Жаропрочный деформируемый сплав на основе алюминия и изделие, выполненное из него

Авторы патента:

Захаров Валерий Владимирович (RU)

Кайбышев Рустам Оскарович (RU)

Телешов Виктор Владимирович (RU)

C22C21/16 - с магнием

Владельцы патента RU 2425165:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Белгородский государственный университет" (RU)

Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым сплавам на основе алюминия, используемым в качестве конструкционного материала в деталях, работающих при повышенных температурах. Сплав и изделие из него содержат компоненты, при следующем соотношении, мас.%: медь - 4,4-5,4, магний - 0,45-0,80, марганец - 0,3-0,5, титан - 0,03-0,10, цирконий - 0,08-0,15, хром - 0,05-0,15, скандий - 0,08-0,15, кремний - 0,03-0,25, серебро - 0,4-0,80, германий - 0,05-0,20, никель - 0,01-0,50, железо - 0,01-0,50, алюминий - остальное, при этом сумма марганца, титана, циркония, хрома и скандия должна составлять 0,70-1,05 при соотношениях скандий/цирконий = 1-1,875 и никель/железо = 0,95-1,05. Получаются полуфабрикаты и изделия из предлагаемого сплава, которые имеют однородную по всему объему нерекристаллизованную структуру и соответственно высокие прочностные характеристики как при комнатной, так и при повышенной температуре. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым сплавам на основе алюминия, используемым в качестве конструкционного материала в греющихся деталях.

Известен жаропрочный деформируемый сплав на основе алюминия марки Д21 системы алюминий-медь-магний, предназначенный для использования в греющихся деталях летательных аппаратов и содержащий, мас.%:

медь	6,0-7,0
магний	0,25-0,45
марганец	0,4-0,8
титан	0,1-0,2
алюминий	остальное

(ОСТ 190048-90 «Сплавы алюминиевые деформируемые»).

Сплав рекомендовано использовать для основных нагруженных деталей летательного аппарата, подвергающихся эксплуатационному нагреву до температуры 175°С.

Недостатком этого сплава является низкая длительная прочность и невысокие характеристики трещиностойкости, что не позволяет использовать полуфабрикаты из этого сплава для изготовления высоконагруженных конструкционных деталей, подвергаемых знакопеременным нагрузкам, в которых высокая вероятность появления усталостных трещин может привести к разрушению.

Известен жаропрочный деформируемый сплав на основе алюминия, предназначенный для изготовления греющихся деталей летательных аппаратов и содержащий, мас.%:

медь	5,5-6,5
магний	0,2-0,35
марганец	0,4-0,8
титан	0,05-0,1
цирконий	0,06-0,2
ванадий	0,05-0,15
молибден	0,02-0,08
кремний	0,12-0,25
алюминий	остальное
молибден:ванадий	1:2

(RU №2048577, опубл. 20.11.1995 г.).

Сплав обладает средним уровнем прочностных свойств при комнатной и повышенных до 175-200°С температурах.

Недостатком этого сплава является невысокий уровень прочностных характеристик при комнатной и повышенных температурах, что ограничивает область применения этого сплава и позволяет изготовлять из него только детали с ограниченным уровнем эксплуатационных характеристик.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является жаропрочный деформируемый сплав на основе алюминия, предназначенный для изготовления греющихся деталей летательных аппаратов и содержащий, мас.%:

медь	4,4-5,4
магний	0,45-0,8
марганец	0,4-0,8
титан	0,03-0,15
цирконий	0,05-0,20
ванадий	0,05-0,15
молибден	0,01-0,15
кремний	0,03-0,25
серебро	0,4-0,8
германий	0,05-0,20
никель	0,01-0,50
железо	0,01-0,5
алюминий	остальное,

при этом сумма марганца, титана, циркония, ванадия и молибдена должна составлять 0,55-1,0 (RU №2226568, опубл. 10.04.2004 г.), прототип.

Горячепрессованные изделия из этого сплава в термически обработанном состоянии обладают более высоким уровнем прочностных характеристик при комнатной и повышенных до 200°С температурах благодаря выбранному составу и получению изделий с нерекристаллизованной структурой.

Недостатком сплава является получение в некоторых полуфабрикатах и изделиях после термической обработки неоднородной (смешанной) или полностью рекристаллизованной структуры. Это является следствием склонности сплава к рекристаллизации, если деформирование в процессе изготовления изделий, например, холоднокатаных листов, происходит при температуре ниже 300°С. Рекристаллизация в процессе упрочняющей термической обработки является негативным явлением, приводящим к снижению прочности. Изменение структуры от нерекристаллизованной до рекристаллизованной в термически обработанных полуфабрикатах и полученных из них изделий приводит к большому разбросу механических свойств и характеристик сопротивления деформации при повышенных температурах.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка сплава, обладающего повышенными прочностными характеристиками для всех видов полуфабрикатов и деталей в термически обработанном состоянии при комнатной и повышенных температурах при кратковременных и длительных нагрузках.

