Продукт из al-cu-li сплава, пригодный для применения в авиации и космонавтике


 


Владельцы патента RU 2481412:

АЛЕРИС АЛЮМИНУМ КОБЛЕНЦ ГМБХ (DE)

Изобретение относится к изделию из алюминиевого сплава для конструктивных элементов, имеющего химический состав, включающий в себя, в мас.%: Cu 3,4-5,0, Li 0,9-1,7, Mg 0,2-0,8, Ag 0,1-0,8, Mn 0,1-0,9, Zn 0,1-1,5 и один или более элементов, выбранных из группы, состоящей из: (Zr 0,05-0,3, Cr 0,05-0,3, Ti 0,03-0,3, Sc 0,05-0,4, Hf 0,05-0,4,), Fe<0,15, Si<0,5, обычные и неизбежные примеси и остальное - алюминий, и к способу изготовления изделия из этого сплава, изделия имеют баланс высокой прочности и высокой вязкости и используются в авиации и космонавтике. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 табл., 1 пр.

 

Область техники

Изобретение относится к алюминиевому сплаву, конкретно к продукту из сплава типа Al-Cu-Li, более конкретно к продукту из сплава Al-Cu-Li-Mg-Ag-Mn, для конструктивных элементов, сочетающему в себе высокую прочность с высокой ударной вязкостью. Изделия, изготовленные из этого продукта из алюминиевого сплава, очень подходят для применений в авиации и космонавтике, но не ограничиваются этим. Сплав может быть переработан в различные виды продукции, например, листы, тонкие плиты, толстые плиты, выдавленные или кованые продукты.

Предпосылки изобретения

Как будет принято в нижеприведенном описании, кроме тех случаев, когда указано иное, обозначения сплавов и обозначения состояний относятся к обозначениям Алюминиевой ассоциации в стандартах и данных по алюминию и регистрационных документах, которые опубликованы Алюминиевой ассоциацией в 2007 году.

При любом описании составов сплавов или предпочтительных составов сплавов все ссылки на проценты являются весовыми процентами, если не указано иное.

Использованный в настоящем описании термин "примерно" при его использовании для описания диапазона состава или количества легирующей добавки означает, что фактическое количество легирующей добавки может отличаться от номинального нормируемого количества из-за таких факторов, как вариации стандартной обработки, что понятно специалистам в данной области техники.

Термин "по существу свободный" означает не имеющий сколь-нибудь существенного количества этого компонента, намеренно добавленного в состав сплава, причем понятно, что в желательный конечный продукт могут попасть следовые количества случайных элементов и/или примесей.

В авиакосмической промышленности в целом хорошо известно, что одним из наиболее эффективных путей уменьшения веса летательного аппарата является уменьшение удельного веса (плотности) алюминиевых сплавов, применяемых в конструкции летательного аппарата. Это желание привело к добавке в алюминиевые сплавы лития, металлического элемента с самым низким удельным весом. Сплавы Алюминиевой ассоциации, такие как AA2090 и AA2091, содержат примерно 2,0 мас.% лития, что переводится в примерно 7% экономию веса относительно сплавов, не содержащих лития. Алюминиевые сплавы AA2094 и AA2095 содержат примерно 1,2 мас.% лития. Другой алюминиевый сплав, АА8090, содержит примерно 2,5 мас.% лития, что переводится в почти 10% экономию веса относительно сплавов без лития.

Однако литье таких обычных сплавов, содержащих относительно высокие количества лития, затруднено. К тому же, совместная прочность и вязкость разрушения таких сплавов не является оптимальной. В случае с обычными алюминиево-литиевыми сплавами, в которых вязкость разрушения понижается с повышением прочности, существует некий компромисс. Другой важной характеристикой аэрокосмических алюминиевых сплавов является сопротивление распространению усталостной трещины. Например, при стойких к повреждению применениях в летательном аппарате желательным является повышенное сопротивление распространению усталостной трещины. Лучшее сопротивление распространению усталостной трещины означает, что трещины будут расти медленнее, таким образом делая самолеты гораздо безопаснее, потому что маленькие трещины могут быть обнаружены до того, как они достигнут критического размера для катастрофического распространения. К тому же, более медленный рост трещины может иметь экономическое преимущество благодаря тому факту, что могут быть использованы более длительные интервалы между проверками.

Некоторыми другими документами уровня техники являются:

US-2004/0071586 раскрывает широкие диапазоны для алюминиевого сплава, содержащего, в мас.%: 3-5 Cu, 0,5-2 Mg и 0,01-0,9 Li. Раскрыто, что содержание Li должно оставаться на низком уровне в сочетании с наличием контролируемых количеств Cu и Mg для обеспечения желательных уровней вязкости разрушения и прочности. Предпочтительно, Cu и Mg присутствуют в сплаве в суммарном количестве ниже предела растворимости в сплаве.

