Сплав на основе алюминия и изделие, выполненное из него

Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к среднепрочным, экономнолегированным сплавам на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu. Сплав на основе алюминия и изделие, выполненное из него, содержат следующие компоненты, мас.%: цинк 3,5-4,85, медь 0,3-1,0, магний 1,2-2,2, марганец 0,15-0,6, хром 0,01-0,3, железо 0,01-0,15, кремний 0,01-0,12, скандий 0,05-0,4, по крайней мере один элемент из группы: цирконий 0,05-0,15, церий 0,005-0,25, алюминий - остальное. Техническим результатом изобретения является создание сплава и изделия, выполненного из него, обладающих повышенными характеристиками коррозионной стойкости, свариваемостью всеми видами сварки и низкой скоростью роста трещины усталости. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к области цветной металлургии, а именно к среднепрочным, экономнолегированным сплавам на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu. Полуфабрикаты из этих сплавов (листы, профили, штамповки, поковки и др.) используются в качестве конструкционных материалов при изготовлении обшивки фюзеляжа, элементов силового набора планера гидросамолетов, вертолетов и палубной авиации, эксплуатирующихся во всеклиматических условиях, а также применяемых в транспортном машиностроении, судостроении, строительных конструкциях и других отраслях техники.

Известен сплав на основе алюминия, имеющий следующий химический состав (мас.%):

Zn=3,2-2,8

Mg=2,2-2,8

Cr=0,1-0,3

Zr=0,1-0,3

В=0,01-0,03

Be=0,01-0,05

Ti=0,1-0,3

Al=остальное (авт. св. СССР №1427857)

Сплав предназначен для литых деталей и изделий, выполненных из него. Недостатком сплава является пониженная технологическая пластичность, пониженная коррозионная стойкость и прочностные характеристики, что не позволяет использовать его в деталях силового набора и обшивок летательных аппаратов нового поколения.

Известны сплавы на основе алюминия серии 7000, например:

1. Сплав, имеющий следующий химический состав (мас.%):

Zn=5,0-8,0

Mg=2,0-3,5

Cu=0,5-2,5

Ni=0,05- 1,2

РЗМ=0,05-1,0

Fe=0,2-0,45

Si=0,05-0,15

Один элемент из группы

Zr=0,05-0,25

Ti=0,01-0,1

В=0,001-0,01

Mn=0,05-0,6

Cr=0,03-0,25

V=0,03-0,15

или Pb, Bi, Sn=0,05-2,5

Al=остальное (патент Японии №2107739)

2. Сплав на основе алюминия следующего химического состава (мас.%):

Zn=3,5-5,0

Mg=2,2-3,5

Mn=0,5-1,2

Zr=0,1-0,3

Fe≤0,1

Si≤0,1

Cr≤0,1

Ti≤0,1

Al=остальное (патент Великобритании №2246578)

Эти высоколегированные сплавы системы Al-Zn-Mg предназначены в качестве конструкционных материалов основных силовых элементов планера самолета - обшивки, деталей силового набора, стрингеров и др. Сплавы, обеспечивая сравнительно высокий уровень конструкционной прочности, плохо свариваются и обладают недостаточной коррозионной стойкостью, что не позволяет эффективно использовать их в изделиях, эксплуатирующихся во всеклиматических условиях.

Наиболее близким по химическому составу к предлагаемому является сплав на основе алюминия следующего химического состава (мас.%):

Zn=5,0-9,0

Mg=0,3-3,0

Cu=0,3-1,3

Zr=0,05-0,3

Fe=0,05-0,3

Si=0,01-0,2

по крайней мере, один элемент из группы:

Ni=0,01-0,2

Со=0,01-0,2

по крайней мере, один элемент из группы:

Be=0,0001-0,05

Мо=0,001-0,1

Mn=0,01-0,1

Ti=0,02-0,1

Cr=0,001-0,1

V=0,001-0,1

Н₂=(0,1-3,6)·10^-5

В=0,0001-0,03

С=0,00001-0,008

Al=остальное (патент РФ №2215807)

Полуфабрикаты, полученные из этого сплава (поковки, штамповки), обладают повышенной вязкостью разрушения, прочностными характеристиками, низкими остаточными напряжениями и не подвержены короблению. Однако сплав имеет недостаточно высокую технологическую пластичность, коррозионную стойкость и недостаточно высокую прочность сварного соединения, повышенную скорость роста трещины усталости (СРТУ), что не позволяет эффективно использовать его в изделиях авиационной техники, в частности гидросамолетах и палубной авиации.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание сплава и изделия на его основе, обладающего повышенными коррозионными свойствами (МКК, РСК и КР), свариваемостью всеми видами сварки, технологической пластичностью, хорошей прокаливаемостью, низкой скоростью трещины усталости (СРТУ), особенно в коррозионной среде. Все вышеперечисленные показатели позволяют использовать его в изделиях авиационной техники, эксплуатирующейся во всеклиматических условиях при температуре от -70°C до +80°C.

