Сплав на основе алюминия и способ его термической обработки

Изобретение относится к области металлургии сплавов на основе алюминия системы Al-Mg-Li-Cu, используемых в качестве конструкционного материала для авиакосмической техники и транспортного машиностроения в виде обшивки и внутреннего силового набора. Сплав содержит следующие компоненты, мас.%: литий 1,5-1,9, магний 1,2-3,5, медь 1,4-1,8, цинк 0,01-1,2, марганец 0,01-0,8, титан 0,01-0,25, кремний 0,005-0,8, церий 0,005-0,4, по крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей: скандий 0,01-0,3, цирконий 0,03-0,15, бериллий 0,001-0,2, алюминий остальное. Способ термической обработки данного сплава включает закалку, правку и искусственное старение по трехступенчатому режиму. Закалку производят с температуры 510-535°С. Первую ступень искусственного старения проводят при температуре 95-120°С. В частных воплощениях изобретения вторую ступень старения проводят при температуре 130-180°С в течение 3-25 ч, а третью ступень искусственного старения проводят при температуре 95-120°С в течение времени не менее 15 ч. Техническим результатом изобретения является разработка сплава и способа его термической обработки, позволяющих повысить прочность и термическую стабильность после нагрева при температуре 85°С в течение 1000 ч при сохранении высокой вязкости разрушения и технологической пластичности сплава при получении тонких листов методом рулонной прокатки. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии сплавов на основе алюминия системы Al-Mg-Li-Cu, используемых в качестве конструкционного материала для авиакосмической техники и транспортного машиностроения в виде обшивки и внутреннего силового набора.

Известны алюминиевые сплавы системы Al-Li-Mg-Zn, которые характеризуются пониженной плотностью и относительно высокой прочностью. Например, сплав следующего химического состава (мас.%):

Литий	2,0-3,0
Магний	0,5-4,0
Цинк	2,0-5,0
Медь	0-2,0
Цирконий	0-0,2
Марганец	0-0,5
Никель	0-0,5
Хром	0-0,4
Алюминий	- остальное (патент США № 46363570).

Сплав упрочняется термической обработкой - закалка с температуры 460°С, правка растяжением со степенью деформации 0-3% и двухступенчатое старение: 1-я ступень при 90°С, 16 ч и 2-я ступень при 150°С, 24 ч.

Этот сплав обладает достаточно высоким уровнем предела прочности 440-550 МПа и предела текучести 350-410 МПа.

Недостатком сплава является низкий уровень относительного удлинения в термоупрочненном состоянии (1,0-7,0%), вязкости разрушения и технологичности при холодной деформации в процессе изготовления тонких листов, которые являются одними из основных конструктивных материалов для летательных аппаратов.

Известен сплав следующего химического состава (мас.%):

Литий	1,5-1,9
Магний	4,1-6,0
Цинк	0,1-1,5
Цирконий	0,05-0,3
Марганец	0,01-0,8
Водород	0,9·10-5-4,5·10-5

по крайней мере, один элемент из группы, содержащей:

Бериллий	0,001-0,2
Иттрий	0,01-0,5
Скандий	0,01-0,3
Хром	0,01-0,5
Алюминий	остальное (патент РФ № 2133295).

Этот сплав обладает пределом прочности 450-475 МПа и пределом текучести 330-360 МПа, относительным удлинением 8-10%. Вязкость разрушения листов из этого сплава после длительных солнечных нагревов (при 85°С, 1000 ч) не меняется (К_С ^У=65-69 МПа√м).

Недостатком этого сплава является невысокая технологическая пластичность при холодной прокатке, так как отжиг не приводит к достаточному разупрочнению из-за высокого содержания магния. Это делает практически невозможным рулонную холодную прокатку тонких листов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является сплав следующего химического состава (мас.%):

Литий	1,7-2,0
Медь	1,6-2,0
Магний	0,7-1,1
Цирконий	0,04-0,2
Бериллий	0,02-0,2
Титан	0,01-0,1
Никель	0,01-0,15
Марганец	0,01-0,4
Галлий	0,001-0,05
Водород	1,5·10-5-5,0·10-5

по крайней мере, один элемент из группы, содержащей:

Цинк	0,01-0,3
Сурьму	0,00003-0,015
Натрий	0,00005-0,001
Алюминий	остальное (патент РФ № 2180928).