WO-2004/106570 раскрывает другой Al-Cu-Li-Mg-Ag-Mn-Zr сплав для применения в качестве конструктивного элемента. Сплав содержит, в мас.%: 2,5-5,5 Cu, 0,1-2,5 Li, 0,2-1 Mg, 0,2-0,8 Ag, 0,2-0,8 Mn и вплоть до 0,3 Zr, остальное - алюминий.

US-2007/0181229 раскрывает алюминиевый сплав, содержащий, в мас.%: 2,1-2,8 Cu, 1,1-1,7 Li, 0,1-0,8 Ag, 0,2-0,6 Mg, 0,2-0,6 Mn, содержание Fe и Si меньше или равно 0,1% каждого, остальное - примеси и алюминий, и при этом сплав по существу свободен от циркония. Сообщается, что низкое содержание Zr повышает вязкость.

Поэтому существует потребность в алюминиевом сплаве, который полезен при применении в летательных аппаратах, который имеет высокую вязкость разрушения, высокую прочность и превосходное сопротивление распространению усталостной трещины.

Описание изобретения

Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить продукт из сплава типа Al-Cu-Li, идеальный для конструктивных элементов, имеющий баланс высокой прочности и высокой вязкости.

Еще одна цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить способ изготовления такого продукта из алюминиевого сплава.

Эти и другие цели и дополнительные преимущества достигаются или превышаются с помощью настоящего изобретения, в котором предложен продукт из алюминиевого сплава для конструктивных элементов, имеющий химический состав, содержащий, в мас.%: Cu 3,4-5,0, Li 0,9-1,7, Mg примерно 0,2-0,8, Ag примерно 0,1-0,8, Mn примерно 0,1-0,9, Zn максимум 1,5, один или более элементов, выбранных из группы, состоящей из: (Zr примерно 0,05-0,3, Cr примерно 0,05-0,3, Ti примерно 0,03-0,3, Sc примерно 0,05-0,4, Hf примерно 0,05-0,4), Fe<0,15, Si<0,5, обычные и неизбежные примеси, а остальное - алюминий.

Продукт из сплава может содержать обычные и/или неминуемые элементы и примеси, в типичном случае каждого <0,05% и в сумме <0,2%, а остальное дополняется алюминием.

Необязательно, продукт из сплава может содержать 0-1%, а предпочтительно 0-0,1% измельчающей зерно добавки в виде элементов, выбранных из группы, состоящей из B, TiB2, Ce, Nb, Er и V.

Медь является одним из основных легирующих элементов в продуктах из сплава и добавляется для повышения прочности продукта из сплава. Однако необходимо следить за тем, чтобы не добавлять слишком много меди, так как может снизиться коррозионная стойкость. Также добавки меди сверх максимальной растворимости приведут к низкой вязкости разрушения и низкой стойкости к повреждениям. Предпочтительный верхний предел для содержания Cu по этой причине составляет примерно 4,4%, а более предпочтительно примерно 4,2%. Предпочтительный нижний предел составляет примерно 3,6%, а более предпочтительно примерно 3,75% и наиболее предпочтительно примерно 3,9%.

Магний является другим основным легирующим элементом в продукте из сплава и добавляется для повышения прочности и уменьшения удельного веса. Однако необходимо следить за тем, чтобы не добавлять слишком много магния в сочетании с медью, так как добавки сверх максимальной растворимости приведут к низкой вязкости разрушения и низкой стойкости к повреждениям. Более предпочтительный нижний предел для добавки Mg составляет 0,3%, а более предпочтительный верхний предел составляет 0,65%. Установлено, что на уровне свыше примерно 0,8% дополнительная добавка Mg может вызвать в результате снижение вязкости продукта из сплава.

Литий является другим важным легирующим элементом в продукте по этому изобретению и добавляется вместе с медью для получения улучшенного сочетания вязкости разрушения и прочности. Это означает, что предложенный сплав либо обладает более высокой вязкостью разрушения и эквивалентной или более высокой прочностью, либо обладает более высокой прочностью и эквивалентной или более высокой вязкостью разрушения в по меньшей мере одном состоянии по сравнению с подобными сплавами, не имеющими лития или имеющими большие количества лития. Предпочтительный нижний предел для добавки Li составляет 1,0%. Предпочтительный верхний предел для добавки Li составляет примерно 1,4%, а более предпочтительно 1,25%. Слишком высокое содержание Li имеет неблагоприятное влияние на свойства стойкости к повреждению продукта из сплава, в частности, с относительно высокими уровнями Cu в продукте из сплава по этому изобретению.

Добавка серебра служит для дополнительного повышения прочности и не должна превышать примерно 0,8%, а предпочтительный нижний предел составляет примерно 0,1%. Предпочтительный диапазон для добавки Ag составляет примерно 0,2-0,6%, а более предпочтительно примерно 0,25-0,50%.

