Материал на основе алюминия

Изобретение относится к металлургии, в частности к деформируемым сплавам на основе алюминия, и может быть использовано при получении изделий, работающих в широком диапазоне температур, до 350°С. Материал на основе алюминия характеризуется структурой, включающей алюминиевый твердый раствор и вторичные алюминиды, при этом материал содержит следующие компоненты, мас.%: медь 1,2-2,4, марганец 1,2-2,2, цирконий 0,15-0,6, ванадий 0,01-0,15, скандий 0,01-0,2, алюминий - остальное. Равновесный солидус данного материала выше 600°С, а твердость по Виккерсу не менее 85 HV. В частных воплощениях данного изобретения материал выполнен в виде катаных листов, полученных из литых слитков, при этом температура нагрева исходных слитков не превышает 410°С; материал характеризуется следующими механическими свойствами при комнатной температуре после отжига при 290-410°С в течение 1-20 ч: временное сопротивление при растяжении (σ_в) не менее 300 МПа; относительное удлинение (δ) не менее 6%; 100-часовая прочность (σ₁₀₀) при 350°С выше 30 МПа. Техническим результатом изобретения является изготовление материала, обладающего более высокими значениями прочности при повышенной температуре, что позволяет снизить массу изготовленных из него изделий. 3 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

 

Область техники.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым сплавам на основе алюминия, и может быть использовано при получении изделий, работающих в широком диапазоне температур, до 350°С. Из материала могут быть получены детали двигателя, как лопатки компрессоров, крыльчатки, диски и кольца турбореактивных и турбовинтовых двигателей, поршни двигателей, корпуса, сопла, задвижки, фланцы и другие детали, работающие при повышенных температурах, а также поковки и штамповки сложной формы, катаные листы, прессованные полуфабрикаты; нагружаемые детали и сварные изделия.

Предшествующий уровень техники.

Деформируемые алюминиевые сплавы, содержащие в качестве основного компонента медь, имеют оптимальное сочетание механических свойств при комнатной и повышенных (до 250-300°С) температурах. Оптимальная концентрация меди в сплавах этого типа составляет 5-7%, что соответствует или несколько превышает ее предельную растворимость в алюминиевом твердом растворе - (Al). Такое содержание меди приводит к образованию максимального количества вторичных выделений фазы Al₂Cu при старении. Кроме того, почти все эти сплавы содержат марганец в количестве до 1%.

В частности, известен сплав на основе алюминия Д20 (См. Алиева С.Г., Альтман М.Б. и др. "Промышленные алюминиевые сплавы", М.: Металлургия, 1984. 528 с.), который содержит 6-7% Cu, 0,4-0,8% Mn 0,1-0,2% Ti. Деформируемые полуфабрикаты, полученные из слитков этого сплава, имеют сравнительно высокие механические свойства при 250-300°С. Однако нагрев свыше 300°С приводит к сильному разупрочнению. Кроме того, производство деформируемых полуфабрикатов из слитков требует сложной технологии, включающей гомогенизирующий отжиг при температуре свыше 500°С, обработку давлением, нагрев полуфабрикатов под закалку, закалку в воде, старение.

Известен также сплав на основе алюминия 1201 (ГОСТ 4784-97), который кроме меди, марганца и титана содержит добавки циркония и ванадия при следующем соотношении компонентов, мас.%: 5,8-6,8% Cu; 0,2-0,4% Mn; 0,02-0,1% Ti; 0,1-0,25% Zr; 0,05-0,15% V.

Данный сплав благодаря добавкам циркония и ванадия обладает более высокими механическими свойствами, чем сплав Д20, однако при нагреве свыше 300°С он также склонен к сильному разупрочнению. Кроме того, технология получения деформируемых полуфабрикатов из слитков такая же сложная.

Раскрытие изобретения.

В основу изобретения положена задача создать новый материал на основе алюминия, который бы в виде деформируемых полуфабрикатов отвечал следующим требованиям:

а) более простая (по сравнению со сплавом 1201) технология получения из слитков, в частности, температура нагрева исходных (литых) слитков не должна превышать 450°С, а операция закалки в воде (или другой жидкости) должна отсутствовать;

б) характеристики длительной прочности при 300-350°С должны быть выше, чем у сплава 1201;

в) прочность и твердость при комнатной температуре после нагрева при 300-350°С в течение 1-20 ч должна быть выше, чем у сплава 1201;

г) 100-часовая прочность при 350°С должна быть выше, чем у сплава 1201.