Этот сплав обладает достаточной технологической пластичностью в отожженном состоянии, которая необходима при получении тонких листов методом рулонной прокатки.

Недостатком этого сплава является пониженные значения предела прочности (410 МПа) и предела текучести (305 МПа) и недостаточная термическая стабильность после нагревов при температуре 85°С до 1000 ч.

Известен способ термической обработки, включающий закалку с быстрым охлаждением, правку и двухступенчатое старение по режиму:

1-ая ступень при температуре 93°С, от нескольких часов до нескольких месяцев; предпочтительно 66-85°С, не менее 24 ч;

2-ая ступень при температуре не выше 219°С, от 30 минут до нескольких часов; предпочтительно, 154-199°С, не менее 8 ч (патент США № 4861391).

Повышая прочностные характеристики и вязкость разрушения, этот способ не обеспечивает стабильности свойств алюминиевых сплавов с литием после низкотемпературного нагрева при температуре 85°С в течение 1000 ч, который имитирует солнечный нагрев при длительной эксплуатации летательных аппаратов. После нагрева 85°С - 1000 ч относительное удлинение и вязкость разрушения сплавов с литием, обработанных по этому способу, снижаются на 25-30%.

Из известных режимов упрочняющей термической обработки наиболее близким к заявляемому является способ термической обработки, включающий закалку с температуры 400-500°С в холодной воде или на воздухе, правку растяжением со степенью деформации 0-2% и трехступенчатое искусственное старение по режиму:

1-я ступень при температуре 80-90°С в течение 3-12 ч;

2-я ступень при температуре 110-185°С, в течение 10-48 4,

3-я ступень при температуре 90-110°С, в течение 8-14 ч (патент РФ № 2133295).

Этот способ термической обработки обеспечивает достаточно высокий уровень прочности и высокую термическую стабильность после длительных низкотемпературных нагревов. Однако при этом получен невысокий уровень относительного удлинения.

Технической задачей изобретения является разработка сплава на основе алюминия системы Al-Mg-Li-Cu и способа его термической обработки, позволяющих повысить прочность и термическую стабильность после нагрева при температуре 85°С в течение 1000 ч при сохранении высокой вязкости разрушения и технологической пластичности сплава при получении тонких листов методом рулонной прокатки.

Для решения поставленной задачи предлагается сплав на основе алюминия системы Al-Mg-Li-Cu, содержащий литий, магний, медь, цинк, марганец и титан, отличающийся тем, что сплав дополнительно содержит кремний, церий и, по крайней мере, один элемент из группы, включающей скандий, цирконий и бериллий при следующем соотношении компонентов (мас.%):

Литий	1,5-1,9
Магний	1,2-3,5
Медь	1,4-1,8
Цинк	0,01-1,2
Марганец	0,01-0,8
Титан	0,01-0,25
Кремний	0,005-0,8
Церий	0,005-0,4

по крайней мере, один элемент, выбранный из группы, включающей:

Скандий	0,01-0,3
Цирконий	0,03-0,15
Бериллий	0,001-0,2
Алюминий -	остальное;

и способ термической обработки, включающий закалку с температуры 510-535°С в холодной воде, правку и трехступенчатое старение: 1-я ступень при температуре 95-120°С в течение времени, достаточном для обеспечения максимальной плотности выделений дисперсных частиц основной упрочняющей δ'-фазы, 2-я ступень при температуре 130-180°С в течение 3-25 ч и 3-я ступень при температуре 95-120°С в течение времени не менее 15 ч.

Содержание магния в сплаве в пределах 1,2-3,5% обеспечивает высокий уровень прочностных свойств за счет твердорастворного упрочнения. При уменьшении содержания магния менее 1,2% снижается прочность и возрастает склонность сплава к горячим трещинам при литье. При увеличении концентрации магния в сплаве более 3,5% снижается технологичность при холодной прокатке, а также пластические характеристики готовых полуфабрикатов и изделий из них.