Для решения поставленной задачи предлагается жаропрочный деформируемый сплав на основе алюминия, содержащий, мас.%:

медь	4,4-5,4
магний	0,45-0,8
марганец	0,3-0,5
титан	0,03-0,10
цирконий	0,08-0,15
хром	0,05-0,15
скандий	0,08-0,15
кремний	0,03-0,25
серебро	0,4-0,8
германий	0,05-0,2
никель	0,01-0,5
железо	0,01-0,5
алюминий	остальное,

при этом сумма марганца, титана, циркония, хрома и скандия должна составлять 0,70-1,05 при соотношениях скандий/цирконий = 1-1,875 и никель/железо = 0,95-1,05 и изделие, выполненное из этого сплава.

Предложенный сплав и выполненное из него изделие отличается от прототипа тем, что сплав дополнительно содержит хром и скандий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

медь	4,4-5,4
магний	0,45-0,80
марганец	0,3-0,5
титан	0,03-0,10
цирконий	0,08-0,15
хром	0,05-0,15
скандий	0,08-0,15
кремний	0,03-0,25
серебро	0,4-0,8
германий	0,05-0,20
никель	0,01-0,50
железо	0,01-0,50
алюминий	остальное,

при этом сумма марганца, титана, циркония, хрома и скандия должна составлять 0,70-1,05 при соотношениях скандий/цирконий = 1-1,875 и никель/железо = 0,95-1,05.

Полуфабрикаты и изделия из предлагаемого сплава имеют однородную по всему объему полуфабриката нерекристаллизованную структуру и соответственно высокие прочностные характеристики как при комнатной, так и при повышенной температуре. Однородность структуры обеспечивает малый разброс свойств.

Предлагаемый химический состав сплава обеспечивает высокое сопротивление рекристаллизации и соответственно высокую термическую стабильность деформированной структуры. Это позволяет использовать интенсивную пластическую деформацию для получения полуфабрикатов и изделий с устойчивой субмикрокристаллической структурой, которая сохраняется при высокотемпературных нагревах под закалку.

Повышенная термическая стабильность деформированной структуры изделия из предлагаемого сплава обусловлена присутствием переходных металлов (марганца, титана, циркония, хрома и скандия). Полуфабрикаты из предлагаемого сплава имеют высокую плотность дисперсоида из мелких включений наиболее эффективных алюминидов переходных металлов. Добавка скандия образует дисперсные вторичные частицы Al₃Sc, которые стабилизируются частично растворяющимися в них Zr, Ti, Cr. Добавка Mn образует свой дисперсоид в другом размерном диапазоне, дополнительно стабилизируя нерекристаллизованную структуру изделия.

Это позволяет обеспечить высокое сопротивление рекристаллизации после горячего и теплого деформирования, в том числе при применении равноканального углового прессования или холодной прокатки. Нерекристаллизованная субмелкозернистая структура, устойчивая к огрублению при температуре эксплуатации, позволяет получить повышенную длительную прочность и тем самым повышает срок службы изделий - и, как следствие, повышение срока службы летательных аппаратов.

Пример осуществления.

Приготовили в электрической печи плавки сплавов приведенного в таблице 1 состава, из которых отлили полунепрерывным методом слитки диаметром 107 мм. Слитки из сплава-прототипа и предлагаемого сплава после гомогенизации и механической обработки на диаметр 95 мм при температуре 400°С осадили по образующей на размер 40×177×200 мм. Полученные заготовки подвергли при температуре 300°С равноканальному угловому прессованию (РКУП) в три прохода через матрицу сечением 40×177 мм и затем при комнатной температуре их прокатали на лист толщиной 2 мм. Полученные листы подвергли упрочняющей термической обработке: закалка в воде после нагрева продолжительностью 20 мин при температуре 525°С и искусственное старение по режиму 190°С - 6 ч.

Полученный материал с нерекристаллизованной субмелкокристаллической структурой подвергли испытаниям с определением временного сопротивления σ_B, предела текучести σ_0,2, относительного удлинения δ, длительной прочности σ₁₀₀₀ ¹⁷⁵ за 1000 ч при 175°С. При этом механические свойства на растяжение определяли при комнатной температуре и при 175°С. Результаты испытаний приведены в таблице 2.

Данные таблицы 2 показывают, что предлагаемый сплав имеет по сравнению с прототипом повышенные на 30-50 МПа прочностные характеристики при комнатной и повышенных температурах и более высокую длительную прочность.

В предложенном сплаве отсутствуют имеющиеся в прототипе ванадий и молибден, которые заменены на более эффективные элементы-антирекристаллизаторы хром и скандий.