Добавка марганца служит для управления зеренной структурой путем обеспечения более однородного распределения основных выделяющихся фаз и тем самым дополнительно повышает в особенности прочность. Добавка Mn не должна превышать примерно 0,9% и должна составлять по меньшей мере примерно 0,1%. Предпочтительный нижний предел добавки марганца составляет по меньшей мере примерно 0,2%, а более предпочтительно по меньшей мере примерно 0,3, а еще более предпочтительно по меньшей мере 0,35%. Предпочтительный верхний предел для добавки марганца составляет примерно 0,7%.

Вдобавок к алюминию, меди, магнию, литию, серебру, марганцу, а также, предпочтительно, цинку сплав по настоящему изобретению содержит по меньшей мере один элемент, выбранный из группы из Zr, Cr, Ti, Sc, Hf.

Если он добавлен, цирконий должен присутствовать в диапазоне от 0,05 до 0,3%, а предпочтительно в диапазоне от 0,07 до 0,2%. Слишком низкая добавка Zr имеет неблагоприятное влияние на единичную энергию распространения трещины в продукте из сплава.

Добавление Cr может быть сделано для повышения, в частности, единичной энергии распространения трещины (UPE, unit propagation energy) в продукте из сплава. UPE типично измеряется в испытании на разрыв по Кану и является энергией, необходимой для роста трещины. Обычно считают, что чем выше UPE, тем более трудно расти трещине, что является желательной особенностью материала. Добавление Cr должно быть в диапазоне от 0,05 до 0,3%, а предпочтительно в диапазоне от 0,05 до 0,16%. О намеренном добавлении Cr к продуктам из литийсодержащих алюминиевых сплавов ранее сообщалось как имеющем неблагоприятное влияние на конструктивные свойства.

Влияние добавки Cr на UPE значительно повышается при комбинированной добавке Cr и Ti. Титан (Ti) должен также быть в диапазоне от 0,05 до 0,3%, а предпочтительно в диапазоне от 0,05 до 0,16%. Комбинированная добавка Cr и Ti имеет также положительное влияние на стойкость к межкристаллитной коррозии продукта из сплава.

Добавка скандия может быть сделана, чтобы значительно повысить, в частности, единичную энергию распространения трещины (UPE) в продукте из сплава. Добавка Sc должна быть в диапазоне от 0,05 до 0,4%, а предпочтительно в диапазоне от 0,05 до 0,25%.

Добавка скандия может быть частично или полностью замещена добавкой гафния. Добавка Hf должна быть сделана в аналогичных композиционных диапазонах, как и скандия.

В предпочтительном варианте воплощения продукта из сплава по этому изобретению имеют место комбинированные добавки по меньшей мере Cr, Ti и Sc.

А в более предпочтительном варианте воплощения продукта из сплава имеет место комбинированная добавка Zr, Cr, Ti и Sc.

Содержание Si в продукте из сплава должно быть менее чем 0,5%, и Si может присутствовать в качестве преднамеренного легирующего элемента. В другом варианте воплощения кремний присутствует в качестве примесного элемента и должен присутствовать на нижнем конце этого диапазона, например, менее примерно 0,10%, а более предпочтительно менее 0,07%, чтобы сохранить свойства вязкости разрушения на желательных уровнях.

Содержание Fe в продукте из сплава должно быть менее 0,15%. Когда продукт из сплава используют для применения в авиации и космонавтике, то предпочтителен нижний конец этого диапазона, например, менее примерно 0,1%, а более предпочтительно менее примерно 0,07%, чтобы сохранить, в частности, вязкость на достаточно высоком уровне. Там, где продукт из сплава используют для промышленных применений, таких как, например, инструментальная плита, может допускаться более высокое содержание Fe.

В дополнительном варианте воплощения продукта из сплава цинк присутствует в качестве примесного элемента, который может допускаться до уровня самое большее 0,1%, а предпочтительно самое большее примерно 0,05%, например, на уровне примерно 0,02% или менее. Таким образом, продукт из сплава может быть по существу свободен от Zn.

В другом предпочтительном варианте воплощения продукта из сплава цинк намеренно добавляют для улучшения прочности, и он имеет небольшое влияние на свойства стойкости к повреждениям продукта из сплава. В этом варианте воплощения цинк типично присутствует в диапазоне примерно от 0,1 до 1,5%, а более предпочтительно в диапазоне от 0,2 до 1,0%. В качестве конкретного примера, цинк добавляют в количестве примерно 0,5%.

