Сплав на основе алюминия
Владельцы патента RU 2343219:
Открытое акционерное общество "Всероссийский институт легких сплавов" (ОАО "ВИЛС") (RU)
Изобретение относится к металлургии легких сплавов на основе алюминия для изготовления деформируемых полуфабрикатов, используемых в качестве конструкционного материала в летательных аппаратах. Сплав содержит следующие компоненты, мас.%: цинк 4,6-5,4, магний 1,6-2,1, медь 0,31-0,50, скандий 0,18-0,30, цирконий 0,05-0,12, марганец 0,15-0,35, титан 0,01-0,06, молибден 0,01-0,06, железо 0,05-0,15, кремний 0,01-0,10, алюминий - остальное. Получают сплав, обладающий повышенной сверхпластичностью и коррозионной стойкостью. 6 табл.
Предлагаемое изобретение относится к области металлургии легких сплавов, в частности сплавов на основе алюминия, для изготовления деформированных полуфабрикатов, используемых в качестве конструкционного материала в летательных аппаратах.
Известен сплав на основе системы Al-Zn-Mg марки АЦМ, явившийся основой для преобладающего большинства отечественных сплавов этой системы и имеющий следующий химический состав, мас.%:
| Цинк | 4,2-4,8 |
| Магний | 1,6-2,1 |
| Марганец | 0,4-0,8 |
| Цирконий | 0,15-0,22 |
| Алюминий | - остальное |
(Елагин В.И., Захаров В.В., Дриц A.M. Структура и свойства сплавов Al-Zn-Mg. Москва, «Металлургия», 1982 г., с.10).
Сплав АЦМ обладает уникальным комплексом механических свойств, прекрасно сваривается, но не обладает сверхпластическими свойствами и склонен к коррозии под напряжением.
Известен алюминиевый сплав системы алюминий-цинк-магний следующего состава, мас.%:
| Цинк | 4,5-5,6 |
| Магний | 1,6-2,1 |
| Марганец | 0,2-0,8 |
| Скандий | 0,03-0,09 |
| Цирконий | 0,05-0,12 |
| Медь | 0,1-0,3 |
| Титан | 0,01-0,07 |
| Молибден | 0,01-0,07 |
| Церий | 0,001-0,01 |
| Алюминий | - остальное |
(Патент РФ №2280092, М. кл. С22С 21/10, 2006), прототип.
Недостатком этого сплава являются низкие сверхпластические свойства и недостаточное сопротивление коррозии под напряжением. Предлагается сплав на основе алюминия состава, мас.%:
| Цинк | 4,6-5,4 |
| Магний | 1,6-2,1 |
| Медь | 0,31-0,50 |
| Скандий | 0,18-0,30 |
| Цирконий | 0,05-0,12 |
| Марганец | 0,15-0,35 |
| Титан | 0,01-0,06 |
| Молибден | 0,01-0,06 |
| Железо | 0,05-0,15 |
| Кремний | 0,01-0,10 |
| Алюминий | - остальное |
При этом отношение содержания цинка к содержанию магния составляет 2,5-2,9, а отношение содержания магния к содержанию меди - 4,4-4,8.
Предлагаемый сплав отличается от прототипа тем, что он дополнительно содержит железо, кремний при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Цинк | 4,6-5,4 |
| Магний | 1,6-2,1 |
| Медь | 0,31-0,50 |
| Скандий | 0,18-0,30 |
| Цирконий | 0,05-0,12 |
| Марганец | 0,15-0,35 |
| Титан | 0,01-0,06 |
| Молибден | 0,01-0,06 |
| Железо | 0,05-0,15 |
| Кремний | 0,01-0,10 |
| Алюминий | - остальное |
При этом отношение содержания цинка к содержанию магния составляет 2,5-2,9, а отношение содержания магния к содержанию меди - 4,4-4,8.
Технический результат - повышение сверхпластических свойств и увеличение сопротивления коррозии под напряжением, и как следствие, расширение сортамента полуфабрикатов и увеличение срока службы изделий.
Предлагаемый сплав позволяет получать деформированные полуфабрикаты, и в частности листы со стабильной нерекристаллизованной структурой с равномерным распределением числа наночастиц Al3 (Sc, Zr, Ti, Мо), сдерживающих рекристаллизацию и рост зерен, и с ограниченным числом крупных (микронных) частиц фазы Al (Mn, Fe, Si), инициирующих рекристаллизацию и рост зерен. Такая структура обеспечивает высокие сверхпластические свойства: низкое сопротивление деформации, высокое относительное удлинение и высокую чувствительность к скорости деформации.
Кроме того, предлагаемый сплав обеспечивает близкие электрохимические характеристики границ и тела зерен, обусловливая тем самым заметный рост сопротивления коррозии под напряжением.