Дополнительное введение кремния приводит к образованию большого количества дисперсных частиц Mg₂Si, a также четверной фазы с медью Al₅Si₆Mg₈Cu₂. Это способствует измельчению зеренной структуры за счет увеличения центров рекристаллизации и повышению прочности и вязкости разрушения.

Дополнительное введение церия облагораживает форму избыточных интерметаллидов, содержащих марганец, что приводит к повышению как технологической пластичности при холодной деформации, так и пластичности в термоупрочненном состоянии.

Введение хотя бы одного элементов из группы скандий, цирконий и бериллий способствует формированию однородной мелкозернистой структуры в слитках и повышению технологической пластичности при холодной прокатке.

Увеличение температуры нагрева под закалку до 510-535°С в предлагаемом способе термической обработки обеспечивает наибольшее пересыщение твердого раствора литием за счет более полного растворения избыточных фаз. Повышение температуры старения на 1-й ступени до 95-120°С ускоряет распад твердого раствора с выделением дисперсной упрочняющей δ' (Al₃Li) - фазы и обеспечивает их максимальную плотность. Этим самым предотвращается выделение стабильных фаз и образование приграничных зон, свободных от выделений, при старении на 2-й ступени при более высокой температуре 130-180°С. Такое структурное состояние сплава приводит к одновременному повышению прочности, пластичности и вязкости разрушения.

С увеличением времени старения на третьей ступени не только повышается термическая стабильность сплава, но и увеличиваются прочностные свойства сплава за счет дополнительного выделения дисперсной фазы δ' (Al₃Li), равномерно распределенной в объеме матрицы.

Таким образом, технический результат достигается при заявленных количественном и качественном соотношении компонентов в предлагаемом сплаве и режиме термической обработки.

Пример осуществления

Из сплавов, химический состав которых приведен в табл.1, отливали слитки диаметром 70 мм. Плавка металла осуществлялась в электрической печи. После гомогенизации из слитков прессовались полосы сечением 15×65 мм. Заготовки из полос прокатывали на листы толщиной 5 мм, которые после отжига с медленным охлаждением с печью прокатывали в холодную до толщины 2,5 мм. Холоднокатаные листы подвергали закалке в воде, правке и искусственному трехступенчатому старению (табл.2). Время, достаточное для обеспечения максимальной плотности выделения основной упрочняющей δ'-фазы, для сплавов выбранных составов составило 3 ч (№№ 3, 5, 7, 9) и 12 ч (№№ 4, 6, 8, 10).

Свойства в отожженном состоянии определяли на образцах, вырезанных из горячекатаных листов толщиной 5 мм (табл.3). Свойства в состаренном состоянии определяли на образцах, вырезанных из холоднокатаных листов толщиной 2,5 мм (табл.4).

Предложенный состав сплава обеспечил в отожженном состоянии существенное повышение технологической пластичности за счет снижения пределов прочности и текучести, повышения относительного удлинения и снижения отношения σ_0,2/σ_в (снижается в 1,5-2 раза). Полученные характеристики предложенного сплава позволяют получать тонкие листы методом холодной рулонной прокатки.

Как видно из полученных результатов, предложенный состав сплава, обработанный по предложенному способу термообработки, позволил повысить в состаренном состоянии прочностные характеристики и относительное удлинение, вязкость разрушения до и после нагрева 85°С, 1000 ч.

Применение заявленного сплава и способа его термической обработки в конструкциях авиакосмической техники и транспортного машиностроения позволят повысить надежность и ресурс эксплуатации с учетом длительного воздействия солнечных лучей.