Таким образом, термически упрочняемые полуфабрикаты и изделия с субмикроскопической структурой из предлагаемого сплава обладают уникальным сочетанием служебных характеристик при комнатной и повышенной температурах.

Таблица 1.
Химический состав сплавов (масс.%)
Сплав	Cu	Mg	Mn	Ti	Zr	V	Mo	Cr	Sc	Si	Ag	Ge	Ni	Fe	Al
Предлагаемый	5,0	0,6	0,4	0,06	0,12	-	-	0,1	0,12	0,2	0,55	0,13	0,08	0,07	ост
Прототип	4,9	0,6	0,58	0,04	0,10	0,05	0,03	-	-	0,2	0,50	0,14	0,10	0,11	ост

Таблица 2.
Механические свойства изделий в продольном направлении
Сплав	Свойства при 20°С	Свойства при 175°С	σ₁₀₀₀ ¹⁷⁵, МПа
σ_B, МПа	σ_0,2, МПа	δ, %	σ_B, МПа	σ_0,2, МПа	5,%
Предлагаемый	550	490	10	425	390	10	225
Прототип	500	440	9	380	360	11	200

1. Жаропрочный деформируемый сплав на основе алюминия, содержащий медь, магний, марганец, титан, цирконий, кремний, серебро, германий, никель, железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит хром и скандий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Медь	4,4-5,4
Магний	0,45-0,80
Марганец	0,3-0,5
Титан	0,03-0,10
Цирконий	0,08-0,15
Хром	0,05-0,15
Скандий	0,08-0,15
Кремний	0,03-0,25
Серебро	0,4-0,80
Германий	0,05-0,20
Никель	0,01-0,50
Железо	0,01-0,50
Алюминий	Остальное,

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

Изобретение относится к деформируемому сплаву на основе алюминия, а именно к продукту из него, и способу изготовления этого продукта. .

Алюминиево-медно-литиевый лист с высокой вязкостью разрушения для фюзеляжа самолета // 2415960

Изобретение относится к изделиям из сплавов на основе алюминия, а именно к изделиям, используемым в авиационно-космической промышленности и пригодным для применения в конструкциях фюзеляжа.

Сплав на основе алюминия // 2412270

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

Сплавы серии 2000 с улучшенными характеристиками стойкости к повреждениям для авиационно-космического применения // 2379366

Изобретение относится к алюминиевому сплаву с улучшенной стойкостью к повреждениям, состоящему по существу из следующих компонентов, мас.%: медь 3,0-4,0; магний 0,4-1,1; серебро вплоть до 0,8; цинк вплоть до 1,0 мас.%; цирконий вплоть до 0,25 мас.%; марганец вплоть до 0,9; железо вплоть до 0,5; и кремний вплоть до 0,5; остальное - по существу алюминий, случайные примеси и элементы, причем упомянутые медь и магний присутствуют в отношении 3,6-4,5 частей меди на 1 часть магния.

Алюмо-медно-магниевые сплавы, имеющие вспомогательные добавки лития // 2359055

Изобретение относится к алюминиевым сплавам, применяемым в аэрокосмической промышленности. .

Сплав на основе алюминия и изделие, выполненное из него // 2349665

Изобретение относится к области цветной металлургии, а именно к сплавам на основе алюминия и изделиям, выполненным из них, которые предназначены для авиакосмической техники.

Сплав на основе алюминия и изделия из него // 2327758

Изобретение относится к области металлургии, в частности к высокопрочным алюминиевым сплавам системы алюминий-медь-магний-литий, применяемым для изготовления изделий, используемых в ответственных авиакосмических конструкциях.

Способ производства высокоустойчивого к повреждениям алюминиевого сплава // 2326181

Изобретение относится к производству изделий из высокоустойчивого к повреждениям алюминиевого катаного сплава. .

Сплав на основе алюминия и изделие, выполненное из него // 2299256

Изобретение относится к области цветной металлургии, а именно к сплавам на основе алюминия системы алюминий - медь - магний. .

Сплав на основе алюминия и изделие, выполненное из него // 2278179

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сплавам на основе алюминия системы алюминий-медь-магний. .

Усовершенствованные алюминиево-медные сплавы, содержащие ванадий // 2524288

Изобретение относится к области металлургии, а именно к алюминиево-медным сплавам, содержащим ванадий. Заявлен алюминиевый сплав, состоящий из, вес.%: Cu 3,3-4,1, Mg 0,7-1,3, V 0,01-0,16, Mn 0,01-0,7, 0,01-0,25 по меньшей мере одного регулирующего зеренную структуру элемента, выбранного из группы, состоящей из Zr, Sc, Cr и Hf, Zn вплоть до 1,0, Ag вплоть до 0,6, Fe вплоть до 0,25 и Si вплоть до 0,25, алюминий, другие элементы и примеси - остальное. Сплавы характеризуются повышенными характеристиками прочности, вязкости, сопротивления коррозии и росту усталостной трещины. 2 н. и 21 з.п. ф-лы, 11 ил., 11 табл., 4 пр.