В варианте воплощения продукта из сплава, имеющего преднамеренную добавку цинка, также добавляют один или более легирующих элементов, выбранных из группы, состоящей из (Zr, Cr, Ti, Sc, Hf). В более предпочтительном варианте воплощения добавляют только один из элементов этой группы, все еще имея желательный баланс по прочности и вязкости. Например, продукт из сплава может содержать Ti в диапазоне 0,03-0,3%, в то время как он является по существу свободным от каждого из Zr, Cr, Sc и Hf. В другом примере продукт из сплава может содержать Zr в диапазоне 0,05-0,3%, предпочтительно, в диапазоне 0,05-0,25%, в то время как он является по существу свободным от каждого из Cr, Ti, Sc и Hf. В еще одном примере продукт из сплава может содержать Cr в диапазоне 0,05-0,3%, в то время как он является по существу свободным от каждого из Zr, Ti, Sc и Hf.

В варианте воплощения продукт из сплава находится в виде катаного, выдавленного (прессованного) или кованого (штампованного) продукта, а более предпочтительно продукт находится в виде листа, плиты (пластины), поковки или полученного выдавливанием изделия как часть элемента конструкции летательного аппарата. В более предпочтительном варианте воплощения продукт из сплава предусматривают в виде полученного выдавливанием продукта.

При использовании в качестве детали элемента конструкции летательного аппарата эта деталь может быть, например, листом фюзеляжа, плитой верхней поверхности крыла, плитой нижней поверхности крыла, толстой плитой для получаемых обработкой резанием деталей, поковкой или тонким листом для стрингеров.

Стойкость к межкристаллитной коррозии продуктов по настоящему изобретению является обычно высокой, например, типично обнаруживается только точечная коррозия (питтинг), если металл подвергается испытанию на коррозионную стойкость. Однако лист и тонкая по размеру плита могут быть также плакированными, с предпочтительной толщиной плакировки от примерно 1% до примерно 8% толщины листа или плиты. Плакировка типично представляет собой низколегированный алюминиевый сплав.

В еще одном аспекте изобретения оно относится к способу изготовления продукта из деформируемого алюминиевого сплава Al-Cu-Li, включающему в себя этапы:

a) литье заготовки-слитка из AlCuLi-го сплава согласно этому изобретению;

b) подогревание и/или гомогенизацию отлитой заготовки;

c) горячую обработку заготовки давлением одним или более способов, выбранных из группы, состоящей из прокатки, выдавливания и ковки;

d) необязательно, холодную обработку давлением подвергнутой горячей обработке давлением заготовки;

e) термообработку на твердый раствор (ТТР) подвергнутой горячей обработке давлением и/или необязательно холодной обработке давлением заготовки, причем ТТР осуществляют при температуре и времени, достаточных для перевода в твердый раствор растворимых компонентов в этом алюминиевом сплаве;

f) охлаждение ТТР-заготовки, предпочтительно, путем закалки с оросительным охлаждением или закалки с погружением в воду или другие закалочные среды;

g) необязательно, растяжение или сжатие охлажденной ТТР-заготовки или иную холодную обработку охлажденной ТТР-заготовки для снятия напряжений, например, выравнивание, или вытягивание, или холодную прокатку охлажденной ТТР-заготовки; и

h) старение, предпочтительно искусственное старение, охлажденной и необязательно растянутой, или сжатой, или подвергнутой иной холодной обработке ТТР-заготовки для достижения желательного состояния.

Алюминиевый сплав может быть обеспечен в виде слитка, или сляба, или чушки для передела в пригодный деформируемый продукт методами литья, обычными в области литых изделий, например, литьем в кристаллизатор с прямым охлаждением (DC-casting), электромагнитным литьем (EMC-casting) и литьем с электромагнитным перемешиванием (EMS-casting). Также могут быть использованы слябы, получающиеся в результате непрерывного литья, например, на машинах для литья полос или валковых литейных машинах, что, в частности, может быть выгодным при получении более тонких по размеру конечных продуктов. Измельчающие зерно добавки, такие как содержащие титан и бор, или титан и углерод, также могут быть использованы, как известно в данной области техники. После отливки заготовки сплава, слиток обычно обдирают для удаления зон сегрегации вблизи литой поверхности слитка.

Гомогенизационную обработку типично осуществляют за один или несколько этапов, причем каждый этап имеет температуру в диапазоне примерно от 475°C до 535°C. Температура подогрева подразумевает нагревание подлежащей горячей обработке давлением заготовки до температуры входа в горячую обработку давлением, которая типично составляет в температурном интервале примерно от 440°C до 490°C.

Вслед за выполнением подогрева и/или гомогенизации заготовка может быть подвергнута горячей обработке давлением одним или более способов, выбранных из группы, состоящей из прокатки, выдавливания и ковки, причем предпочтительно используя стандартную промышленную практику. Способ горячей прокатки является предпочтительным для настоящего изобретения.

