Сплав на основе алюминия и изделие из него

Изобретение относится к области металлургии сплавов на основе алюминия, применяемых для изготовления полуфабрикатов и изделий, используемых в качестве конструкционных материалов для авиакосмической техники. Сплав и изделие, выполненное из заготовки из этого сплава, содержат следующие компоненты, мас.%: литий 1,6-1,9; медь 1,3-1,5; 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 0,01-0,2; галлий до 0,001; цинк 0,01-0,3; натрий - до 0,0005; кальций 0,005-0,02; и по крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей ванадий 0,005-0,01 и скандий 0,005-0,01; алюминий - остальное. Данный сплав и изделия, выполненные из него, обладают повышенной пластичностью, что позволяет повысить их технологичность, увеличить выход годного при изготовлении полуфабрикатов и изделий, обеспечить возможность производства тонких листов, тонкостенных профилей и штамповок при снижении трудоемкости производства. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии сплавов на основе алюминия, в частности к сплаву системы алюминий - медь - магний - литий, применяемому для изготовления полуфабрикатов и изделий из него, используемых в качестве конструкционных материалов для авиакосмической техники.

Известно, что алюминий - литиевые сплавы обладают уникальным сочетанием механических свойств, а именно малой плотностью, повышенным модулем упругости и достаточно высокими прочностными характеристиками. Наличие указанных свойств дает возможность использовать сплавы этой системы в качестве конструкционного материала для авиакосмической техники, что позволяет улучшить ряд летно-технических характеристик летательных аппаратов, в частности снижение массы аппаратов, экономия горючего, увеличение грузоподъемности.

Однако алюминий - литиевые сплавы обладают одним недостатком низкой пластичностью в состояниях близких к максимальной прочности (Н.И.Фридляндер., К.В.Чуистов, А.Л.Березина, Н.И.Колобнев. Алюминий-литиевые сплавы. Структура и свойства., Киев: Наук. думка, 1992, с.177).

Известен сплав на основе алюминия, содержащий, мас.%:

Литий	1,7-2,0
Медь	1,6-2,0
Магний	0,7-1,1
Цирконий	0,04-0,16
Бериллий	0,02-0,2
Титан	0,01-0,07
Никель	0,02-0,15
Марганец	0,01-0,4
Алюминий	Остальное

(Авторское свидетельство СССР №1767916, МКИ С22С 21/16, дата публикации 1997.08.20).

Недостатками указанного сплава являются его низкая технологичность, высокая трудоемкость изготовления и низкие выходы годного при изготовлении полуфабрикатов и изделий из него, невозможность получения из него тонких листов, тонкостенных профилей и штамповок.

К причинам, обуславливающим возникновение указанных выше недостатков при использовании известного сплава, относится то, что в известном сплаве относительно высокое содержание меди отрицательно влияет на горячеломкость и пластичность при обработке давлением, что приводит к повышенному трещинообразованию, повышенной отбраковке по зажимам и неплоскостности при отделочных операциях, а именно при прогладке и правке полуфабрикатов.

Известен сплав на основе алюминия - 8093 (обозначение сплава находится в соответствии с номерами сплавов и соответствует определениям, зарегистрированным Алюминиевой ассоциацией, Вашингтон, США) содержащий, мас.%:

Литий	1,9-2,6
Медь	1,0-1,6
Магний	0,9-1,6
Цирконий	0,04-0,14
Титан	до 0,1
Марганец	до 0,1
Цинк	до 0,25
Алюминий	Остальное

(Международное обозначение сплавов и пределы химического состава деформируемых алюминия и алюминиевых сплавов. Алюминиевая ассоциация: 2004, с.12, 13).

Недостатками указанного сплава являются повышенная стоимость сплава, его низкая технологичность, высокая трудоемкость изготовления и низкие выходы годного при изготовлении полуфабрикатов и изделий из него, невозможность получения из него тонких листов, тонкостенных профилей и штамповок.