Таблица 1 Химический состав опробованных композиций заявляемого и известного сплавов
№ п/п	Li	Mg	Cu	Zn	Mn	Ti	Si	Се	Zr	Sc	Be	Ni	Ga	Н2×105	Al
1	1,8	0,9	2,0	0,2	0,2	0,03	-	-	0,08	-	0,04	0,06	0,01	1,5	ост
2	2,0	1,1	1,6	-	0,18	0,05	-	-	0,1	-	0,03	0,96	0,003	5,0	ост
3	1,5	2,3	1,8	1,0	0,8	0,2	0,8	0,4	-	0,3	0,2	-	-	-	ост
4	1,9	2,2	1,42	0,01	0,03	0,01	0,4	0,005	0,03	0,04	-	-	-	-	ост
5	1,7	1,2	1,52	0,30	0,6	0,15	0,25	0,2	-	-	-	-	-	-	ост
6	1,6	3,2	1,7	0,05	0,01	0,08	0,01	0,08	-	0,15	0,1	-	-	-	ост
7	1,85	2,8	1,6	0,09	0,4	0,03	0,45	0,1	-	-	-	-	-	-	ост
8	1,55	3,5	1,4	0,6	0,13	0,25	0,03	0,15	0,15	-	-	-	-	-	ост
9	1,9	1,7	1,48	0,10	0,09	0,12	0,09	0,009	0,1	0,01	0,001	-	-	-	ост
10	1,5	3,3	1,5	1,2	0,33	0,05	0,005	0,02	-		-	-	-	-	ост
Примечание: Сплавы №1 и 2 - прототипы, №3-10 - заявляемые.

Таблица 2 Способы термической обработки опробованных сплавов
№ сплавов	Нагрев под закалку	Режим искусственного старения
1	500	80°С, 12 ч + 185°С, 10 ч + 110°С, 8 ч
2	450	90°С, 3 ч + 110°С, 48 ч + 90°С, 14 ч
4, 6	525	95°С, 12 ч + 180°С, 3 ч + 120°С, 15 ч
7, 10	515	120°С, 3 ч + 155°С, 14 ч + 105°С, 20 ч
5, 8	535	100°С, 12 ч + 130°С, 25 ч + 95°С, 18 ч
3,9	510	105°С, 3 ч + 140°С, 25 ч + 100°С, 24 ч
Примечание: Способы №1 и 2 - прототипы, способы №3-10 - заявляемые

Таблица 3 Свойства известного и заявляемых сплавов в отожженном состоянии
№ сплава	σв, МПа	σ0,2, МПа	δ, %	σ0,2/σв
1	320	236	17,5	0,74
2	340	252	16,0	0,74
8, 10	242	147	16,5	0,61
3, 9	225	100	22,0	0,44
5,7	232	141	18,0	0,61
4, 6	218	84	21,0	0,38
Примечание: Сплавы и способы №1 и 2 - прототипы, сплавы и способы №3-10 - заявляемые
Таблица 4 Свойства известного и заявляемых сплавов, обработанных по известному и заявляемому способам
№	σв,	σ0,2,	δ,	КС У, МПА√м
сплава	МПа	МПа	%	До нагрева	После 85°С, 1000 ч
1	445	330	10,0	65,5	61,0
2	405	315	12,5	67,0	62,3
8, 10	475	355	15,0	69,5	68,7
5, 7	463	350	16,5	70,3	68,9
4, 6	458	345	18,5	73,0	71,0
3, 9	450	340	19,0	75,3	74,8
Примечание: Сплавы и способы №1 и 2 - прототипы, сплавы и способы №3-10 - заявляемые.

1. Сплав на основе алюминия системы Al-Mg-Li-Cu, содержащий литий, магний, медь, цинк, марганец и титан, отличающийся тем, что сплав дополнительно содержит кремний, церий и по крайней мере один элемент из группы, включающей скандий, цирконий и бериллий, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Литий	1,5-1,9
Магний	1,2-3,5
Медь	1,4-1,8
Цинк	0,01-1,2
Марганец	0,01-0,8
Титан	0,01-0,25
Кремний	0,005-0,8
Церий	0,005-0,4

по крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей

Скандий	0,01-0,3
Цирконий	0,03-0,15
Бериллий	0,001-0,2
Алюминий	Остальное

2. Способ термической обработки сплава на основе алюминия системы Al-Mg-Li-Cu, включающий закалку, правку и искусственное старение по трехступенчатому режиму, отличающийся тем, что закалку производят с температуры 510-535°С, а первую ступень искусственного старения проводят при температуре 95-120°С в течение времени, достаточного для обеспечения максимальной плотности выделений дисперсных частиц основной упрочняющей δ' (Al₃Li) фазы.

3. Способ термической обработки по п.2, отличающийся тем, что вторую ступень старения проводят при температуре 130-180°С в течение 3-25 ч, а третью ступень искусственного старения проводят при температуре 95-120°С в течение времени не менее 15 ч.