Горячая обработка давлением, в частности горячая прокатка, может быть осуществлена до конечного размера, например, 3 мм или менее, или, альтернативно, продуктов большего размера по толщине. Альтернативно, этап горячей обработки давлением может быть осуществлен для обеспечения заготовки с промежуточным размером, в типичном случае листа или тонкой плиты. После этого, эта заготовка с промежуточным размером может быть обработана давлением в холодном состоянии, например посредством прокатки, до конечного размера. В зависимости от состава сплава и величины наклепа может быть использован промежуточный отжиг до или во время операции холодной обработки давлением.

Термообработку на твердый раствор ("ТТР") типично осуществляют в пределах того же температурного интервала, как и используемый для гомогенизации, хотя те продолжительности выдержки, которые выбирают, могут быть несколько короче. Типичную ТТР осуществляют при температуре от 480°C до 525°C в течение от 15 мин до примерно 5 часов. Более низкие температуры ТТР обычно благоприятствуют высокой вязкости разрушения. После ТТР заготовку быстро охлаждают или закаливают, предпочтительно одной из закалки с оросительным охлаждением или закалки погружением в воду или другие закалочные среды.

Закаленная ТТР-заготовка может быть дополнительно обработана в холодном состоянии, например, растяжением в диапазоне примерно от 0,5 до 15% от ее первоначальной длины, для снятия в ней остаточных напряжений и для улучшения плоскостности продукта. Предпочтительно, растяжение составляет в диапазоне примерно от 0,5 до 6%, более предпочтительно, примерно 0,5-5%.

После охлаждения заготовку состаривают, типично при температурах окружающей среды, и/или альтернативно заготовка может быть состарена искусственно.

Продукт из сплава согласно этому изобретению предпочтительно обеспечивают в немного недостаренном состоянии Т8 для обеспечения наилучшего баланса по свойствам прочности и устойчивости к повреждениям.

Из этих термообработанных пластинчатых профилей, чаще всего обычно после искусственного старения, затем вырезают желательный конструкционный профиль, например, цельный лонжерон крыла. ТТР, закалка, необязательные операции по снятию напряжений и искусственное старение также соблюдаются в производстве толстых профилей, изготовленных с помощью технологических операций выдавливания и/или ковки.

В одном варианте воплощения настоящего изобретения, включающем в себя этап сварки, этап старения может быть разделен на два этапа: предварительное старение перед операцией сварки и конечная термообработка с образованием сварного конструктивного элемента.

Продукт из AlCuLi-го сплава согласно этому изобретению может быть применен, помимо прочего, в диапазоне толщины самое большее 0,5 дюйма (12,5 мм), так как свойства будут превосходными для фюзеляжных листов. В диапазоне толщины тонких плит 0,7-3 дюйма (17,7-76 мм) свойства будут превосходными для плиты крыла, например, плиты нижней поверхности крыла. Диапазон толщины тонких плит может быть также использован для стрингеров или для формирования цельной панели крыла и стрингера для применения в конструкции крыла летательного аппарата. При обработке до более толстых размеров от более 2,5 дюйма (63 мм) до примерно 11 дюймов (280 мм) были получены превосходные свойства для цельной детали, полученной обработкой резанием из плит, или для формирования цельного лонжерона для применения в конструкции крыла летательного аппарата, или в форме нервюры для применения в конструкции крыла летательного аппарата. Более толстые по размеру продукты могут быть использованы также в качестве инструментальной плиты, например, пресс-форм для изготовления формованных пластиковых изделий, например, литьем под давлением или заливкой в форму под давлением методом впрыска (инжекционным формованием). Продукты из сплава согласно изобретению могут быть также обеспечены в виде ступенчатого выдавленного или прессованного лонжерона, или полученных выдавливанием элементов жесткости для применения в конструкции летательного аппарата, или в виде кованого лонжерона для применения в конструкции крыла летательного аппарата.

При применении в виде листового продукта (проката) предел текучести или условный предел текучести продукта должен быть по меньшей мере 460 МПа, а предпочтительно по меньшей мере 480 МПа. При применении в виде полученного выдавливанием продукта, например, в качестве стрингера, или в виде пластинчатого продукта, предел текучести или условный предел текучести продукта должен быть по меньшей мере 480 МПа, а более предпочтительно по меньшей мере 500 МПа. Эти уровни прочности могут быть получены путем выбора состава сплава в пределах заявленных диапазонов, а предпочтительно в пределах предпочтительных более узких диапазонов, в сочетании с выполнением искусственного старения.

В дальнейшем изобретение будет пояснено с помощью следующего неограничивающего примера.