Жаропрочный сплав на основе алюминия // 2558806

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к деформируемым термически упрочняемым сплавам на основе алюминия. Сплав на основе алюминия включает медь, магний, марганец, цирконий, кобальт, серебро, по крайней мере один элемент из группы, содержащей иттрий, церий, и по крайней мере один элемент из группы, содержащей гафний, титан, бор, углерод, при следующем соотношении компонентов, мас.%: медь 5,1-6,5, магний 0,15-1,0, марганец 0,1-0,9, цирконий 0,005-0,2, кобальт 0,005-0,2, серебро 0,25-1,0, по крайней мере один элемент из группы, содержащей иттрий, церий 0,005-0,2, по крайней мере один элемент из группы, содержащей гафний, титан 0,001-0,1, бор, углерод 0,0001-0,08, алюминий - остальное. Техническим результатом изобретения является повышение пределов прочности и текучести при комнатной температуре и длительной прочности при температурах 175-200°C после упрочняющей термической обработки при сохранении высокого уровня трещиностойкости. 3 пр., 2 табл.

Высокопрочный деформируемый сплав на основе алюминия системы al-zn-mg-cu пониженной плотности и изделие, выполненное из него // 2581953

Изобретение относится к деформируемым сплавам на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu пониженной плотности и изделиям из них, предназначенным для разового применения. Сплав с плотностью 2,80 г/ см3 содержит, мас.%: цинк 6,0-8,0, магний 3,4-4,2, медь 0,8-1,3, скандий 0,02-0,06, цирконий 0,07-0,12, бериллий 0,0005-0,004, церий 0,01-0,05, титан 0,02-0,05, кремний 0,01-0,10, железо 0,01-0,15, неизбежные примеси из группы Mn, Cr, V, Mo, Li, Ag, K, Na, O в суммарном количестве не более 0,10, алюминий - остальное, при этом сплав содержит водород в количестве 0,05-0,35 см3/100 г металла. Изобретение направлено на создание сплава системы Al-Zn-Mg-Cu с высоким уровнем прочности и пониженной плотностью при удовлетворительном относительном удлинении в поперечном направлении и по толщине изделия. 2 н.п. ф-лы, 1 пр., 2 табл.

Способ термомеханической обработки термически-упрочняемых алюминиевых сплавов системы al-cu-mg-mn-ag // 2623557

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано в авиационно-космической, транспортной и других областях промышленности при изготовлении полуфабрикатов из термически упрочняемых алюминиевых сплавов системы Al-Cu-Mg-Mn-Ag. Способ включает предварительный гомогенизационный отжиг в интервале температур 500-520°C в течение не менее 20 часов, последующую закалку в воду и интенсивную пластическую деформацию заготовки при комнатной или криогенной температуре с накопленной истинной степенью деформации e≥4. Совокупность предложенных операций позволяет повысить предел текучести сплавов до 760 МПа, предел прочности до 850 МПа с сохранением высокого уровня пластических свойств. 1 з.п. ф-лы, 1 пр., 1 табл., 3 ил.

Материал в виде полосы с превосходной коррозионной стойкостью после высокотемпературной пайки // 2635052

Изобретение относится к полосе из алюминиевого сплава, предназначенной для высокотемпературной пайки, и может быть использовано, в частности, для изготовления компонентов теплообменников. Коррозионно-стойкая полоса для изготовления паяных продуктов содержит сердцевину из сплава на основе алюминия, расположенный на сердцевине промежуточный слой и, необязательно, плакирующий слой на основе Al-Si, при этом промежуточный слой имеет следующее содержание компонентов, мас.%: Si ≤0,9, Fe ≤0,7, Cu ≤0,5, Mn 0,5-1,8, Mg ≤0,7, Zn ≤4,0, Ni ≤1,5, элементы, выбранные из IVb, Vb и/или VIb групп Периодической таблицы, ≤0,3 каждого и ≤0,5 в сумме, неизбежные примеси ≤0,05 каждой и ≤0,15 в сумме, Al - остальное, причем состав сплава сердцевины и состав сплава промежуточного слоя выбран с обеспечением после высокотемпературной пайки более инертной сердцевины, чем промежуточный слой, а объемная доля текстурной компоненты составляет по меньшей мере 30%. Изобретение направлено на получение полосы, обладающей после пайки высокой коррозионной стойкостью. 3 н. и 25 з.п. ф-лы, 5 пр., 5 табл., 7 ил.