Предлагаемый сплав обладает высокой устойчивостью пересыщенного твердого раствора основных легирующих компонентов цинка, магния и меди в алюминии, обеспечивая высокие механические свойства при медленном охлаждении с температуры закалки, например, при охлаждении на спокойном воздухе листов и позволяя закаливать массивные детали толщиной до 350 мм в воде.
Пример. Методом непрерывного литья были отлиты слитки диаметром 370 мм двух сплавов: известного среднего химического состава и предлагаемого среднего химического состава. Химический состав сплавов представлен в таблице 1.
| Таблица 1 | |||||||||||
| Сплав | Zn | Mg | Cu | Sc | Zr | Mn | Ti | Mo | Fe | Si | Al |
| Известный | 5,1 | 1,9 | 0,21 | 0,07 | 0,09 | 0,52 | 0,03 | 0,02 | 0,26 | 0,13 | Ост. |
| Предлагаемый | 5,0 | 1,9 | 0,4 | 0,22 | 0,10 | 0,21 | 0,02 | 0,03 | 0,09 | 0,04 | Ост. |
Слитки гомогенизировали, резали и обтачивали на заготовки, которые прессовали на полосу сечением 60х200 мм. Часть полос оставляли для исследования механических свойств, сопротивления коррозии под напряжением, а часть - прокатывали в листы толщиной 2 и 1 мм, которые использовали для исследования сварных соединений, сверхпластических и механических свойств.
Прессованные полосы из известного и предлагаемого сплавов закаливали в воде комнатной температуры с температуры 450°С и искусственно старили по режиму 100°С, 20 ч +160°С, 10 ч.
Из прессованных полос в коротком поперечном (высотном) направлении вырезали образцы для испытания на коррозию под напряжением при постоянно действующем напряжении на установке «Сигнал».
В качестве критерия, характеризующего склонность сплавов к коррозии под напряжением, была взята величина критического напряжения σкр, представляющая собой максимальное напряжение, которое выдерживают испытываемые образцы без разрушения в конкретных условиях испытаний. Испытания проводили в интервале напряжений 75-250 МПа с шагом в 25 МПа.
Результаты испытаний показали, что критическое напряжение σкр для высотного направления прессованной полосы известного сплава составило 100 МПа, а предлагаемого сплава - 150 МПа. Сопротивление коррозии под напряжением предлагаемого сплава в 1,5 раза выше.
Исследование механических свойств прессованных полос известного и предлагаемого сплава показало, что исследованные свойства близки при небольшом преимуществе предлагаемого сплава (таблица 2),
| Таблица 2 | |||||||
| Сплав | Направление | σв, МПа | σ0,2, МПа | δ, % | K1c, МПа√м | МЦУ, кцикл | σкр, МПа |
| Известный | продольное | 470 | 430 | 13 | 48 | 210 | - |
| поперечное | 440 | 420 | 12 | 37 | - | - | |
| высотное | 440 | 410 | 11 | - | 100 | ||
| Предлагаемый | продольное | 480 | 440 | 11 | 50 | 240 | - |
| поперечное | 450 | 420 | 12 | 38 | - | - | |
| высотное | 440 | 420 | 10 | - | - | 150 | |
| Примечание: K1с - вязкость разрушения в условиях плоской деформации; МЦУ - количество килоциклов до разрушения образцов в условиях малоцикловой усталости f=10 герц, ασ=2,6, σmax=160 МПа; σкр - критическое напряжение, характеризующее сопротивление сплава коррозии под напряжением |
Более высоким сопротивлением коррозии под напряжением обладает не только основной материал предлагаемого сплава, но и его сварные соединения.
Закаленные листы толщиной 2 мм были сварены аргонно-дуговой сваркой с использованием присадочной проволоки из сплава 1571 и после 1-го месяца вылеживания были испытаны на коррозию под напряжением для определения величины σкр, характеризующей сопротивление сплава коррозии под напряжением, а также были определены характеристики механических свойств - временное сопротивление σв, ударная вязкость KCU и угол загиба ϕ. Результаты испытаний представлены в таблице 3.
| Таблица 3 | ||||
| Сплав | σв св, МПа | ϕ, град | KCU, кДж/см2 | σкр св, МПа |
| Известный | 415 | 90 | 25 | 175 |
| Предлагаемый | 447 | 100 | 35 | 225 |
Механические свойства сварных соединений, а также σкр, характеризующее сопротивление сварных соединений коррозии под напряжением, у предлагаемого сплава выше, чем у известного.
Таким образом, сопротивление коррозии под напряжением основного материала и сварных соединений предлагаемого сплава превосходит соответствующую характеристику известного сплава.