К причинам, обуславливающим возникновение указанных выше недостатков при использовании известного сплава, относится то, что в известном сплаве повышенное содержание лития, имеющего высокую стоимость, кроме того, повышенное содержания лития приводит к образованию упрочняющих фаз, несколько повышающих прочностные характеристики сплава, но при этом значительно снижающих его пластичность при литье и обработке давлением, что приводит к повышенному трещинообразованию, повышенной отбраковке по зажимам и неплоскостности при отделочных операциях, а именно при прогладке и правке полуфабрикатов.

Наиболее близким сплавом по химическому составу и назначению к заявленному сплаву на основе алюминия является сплав, содержащий, 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	0,001-0,05
Галлий	0,001-0,05
Цинк	0,01-0,3
Натрий	0,0005-0,001
Алюминий	Остальное

(Патент РФ №2180928, МПК 7 С22С 21/00, С22С 21/16, дата публикации 2002.03.27).

Недостатком указанного сплава, принятого за прототип, являются его относительно низкая технологичность, высокая трудоемкость изготовления и низкие выходы годного при изготовлении полуфабрикатов и изделий из него, невозможность получения из него тонких листов, тонкостенных профилей и штамповок.

К причинам, обуславливающим возникновение указанных выше недостатков при использовании известного сплава, принятого за прототип, относится то, что известный сплав характеризуется повышенным содержание меди, что отрицательно влияет на горячеломкость и пластичность при обработке давлением, что приводит к повышенному трещинообразованию, повышенной отбраковке по зажимам и неплоскостности при отделочных операциях, а именно при прогладке и правке полуфабрикатов, более того, повышенное содержание натрия и галлия приводит к значительному увеличению горячеломкости сплава, еще большему снижению его пластических характеристик (А.В.Курдюмов, С.В.Инкин, B.C.Чулков, Г.Г.Шадрин. Металлические примеси в алюминиевых сплавах. - М.: Металлургия. 1988, с.90, 99), что значительно усложняет задачу получения годных слитков и последующего получения полуфабрикатов различными видами обработки давлением, а также проведение качественной плакировки катаных полуфабрикатов вследствие образования на их поверхности значительных участков неприварившейся плакировки.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в разработке сплава на основе алюминия, предназначенного для изготовления из него полуфабрикатов и изделий для авиакосмической техники, свободных от недостатков, перечисленных выше и присущих известным техническим решениям.

Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в получении сплава, обладающего повышенной пластичностью, что позволит повысить его технологичность, увеличить выход годного при изготовлении полуфабрикатов и изделий, обеспечить возможность производства тонких листов, тонкостенных профилей и штамповок при снижении трудоемкости производства, при сохранении требуемых прочностных и эксплуатационных характеристик сплава, а также полуфабрикатов и изделий из него, предъявляемых к конструкционным материалам для авиакосмической техники.

Поставленная задача с достижением упомянутого технического результата при осуществлении изобретения решается тем, что известный сплав на основе алюминия, содержащий литий, медь, магний, цирконий, бериллий, титан, никель, марганец, галлий, цинк, натрий, дополнительно содержит кальций и по крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей ванадий и скандий, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Литий	1,6-1,9
Медь	1,3-1,5
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	0,01-0,2
Галлий	до 0,001
Цинк	0,01-0,3
Натрий	до 0,0005
Кальций	0,005-0,02

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

Ванадий	0,005-0,01
Скандий	0,005-0,01
Алюминий	Остальное

Сплав на основе алюминия, используемый для изготовления полуфабрикатов и изделий, отличается от прототипа как количественно (пониженное содержание меди, галлия и натрия), так и качественно (дополнительно содержит кальций и по крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей ванадий и скандий).

Авторы установили, что повышенное содержание меди приводит к образованию внутри зерен и на их границах грубых интерметаллидов неправильной формы, являющихся медьсодержащими фазами, образующимися при кристаллизации сплава в участках с повышенным содержанием меди. Данные фазы представляют не отдельные частицы, а обширные скопления, затрудняющие сдвиговые деформации в процессе обработки давлением, что приводит к значительному снижению пластичности сплава.