Для достижения поставленной задачи предложен сплав на основе алюминия, содержащий цинк, медь, магний, марганец, хром, кремний железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит скандий и, по крайней мере, один элемент из группы: цирконий, церий при следующем соотношении компонентов (мас.%):

Zn=3,5-4,85

Cu=0,3-1,0

Mg=1,2-2,2

Mn=0,15-0,6

Fe=0,01-0,15

Si=0,01-0,12

Sc=0,05-0,4

Cr=0,01-0,3

по крайней мере один элемент из группы:

Zr=0,05-0,15

Се=0,005-0,25

Al=остальное

и изделие, выполненное из него.

Значительное снижение суммарного содержания Zn и Mg на 25-30% в предложенном сплаве приводит к улучшению свариваемости и повышению прочности сварных соединений. Этот эффект достигается за счет малой чувствительности предлагаемого сплава к скорости охлаждения с высокой температуры и в процессе охлаждения на воздухе. В зоне термического воздействия сварного соединения происходит распад пересыщенного твердого раствора с выделением основной упрочняющей фазы MgZn₂. Кроме того, при заявленном суммарном содержании Zn и Mg в сплавах системы Al-Zn-Mg наблюдается наилучшая технологичность (R_мин) и практически отсутствует склонность к коррозии под напряжением.

Дополнительное легирование Sc оказывает существенный упрочняющий эффект за счет выделения дисперсных частиц фазы Al₃Sc. Кроме того, Sc измельчает зеренную структуру в зоне сварного шва, что также способствует высокой прочности сварного соединения.

Малые добавки Zr и/или Се способствуют измельчению зерна и уменьшению отрицательного влияния Si на характеристики пластичности и вязкости разрушения.

Пример осуществления

В опытно-промышленных условиях были проведены плавки предлагаемого сплава и сплава прототипа. Из отлитых слитков изготовлены следующие полуфабрикаты: штамповки, профиль, листы термообработаны по двухступенчатому режиму старения (Т3):

1-ая ступень старения - 100^±5°С - 8 часов

2-ая ступень старения - 170^±5°С - 5 часов

После изготовления образцов проведены испытания на СРТУ - скорость роста трещины усталости (ОСТ 1.90268-78).

Коррозионные испытания:

1. испытания на межкристаллитную коррозию (МКК) проводились по ГОСТ 9.021;

2. испытания на расслаивающую коррозию (РСК) проводились по ГОСТ 9.904;

3. испытания сварных соединений по ГОСТ 1497-84

В таблице 1 представлен химический состав предложенного сплава (пример 1-3) и сплава-прототипа (пример 4).

В таблице 2 представлены свойства указанных сплавов.

Как видно из таблицы 2, предлагаемый сплав превосходит сплав-прототип по характеристикам коррозионной стойкости (РСК, МКК, КР), технологической пластичности. Скорость роста трещины усталости у предлагаемого сплава более чем в два раза ниже, чем у сплава-прототипа. Прочность сварного соединения предложенного сплава максимально приближается к прочности основного металла. Предложенный сплав низколегированный и, следовательно, экономически выгодный.

Таким образом, полученный комплекс указанных свойств позволяет применять предложенный сплав в качестве обшивки фюзеляжа, элементов силового набора планера, гидросамолетов, вертолетов и палубной авиации

Таблица 1 Химический состав сплавов
№ п/п	Al	Zn	Cu	Mg	Mn	Cr	Fe	Si	Sc	Zr	Се	Ni	Со	Be	Мо	V	B	H2	С
1	Ост.	3,5	0,3	1,2	0,15	0,01	0,01	0,01	0,05	0,15	-	-	-	-	-	-	-	-	-
2		4,0	0,7	1,8	0,4	0,1	0,08	0,09	0,2	-	0,25	-	-	-	-	-	-	-	-
3		4,85	1,0	2,2	0,6	0,3	0,15	0,12	0,4	0,05	0,005	-	-	-	-	-	-	-	-
4		7,0	2,0	1,2	0,02	0,02	0,12	0,08	-	0,05	-	0,02	0,1	Ti0,06	-	-	0,0008	-	-
Таблица 2 Свойства сплавов
№ п/п	Rмин *	РСК, бал	МКК, мм	КР, МПа	СРТУ, dl/dN	σв/σосн.ме.
1	0,8S	2	отсутствует	350	2,1	0,95
2	1,0S	2	отсутствует	300	2,0	0,92
3	1,3S	2	отсутствует	340	2,0	0,93
4 (прототип)	2,2S	3-4	0,1-0,2	230	4,2	0,65
Rмин *- радиус гиба от толщины листа S σв/σосн. ме. - отношение прочности сварного соединения к прочности основного металла

1. Сплав на основе алюминия, содержащий цинк, медь, магний, марганец, хром, железо, кремний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит скандий и, по крайней мере, один элемент из группы: цирконий, церий, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Цинк	3,5-4,85
Медь	0,3-1,0
Магний	1,2-2,2
Марганец	0,15-0,6
Хром	0,01-0,3
Железо	0,01-0,15
Кремний	0,01-0,12
Скандий	0,05-0,4
по крайней мере один элемент из группы:
Цирконий	0,05-0,15
Церий	0,005-0,25
Алюминий	Остальное

2. Изделие из сплава на основе алюминия, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п.1.