Из листов толщиной 1 мм из известного и предлагаемого сплавов в поперечном направлении были взяты образцы для испытания на сверхпластичность.
Испытания проводили при температуре 470°С, скорость деформации ε при этом составила 5·10-2 сек-1. Результаты испытаний представлены в таблице 4.
| Таблица 4 | |||
| Сплав | σ, МПа | δ, % | М |
| Известный | 18-19 | 200-300 | 0,23 |
| Предлагаемый | 12-14 | 600-800 | 0,40-0,45 |
Из таблицы 4 видно, что известный сплав обладает низкими сверхпластическими свойствами (мало относительное удлинение δ, высоко сопротивление деформации σ и мал коэффициент скоростной чуствительности m). Предлагаемый сплав характеризуется высокими сверхпластическими свойствами.
Сочетание сверхпластических свойств и высокой устойчивости твердого раствора делает предлагаемый сплав уникальным. Из листов толщиной 1 мм предлагаемого сплава методом пневмоформовки при 470°С в условиях сверхпластической деформации были получены детали сложной формы, которые при охлаждении с температуры пневмоформовки на спокойном воздухе самозакаливались. После искусственного старения полученные детали имели очень высокие прочностные характеристики при хорошей пластичности: σв=510 МПа, σ0,2=470 МПа, δ=10%.
Высокая устойчивость твердого раствора обеспечивает предлагаемому сплаву повышенную прокаливаемость. Из сплава могут изготавливаться и насквозь прокаливаться деформированные полуфабрикаты толщиной до 350 мм, сохраняя высокие прочностные и пластические свойства, в том числе вязкость разрушения в центре детали. В таблице 5 приведены свойства массивной штамповки из предлагаемого сплава массой около 300 кг после закалки в воде и искусственного старения, полученной в промышленных условиях.
| Таблица 5 | ||||||||
| Сплав | Направление | σв, МПа | σ0,2, МПа | δ, % | KCU, кДж/см2 | K1c, МПа√м | МЦУ, кцикл | σкр, МПа |
| Предлагаемый | Продольное (по волокну) | 480 | 415 | 17 | 20 | 42 | 140 | - |
| Поперечное (поперек волокна) | 475 | 405 | 16 | 18 | 41 | >175 |
Из таблицы 5 видно, что предлагаемый сплав в массивных сечениях обладает уникальным сочетанием служебных свойств: высокими прочностью, пластичностью, вязкостью разрушения, сопротивлением усталостным нагрузкам при минимальной анизотропии свойств.
Прессованные, кованые и катаные полуфабрикаты из предлагаемого сплава являются хорошим конструкционным материалом для летательных аппаратов. В таблице 6 представлены механические свойства листов из предлагаемого сплава после закалки и искусственного старения.
| Таблица 6 | ||||||||
| Сплав | Направление | σв, МПа | σ0,2, МПа | δ, % | Кc, МПа√м, W=400 мм | МЦУ, кцикл | СРТУ Мм/кцикл при ΔК=31,3 МПа√м | РСК балл |
| Предлагаемый | Продольное | 520 | 490 | 11 | 160 | 240 | 3 | 2-3 |
| Поперечное | 520 | 490 | 11 | - | - | - | - | |
| Примечание: Кс - вязкость разрушения в условиях плоского напряженного состояния; РСК - склонность к расслаивающей коррозии по 10-ти балльной шкале. См. примечание к табл.2. |
Из таблицы 6 видно, что листы предлагаемого коррозионно-стойкого свариваемого сплава по комплексу механических, ресурсных, коррозионных свойств превосходят обшивочные листы из лучших современных авиационных материалов типа 1163Т, которые не свариваются и характеризуются низкими коррозионными свойствами.
Таким образом, предлагаемый сплав обладает высокими сверхпластическими свойствами, коррозионно-стоек, из него можно изготавливать все виды деформируемых полуфабрикатов, которые являются прекрасным конструкционным материалом летательных аппаратов, обеспечивая их надежность и длительный срок эксплуатации.
Сплав на основе алюминия, включающий цинк, магний, медь, скандий, цирконий, марганец, титан, молибден, отличающийся тем, что он дополнительно содержит железо, кремний при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| цинк | 4,6-5,4 |
| магний | 1,6-2,1 |
| медь | 0,31-0,50 |
| скандий | 0,18-0,30 |
| цирконий | 0,05-0,12 |
| марганец | 0,15-0,35 |
| титан | 0,01-0,06 |
| молибден | 0,01-0,06 |
| железо | 0,05-0,15 |
| кремний | 0,01-0,10 |
| алюминий | остальное, |
при этом отношение содержания цинка к содержанию магния составляет 2,5-2,9, а отношение содержания магния к содержанию меди - 4,4-4,8.