Снижение содержания меди в сплаве до пределов 1,3-1,5 мас.% позволяет практически полностью перевести ее в твердый раствор, что приводит к значительному уменьшению объемной доли грубых интерметаллидов медьсодержащих фаз, что было установлено электронно-микроскопическим исследованием сплава, и как следствие повышению пластичности сплава. Снижение содержания меди ниже 1,3 мас.% не повлияет на повышение характеристик пластичности сплава, но значительно снизит его прочностные характеристики.

Дополнительно установили, что галлий и натрий не образуют фаз с алюминием и скапливаются на границе зерна, что приводит к хрупкому разрушению по границе зерна в процессах кристаллизации сплава и его обработки давлением.

Авторами установлено, что при содержании галлия и натрия ниже 0,001 и 0,0005 мас.% соответственно они практически полностью растворяются в твердом растворе, что приводит к повышению пластичности сплава.

Кальций в количестве 0,005-0,02 мас.% является добавкой, связывающей избыточный натрий и другие примесные элементы сплава, приводящей к образованию более округлой формы выделяющихся интерметаллидов и их коагуляции, что приводит к более благоприятным условиям сдвиговой деформации и, как следствие, повышению технологической пластичности сплава.

Введение одного или более элементов из группы ванадия, скандия в указанных количествах способствует формированию однородной мелкозернистой структуры, что способствует усилению роли циркония как модифицирующей добавки, обеспечивающей структурное упрочнение полуфабрикатов и изделий из сплава, что позволяет достичь необходимого уровня прочностных свойств сплава.

Из предложенного сплава на основе алюминия могут быть изготовлены различные полуфабрикаты: листы и плиты, штамповки, прессованные изделия. Из полуфабрикатов предложенного сплава могут быть получены различные изделия, например панели для обшивки фюзеляжных конструкций летательных аппаратов, элементы силового набора, сварные топливные баки и другие элементы авиакосмической техники.

В предложенном изделии, выполненном из сплава на основе алюминия, используемого для изготовления полуфабрикатов, технический результат достигается тем, что в качестве материала заготовки используется сплав при следующем соотношении компонентов, мас.%: литий 1,6-1,9; медь 1,3-1,5; 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 0,01-0,2; галлий до 0,001; цинк 0,01-0,3; натрий до 0,0005; кальций 0,005-0,02; и по крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей ванадий 0,005-0,01 и скандий 0,005-0,01; алюминий - остальное.

Пример осуществления

В промышленных условиях из каждого сплава, химический состав которых приведен в таблице 1, были отлиты плоский слиток сечением 300×1100 мм и круглые слитки диаметрами 190 и 350 мм.

Сплав №1 соответствует сплаву, принятому в качестве прототипа, сплавы №2, 3, 4 соответствуют предлагаемому.

Плавление шихты, рафинирование и литье слитков производили при температуре 710-730°С.

Пример 1

В дальнейшем из плоских слитков каждого сплава были изготовлены плакированные листы. Листы изготавливались по одной технологической схеме путем горячей прокатки при температуре 430°С до толщины 6,5 мм со сверткой в рулоны и затем после отжига при температуре 400°С путем холодной прокатки.

Следует отметить, что лист из сплава №1 удалось прокатать только до толщины 0,9 мм и дальнейший прокат был остановлен из-за наличия на боковых кромках листа рванин глубиной более 30 мм и наличия в рулоне двух обрывов.

Листы из сплавов №2, 3, 4 были прокатаны без обрывов до толщины 0,5 мм.

Дальнейшие отделочные операции прогладка и правка листов растяжением из сплавов №2, 3, 4 в сравнении со сплавом №1 несмотря на их меньшую толщину прошли более успешно и с меньшей отбраковкой на окончательной приемке по дефектам: зажимы, неплоскостность и трещины.

Выход годного при производстве листов из сплавов №2, 3, 4 был выше на 30%, чем из сплава №1.

В дальнейшем образцы из листов №1, 2, 3, 4 испытали при статическом растяжении с определением предела прочности (σ_в), предела текучести (σ_0,2), относительного удлинения (δ, %).

Образцы вырезались вдоль, поперек и под углом 45° относительно направления прокатки.

Результаты механических испытаний представлены в таблице 2.