Поставленная задача решается созданием материала на основе алюминия, содержащим медь, марганец, цирконий, ванадий и скандий. При этом материал характеризуется структурой, представляющей собой матрицу на основе твердого раствора алюминия с равномерно распределенными в ней вторичными алюминидами переходных металлов, при этом он содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:

медь	1,2-2,4
марганец	1,2-2,2
цирконий	0,15-0,6
ванадий	0,01-0,15
скандий	0,01-0,2
алюминий	остальное

Материал характеризуется тем, что его равновесный солидус выше 600°С, а твердость по Виккерсу не менее 85 HV.

Материал может быть выполнен в виде отожженных листов (холоднокатаных или горячекатаных) и характеризуется временным сопротивление при растяжении (σ_в) не менее 300 МПа, относительным удлинением (δ) не менее 6%. При этом исходные литые слитки не подвергаются гомогенизационному отжигу, а температура их нагрева перед прокаткой не превышает 410°С.

Сущность изобретения.

При создании изобретения для решения поставленной задачи мы ставили цель - изготовить материал, в структуре которого имеется максимальное количество дисперсоидов и при этом его можно было бы получать на серийном промышленном оборудовании, используемом для производства деформируемых алюминиевых сплавов. Такие дисперсоиды могут быть получены за счет введения в сплав добавок марганца и циркония. При этом чем меньше их размер, тем лучше технический результат.

Марганец в количестве до 1% широко используется в Al-Cu промышленных сплавах, однако в большинстве случаев не регламентируется размер дисперсоидов и их объемная доля. Следует отметить, что высокая температура гомогенизации известных сплавов (свыше 500°С) способствует образованию крупных частиц дисперсоидов, имеющих размеры до 1 мкм. Это отрицательно сказывается на механических свойствах. В связи с этим для достижения поставленной цели был определен предел нагрева сплава на всех технологических этапах после получения слитка: не выше 410°С.

Еще более важную роль играет цирконий, который во многих деформируемых алюминиевых сплавах присутствует в количестве 0,1-0,2%. Этот элемент в виде дисперсоидов метастабильной фазы Al₃Zr (куб.) повышает многие механические свойства, действуя как антирекристаллизатор. Повышение объемной доли этих дисперсоидов при ограничении среднего размера частиц (не более 15 нм) за счет введения этого элемента в количестве 0,2-0,6% совместно с ванадием и скандием позволяет существенно повысить эффект его действия. Однако для достижения этого требуется изменение технологических параметров плавки, литья и термообработки.

Пример конкретного выполнения.

Сплавы для заявляемого материала были приготовлены в электрической печи сопротивления в графитошамотных тиглях из алюминия (99,99%), меди (99,9%) и лигатур (Al - 10% Mn, Al - 3,5% Zr, Al - 2% Sc, Al - 3% V). Состав сплава для заявляемого материала соответствовал составам 2-4 в табл.1. Сначала были получены слитки (15×30×180 мм) литьем в графитовые изложницы со скоростью охлаждения около 10 К/с. Выборочный анализ химического состава сплавов показал, что расхождение не превышает 3% от расчетных значений, которые далее и приводятся. Прокатку слитков проводили при комнатной температуре на лабораторном стане за несколько проходов до толщины ˜2 мм, что соответствовало степени деформации ˜87%. Отжиг листов проводили в муфельной электропечи по режимам, указанным в табл.2. Солидус определяли методом дифференциального термического анализа.

Структуру сплавов изучали в световом (Neophot-30), электронном сканирующем (JSM-35 CF) и электронном просвечивающем (JEM 2000 EX) микроскопах (далее CM, СЭМ и ПЭМ соответственно). Определяли наличие фаз кристаллизационного происхождения (СМ и СЭМ) и дисперсоидов (ПЭМ). Типичные структуры показаны на фиг.1-2.

Твердость по Виккерсу (HV) измеряли на листах по стандартной методике (ГОСТ 2999-75). Для испытаний на растяжение по ГОСТ 11701-84 (со скоростью 4 мм/мин) из листов вырезали плоские образцы размером 10×160 мм, разделяя рабочую длину на три зоны по 20 мм. Относительное удлинение рассчитывали в зоне, где произошло разрушение. 100-часовую прочность (σ₁₀₀) определяли на плоских образцах по ГОСТ 10145-81.

Пример 1.

Определяли твердость и солидус слитков сплавов, указанных в табл.1, после отжига при 350°С (5 ч).