Пример

В лабораторном масштабе отлили восемь алюминиевых сплавов, чтобы доказать принцип настоящего изобретения, и переработали в 2-миллиметровый лист. Составы сплавов перечислены в таблице 1, и при этом сплав № 2 является сравнительным сплавом из-за более низкого содержания Li. Для всех слитков остатком были неизбежные примеси и алюминий. Блоки под прокатку приблизительно 80 на 80 на 100 мм (высота×ширина×длина) отрезали от отлитых в лаборатории круглых слитков примерно в 12 кг. Слитки гомогенизировали при 520±5°C в течение примерно 24 часов и в последствии медленно охлаждали на воздухе, чтобы имитировать промышленный процесс гомогенизации. Слитки под прокатку подогревали в течение примерно 4 часов при 450±5°C и прокатывали в горячем состоянии до размера в 8 мм и потом прокатывали в холодном состоянии до конечного размера в 2 мм. Горячекатаный продукт термообрабатывали на твердый раствор (ТТР) в течение 30 мин при 520±5°C и закаливали в воде. Закаленные продукты растягивали в холодном состоянии на примерно 1,5%. На закаленном ТТР-листе осуществляли две технологии старения: (1) режим недостаривания путем старения в течение 20 часов при 170°C, причем только для сплавов 1, 7 и 8; (2) режим максимального старения путем старения в течение 48 часов при 170°C.

После старения были определены механические свойства на растяжение согласно EN10.002, и при этом "Rp" представляет предел текучести в МПа, "Rm" представляет предел прочности на растяжение, а "Ag" - равномерное относительное удлинение в % в L- и LT-направлении. Для всех сплавов также была определена прочность на разрыв согласно ASTM B871-96, причем результаты испытания получали в T-L и L-T направлении. Так называемая вязкость в запиле может быть получена делением прочности на разрыв, полученной испытанием на разрыв по Кану, на предел текучести на растяжение ("TS/Rp"). Этот типичный результат из испытания на разрыв по Кану известен в данной области техники как хороший показатель истинной вязкости разрушения. Испытанные механические свойства показаны в таблицах 2 и 3. Если прочность на растяжение дается в L-направлении, то соответствующим направлением для вязкости в запиле является L-T направление, а если прочность на растяжение дается в L-T-направлении, то соответствующим направлением для вязкости в запиле является T-L направление.

Таблица 1
Химический состав испытанных алюминиевых сплавов. Все легирующие добавки приведены в мас.%, остальное составляют неизбежные примеси и алюминий. Для всех сплавов - Fe 0,03%, Si 0,03%
Сплав № Легирующий элемент
Li Cu Mg Ag Mn Zr Cr Ti Sc Zn
1 1,1 3,9 0,5 0,4 0,5 0,11 0,11 0,10 0,15 -
2 0,6 3,9 0,5 0,4 0,5 0,11 0,11 0,10 015 -
3 1,3 3,9 0,5 0,4 0,5 0,11 0,11 0,10 0,15 -
4 1,1 3,6 0,5 0,4 0,5 0,11 0,11 0,10 0,15 -
5 1,1 4,4 0,5 0,4 0,5 0,11 0,11 0,10 0,15 -
6 1,6 3,6 0,5 0,4 0,5 0,11 0,11 0,10 0,15 -
7 1,1 3,9 0,5 0,4 0,5 - - 0,10 - 0,5
8 1,1 3,9 0,5 0,4 0,5 0,11 - - - 1,0
Таблица 2
Механические свойства проката из сплавов после старения в течение 16 часов при 170°C
Сплав № L-направление LT-направление
Rp Rm Ag TS TS/Rp Rp Rm Ag TS TS/Rp
1 502 536 6,1 654 1,30 442 509 6,8 580 1,31
2 346 443 9,3 668 1,93 362 449 8,4 611 1,69
3 527 565 5,6 598 1,13 471 542 5,6 454 0,96
4 479 518 7,0 678 1,42 414 482 8,5 621 1,50
5 508 549 6,5 578 1,14 477 541 7,7 505 1,06
6 456 516 6,8 565 1,24 - - - - -
7 574 611 5,5 571 0,99 542 600 5,9 479 0,88
8 570 606 5,4 483 0,85 514 550 3,4 451 0,88
Таблица 3
Механические свойства проката из сплавов после старения в течение 24 часов при 170°C
Сплав № L-направление LT-направление
Rp Rm Ag TS TS/Rp Rp Rm Ag TS TS/Rp
1 510 543 5,9 647 1,27 461 535 7,2 546 1,18
7 582 617 4,9 - - 547 603 4,3 - -
8 564 604 4,9 - - 536 592 5,0 - -

Из результатов таблицы 2 можно видеть при проведении сравнения между сплавом № 1 (согласно изобретению) и сплавом № 2 (сравнительным), что снижение содержания Li оказывает значительное неблагоприятное влияние на предел текучести и предел прочности на растяжение. По этой причине нижний предел для содержания Li в продукте из сплава согласно этому изобретению составляет по меньшей мере 0,9%, а более предпочтительно по меньшей мере 1,0%.