Из таблицы 2 видно, что предлагаемый сплав превосходит известный сплав (прототип) по характеристикам пластичности при сохранении требуемых прочностных характеристик.

Пример 2

Из круглых слитков диаметром 190 мм каждого сплава были изготовлены профили (уголки с толщиной полок до 5 мм).

Профили из разных сплавов изготавливались по одной технологической схеме путем прессования при температуре 400°С, с последующей закалкой профилей в воде и старением при температуре 150°С в течение 24 часов.

Выход годного при производстве профилей из сплавов №2, 3, 4 был выше на 15%, чем из сплава №1.

Пример 3

Из круглых слитков диаметром 350 мм каждого сплава были изготовлены штамповки толщиной стенки 40 мм.

Штамповки из разных сплавов изготавливались по одной технологической схеме путем заготовительной штамповки при температуре 410°С, предварительной штамповки при температуре 410°С и после травления путем окончательной штамповки при температуре 400°С, с последующей закалкой при температуре 500°С в течение 2 часов и старением при температуре 150°С в течение 24 часов.

Выход годного при производстве штамповок из сплава №2, 3, 4 был выше на 10%, чем из сплава №1.

Таким образом, предлагаемый сплав обеспечивает достижение поставленной цели - повышение характеристик пластичности сплава и, как следствие, повышение его технологичности, увеличение выхода годного при производстве полуфабрикатов и изделий из него, обеспечение возможности производства тонких листов, тонкостенных профилей и штамповок при снижении трудоемкости производства и сохранении требуемых прочностных и эксплуатационных характеристик сплава, а также полуфабрикатов и изделий из него, предъявляемых к конструкционным материалам для авиакосмической техники.

Таблица 1
Сплав	№ состава сплава	Содержание компонентов, мас.%
Li	Cu	Mg	Zr	Be	Ti	Ni	Mn	Ga	Zn	Na	Са	V	Sc	Al
Прототип	1	1,9	1,7	0,9	0,10	0,03	0,02	0,04	0,08	0,002	0,015	0,0007	-	-	-	остальное
Предлагаемый	2	1,9	1,5	1,0	0,11	0,02	0,02	0,05	0,06	0,0004	0,014	0,0003	0,005	0,007	0,006
	3	1,8	1,3	0,9	0,11	0,03	0,02	0,04	0,07	0,0002	0,014	0,0001	0,02	0,01	-
4	1,8	1,4	0,8	0,10	0,04	0,02	0,04	0,07	0,0001	0,015	0,0002	0,01	-	0,009

Таблица 2
Сплав	Номер состава сплава	Направление вырезки образцов	Механические свойства
σв, МПа	σ0,2, МПа	δ,%
Прототип	1	Долевое	432	347,5	13,5
		Поперечное	440	343	10,7
Под углом 45°	419	323	13,9
Предлагаемый	2	Долевое	430	349	14,6
		Поперечное	438	352	13,8
	Под углом 45°	424	328	14,5
	3	Долевое	431	351	14,8
		Поперечное	438	345	13,9
	Под углом 45°	425	329	14,9
	4	Долевое	432	345	14,9
		Поперечное	439	339	14,1
Под углом 45°	423	328	15,1

1. Сплав на основе алюминия, содержащий литий, медь, магний, цирконий, бериллий, титан, никель, марганец, галлий, цинк, натрий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кальций и по крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей ванадий и скандий, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Литий	1,6-1,9
Медь	1,3-1,5
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	0,01-0,2
Галлий	до 0,001
Цинк	0,01-0,3
Натрий	до 0,0005
Кальций	0,005-0,02,

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

Ванадий	0,005-0,01
Скандий	0,005-0,01,
Алюминий	Остальное

2. Изделие из заготовки, выполненной из сплава на основе алюминия, отличающееся тем, что сплав содержит следующие компоненты, мас.%: литий 1,6-1,9; медь 1,3-1,5; 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 0,01-0,2; галлий до 0,001; цинк 0,01-0,3; натрий до 0,0005; кальций 0,005-0,02, и по крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей ванадий 0,005-0,01 и скандий 0,005-0,01; алюминий - остальное.