Таблица 1
№	Концентрации, мас.%	Характеристики
	Cu	Mn	Zr	Sc	V	Al	Т, °С*	HV**
1	1	1	0,1	0,001	0,001	ост.	640	42
2	1,2	1,2	0,6	0,01	0,01	ост.	635	88
3	1,8	1,7	0,3	0,1	0.15	ост.	620	90
4	2,4	2,2	0,15	0,2	0,08	ост.	604	96
5	3	2,5	0,8	0,3	0,3	ост.	590	74
6***	6,2	0,3	0,2	Ti 0,06	0,1	ост.	547	73
Δ****	не более 3% от среднего значения	2	3
* - равновесный солидус; ** - твердость по Виккерсу; *** - прототип, **** - ошибка измерения

Как следует из табл.1, сплавы 2-4 имеют заявленные значения и необходимый уровень. В сплаве №1 из-за низкого содержания компонентов объемная доля дисперсоидов меньше заданной, что обуславливает низкую прочность. В сплаве №6 (прототипе) из-за низкого содержания марганца и отсутствия скандия прочность также низкая. Кроме того, его солидус составляет 547°С, что намного ниже заявленного уровня. В сплаве №5 повышенная концентрация меди является причиной заниженного солидуса.

Пример 2.

Определяли механические свойства на растяжение 2 мм листов, полученных холодной прокаткой из литых слитков. Как видно из табл.2, только предлагаемый сплав (составы №№2-4) обладает в отожженном состоянии заданным уровнем как прочности, так и пластичности. Сплав №1 характеризуется пониженной прочностью, а сплав №5 - пониженной пластичностью, что не позволяет получать из него качественные листы. Прототип (№6), который был получен по рекомендованной для него технологии (включая горячую прокатку, закалку листов и старение на максимальную прочность), имеет в отожженном состоянии пониженную прочность.

Таблица 2
№*	Т, °С**	τ, ч***	HV	σв, МПа	δ, %
1	350	10	62	165	18
2	290	20	104	315	12
3	350	10	114	335	9
4	410	1	118	340	8
5	Трещины при прокатке
6	350	10	70	250	15
Δ	3	15	2
* по табл.1; ** температура отжига; *** время отжига

Лист предлагаемого сплава состава №3 был также получен при подогреве слитка до 410°С. Определение механических свойств показало следующие свойства на растяжение после отжига (350°С, 10 ч): σ_в=310 МПа, δ=12%.

Пример 3.

Определяли 100-часовую прочность (σ₁₀₀) при 350°С предлагаемого сплава состава №3 и прототипа. У предлагаемого сплава значение σ₁₀₀ находится в диапазоне 30-35 МПа, а у прототипа - ниже 20 МПа.

Заявляемый сплав можно использовать в авиа- и автомобилестроении и, в частности, в двигателестроении для изготовления лопаток, крыльчаток, дисков осевых компрессоров, кронштейнов, фланцев, задвижек и других деталей, работающих при повышенных температурах.

Повышенная прочность предлагаемого сплава при повышенных температурах по сравнению с используемыми сплавами позволяет снизить массу изделия, повысить рабочую температуру, а также продлить срок их службы. Кроме того, повышенная технологичность предлагаемого материала по сравнению с известными алюминиевыми деформируемыми сплавами (типа 1201, АК4-1, АК8) позволяет снизить стоимость изделий.

1. Материал на основе алюминия, содержащий медь, марганец, цирконий и ванадий, характеризующийся структурой, включающей алюминиевый твердый раствор и вторичные алюминиды, отличающийся тем, что он дополнительно содержит скандий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Медь	1,2-2,4
Марганец	1,2-2,2
Цирконий	0,15-0,6
Ванадий	0,01-0,15
Скандий	0,01-0,2
Алюминий	Остальное

при этом его равновесный солидус выше 600°С, а твердость по Виккерсу не менее 85 HV.

2. Материал по п.1, отличающийся тем, что он выполнен в виде катаных листов, полученных из литых слитков при температуре нагрева исходных слитков, не превышающей 410°С.

3. Материал по п.2, отличающийся тем, что он характеризуется следующими механическими свойствами при комнатной температуре после отжига при 290-410°С в течение 1-20 ч:

временное сопротивление при растяжении (σ_в) не менее 300 МПа;

относительное удлинение (δ) не менее 6%.

4. Материал по п.2, отличающийся тем, что его 100-часовая прочность (σ₁₀₀) при 350°С выше 30 МПа.