблизи вершины растущей трещины, замедляя ее распространение. Барий совместно со скандием и цирконием снижает поверхностное натяжение расплава в процессе сварки, что сказывается на уменьшении размеров интерметаллидов при кристаллизации металла шва. Это улучшает работоспособность и конструктивную прочность сварного соединения. Галлий и сурьма, находясь в твердом растворе, влияют на взаимодействие дислокации с выделениями, затрудняя деформацию у вершины трещины, тем самым снижая СРТУ.

Пример осуществления
Из слитков сплавов 1-4 в лабораторных условиях при температуре 450^oС были отпрессованы полосы. Из полос путем поперечной горячей (при 420-470^oС), а затем холодной прокатки получали листы толщиной 3 мм. Листы закаливали от 530^oС в воде, подвергали растяжке на 2-3% и старили по ступенчатому режиму при 160-180^oС.

Сварные соединения получали аргонодуговой сваркой с присадочной проволокой св 1217.

Проведены испытания механических свойств листов и сварных соединений. Испытания ударопрочности листов проводили на вертикальном копре с полусферическим стальным наконечником диаметром 25 мм. Образец - пластина размером 1х100х150 мм. Определяли пороговую энергию удара, отвечающую появлению трещины в образце.

Для оценки конструктивной прочности были изготовлены сварные бачки диаметром 380 мм, которые испытывали до разрушения внутренним давлением. Оценивали напряжение, отвечающее разрушению бачка. Скорость роста трещины усталости (d21/dN) определяли на образцах шириной 200 мм при ΔK = 100кгc/мм^3/2.
В табл. 1 представлены химические составы предложенного сплава и прототипа. В табл. 2 приведены свойства предложенного сплава и прототипа. Полученные результаты показывают, что предложенный сплав, по сравнению с известным сплавом, обладает близкими значениями пределов прочности, текучести и относительного удлинения основного материала, а также предела прочности сварного соединения. Однако по конструктивной прочности и ударопрочности предложенный сплав превосходит известный сплав соответственно на 15 и 35%, а СРТУ предложенного сплава в 1,8 раза меньше, чем у известного сплава.

Таким образом, применение предложенного сплава в авиакосмической технике обеспечит повышение ресурса эксплуатации, а значит повысит надежность и экономичность работы изделий.

Формула изобретения

1. Сплав на основе алюминия, содержащий медь, литий, цирконий, скандий, железо, магний, марганец, отличающийся тем, что он дополнительно содержит водород, галлий, барий и сурьму при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Медь - 3,0-3,8
Литий - 1,4-1,7
Цирконий - 0,0001-0,04
Скандий - 0,16-0,35
Железо - 0,01-0,5
Магний - 0,01-0,7
Марганец - 0,05-0,5
Водород - 1,0•10^-5-5,0•10^-5
Барий - 0,001-0,2
Галлий - 0,001-0,08
Сурьма - 0,00001-0,001
Алюминий - Остальное
2. Изделие, выполненное из сплава на основе алюминия, отличающееся тем, что сплав имеет следующий химический состав, мас. %:
Медь - 3,0-3,8
Литий - 1,4-1,7
Цирконий - 0,0001-0,04
Скандий - 0,16-0,35
Железо - 0,01-0,5
Магний - 0,01-0,7
Марганец - 0,05-0,5
Водород - 1,0•10^-5-5,0•10^-5
Барий - 0,001-0,2
Галлий - 0,001-0,08
Сурьма - 0,00001-0,001
Алюминий - Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1