При проведении сравнения между сплавом № 1 и сплавом №3 можно видеть из таблицы 2, что подъем содержания Li повышает уровни прочности, но оказывает неблагоприятное влияние на вязкость продукта из сплава. Для того чтобы получить хороший баланс по прочности и вязкости в продукте из сплава согласно этому изобретению, содержание Li не должно превышать 1,7%, а предпочтительно составлять не более 1,4%, а более предпочтительно не должно превышать 1,25%.

При проведении сравнения между сплавом № 1 и сплавом № 4 можно видеть из таблицы 2, что снижение содержания Cu оказывает неблагоприятное влияние на уровни прочности. По этой причине содержание Cu в продукте из сплава согласно этому изобретению не должно быть менее 3,4%, а предпочтительно не быть менее 3,6%, для того чтобы поддерживать достаточные уровни прочности. Вместе с тем, при проведении сравнения между сплавом № 1 и сплавом № 5 можно видеть, что повышение содержания Cu дает в результате только небольшое повышение уровней прочности, но оказывает значительное неблагоприятное влияние на вязкость продукта из сплава. Для того чтобы получить хороший баланс по прочности и вязкости в продукте из сплава согласно этому изобретению, содержание Cu предпочтительно не должно превышать 4,4%, а более предпочтительно не должно превышать 4,2%.

При проведении сравнения между сплавом № 1 и сплавом № 6 можно видеть, что значительное повышение содержания Li, наряду с уменьшением содержания Cu, вызывает в результате снижение прочности, наряду со значительным уменьшением вязкости в продукте из сплава согласно этому изобретению.

При проведении сравнения между сплавом № 1 и сплавом № 7 можно видеть, что добавление всего лишь примерно 0,5% цинка значительно повышает прочность продукта из сплава. Это повышение прочности получается в этом примере даже в отсутствие преднамеренной комбинированной добавки Zr, Cr и Sc.

При проведении сравнения между сплавом № 7 и сплавом № 8 можно видеть, что повышение содержания Zn не обязательно приводит к дополнительному повышению прочности или вязкости и может оказывать неблагоприятное влияние на другие конструктивные свойства. По этой причине предпочтительный верхний предел содержания Zn составляет примерно 1,0%. Продукты из сплава с преднамеренной добавкой цинка представляют собой предпочтительный вариант воплощения продукта из сплава согласно этому изобретению.

Из результатов в таблице 2 для сплава № 7 и сплава № 8 можно видеть, что высокие уровни прочности получаются при намеренном добавлении всего лишь одного элемента, выбранного из группы (Zr, Cr, Ti, Sc и Hf).

Из результатов таблицы 2 и таблицы 3 можно видеть, что в зависимости от технологии искусственного старения может быть получено дополнительное повышение прочности.

Имея теперь полностью описанное изобретение, специалисту в данной области техники будет очевидно, что могут быть сделаны многочисленные изменения и модификации без отступления от сущности и объема описанного здесь изобретения.

1. Изделие из алюминиевого сплава для конструктивных элементов, имеющее химический состав, содержащий, мас.%:

Cu 3,4-5,0
Li 0,9-1,7
Mg 0,2-0,8
Ag 0,1-0,8
Mn 0,1-0,9
Zn 0,1-1,5,

один или более элементов, выбранных из группы, состоящей из:
Zr 0,05-0,3
Cr 0,05-0,3
Ti 0,03-0,3
Sc 0,05-0,4
Hf 0,05-0,4
Fe <0,15
Si <0,5,
неизбежные примеси и алюминий остальное

2. Изделие по п.1, в составе которого содержание Cu находится в диапазоне от 3,6 до 4,4%, предпочтительно в диапазоне от 3,75 до 4,4%, более предпочтительно в диапазоне от 3,75 до 4,2%.

3. Изделие по п.1 или 2, в составе которого содержание Li находится в диапазоне от 1,0 до 1,4%, предпочтительно в диапазоне от 1,0 до 1,25%.

4. Изделие по п.1 или 2, в составе которого содержание Zr находится в диапазоне от 0,05 до 0,25%.

5. Изделие по п.1 или 2, в составе которого содержание Zn находится в диапазоне от 0,2 до 1,0%.

6. Изделие по п.1 или 2, в составе которого содержание Ag находится в диапазоне от 0,2 до 0,6%, предпочтительно в диапазоне от 0,25 до 0,50%.

7. Изделие по п.1 или 2, в составе которого содержание Mn находится в диапазоне от 0,2 до 0,7%.

8. Изделие по п.1 или 2, которое выполнено в виде катаного, выдавленного или кованого изделия.

9. Изделие по п.8, которое выполнено в виде выдавленного изделия.

10. Изделие по п.1 или 2, которое выполнено в виде листа, плиты, поковки или выдавленного изделия как деталь элемента конструкции летательного аппарата.

11. Изделие по п.1 или 2, которое обработано с помощью операции горячей деформации, термообработки на твердый раствор, закалки и старения.

12. Изделие по п.1 или 2, которое обработано с помощью термообработки на твердый раствор, закалки и холодного деформационного упрочнения и обладает остаточной деформацией между 0,5 и 15%, предпочтительно между 0,5 и 5%.

13. Способ изготовления изделия из алюминиевого сплава по любому из пп.1-12, включающий в себя этапы:
а. литье заготовки-слитка из AlCuLi-го сплава, имеющего химический состав, содержащий, мас.%:

Cu 3,4-5,0
Li 0,9-1,7
Mg 0,2-0,8
Ag 0,1-0,8
Mn 0,1-0,9
Zn 0,1-1,5,

один или более элементов, выбранных из группы, состоящей из:
Zr 0,05-0,3
Cr 0,05-0,3
Ti 0,03-0,3
Sc 0,05-0,4
Hf 0,05-0,4
Fe <0,15
Si <0,5
неизбежные примеси и алюминий остальное,

b. подогревание и/или гомогенизацию отлитой заготовки;
с. горячую обработку заготовки давлением одним или более способами, выбранными из группы, состоящей из прокатки, выдавливания и ковки;
d. необязательно, холодную обработку давлением подвергнутой горячей обработке давлением заготовки,
е. термообработку на твердый раствор (ТТР) подвергнутой горячей обработке давлением и/или, необязательно, холодной обработке давлением заготовки, причем ТТР осуществляют при температуре и времени, достаточных для перевода в твердый раствор растворимых компонентов в этом алюминиевом сплаве;
f. охлаждение ТТР-заготовки;
g. необязательно, растяжение или сжатие охлажденной ТТР-заготовки или иную холодную обработку охлажденной ТТР-заготовки для снятия напряжений, например, выравнивание или вытягивание, или холодную прокатку охлажденной ТТР-заготовки; и
h. старение, предпочтительно искусственное старение, охлажденной и, необязательно, растянутой или сжатой или подвергнутой иной холодной обработке ТТР-заготовки для достижения желательного состояния.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к получению высокопрочных алюминиевых сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu, предназначенных для изготовления прессованных, кованых и катаных полуфабрикатов.

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к литейным сплавам на основе алюминия, применяемым в авиационной технике и других отраслях машиностроения для нагруженных деталей внутреннего набора фюзеляжа, деталей управления, силовых кронштейнов и др.
Изобретение относится к области металлургии металлических материалов с высокими антифрикционными и прочностными свойствами, используемыми при изготовлении подшипников скольжения.

Изобретение относится к области цветной металлургии и может быть использовано в авиационной, машиностроительной и судостроительной промышленности. .

Изобретение относится к прокатным, экструдированным или кованым изделиям из алюминиевых сплавов, а именно к листам, панелям фюзеляжа летательного аппарата, а также к конструктивным элементам, предназначенным для авиастроения, и может быть использовано в авиационно-космической промышленности.

Изобретение относится к способам получения порошка квазикристаллических сплавов системы Al-Cu-Fe и может быть использовано для антифрикционных присадок, антипригарных покрытий, для создания износостойкого инструмента.

Изобретение относится к способам получения квазикристаллических материалов, а именно к способам получения покрытий из квазикристаллических сплавов системы Al-Cu-Fe. .
Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к составам сплавов на основе алюминия, которые могут быть использованы в машиностроении. .
Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано при изготовлении гибких многослойных печатных плат, применяемых при конструировании радиоэлектронной техники.
Изобретение относится к металлургии и может быть применено для получения алюминиево-медных лигатур

Изобретение относится к продуктам из алюминиевых сплавов и способам их изготовления
Изобретение относится к металлургии литейных сплавов, в частности к антифрикционным сплавам на основе алюминия, работающим в условиях трения скольжения. Антифрикционный сплав на основе алюминия содержит основные компоненты в следующем соотношении, мас.%: кремний - 12-15, медь - 3-5, алюминий - остальное, и имеет структуру, содержащую кристаллы эвтектического кремния глобулярной формы размером от 2 до 8 мкм. Техническим результатом изобретения является повышение износостойкости сплава при трении скольжения. 3 пр.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым сплавам на основе алюминия, и может быть использовано при получении изделий, работающих в диапазоне температур до 350°С. Сплав содержит, мас.%: 0,6-1,5 Cu; 1,2-1,8 Mn; 0,2-0,6 Zr; 0,05-0,25 Si; 0,1-0,4 Fe; 0,01-0,3 Cr; Al остальное, при этом сплав содержит цирконий в своей структуре в виде наночастиц фазы Al3Zr с размером не более 20 нм, а марганец преимущественно образует вторичные выделения фазы Al20Cu2Mn3 с размером не более 500 нм в количестве не менее 2 об.%. Способ получения деформированного полуфабриката из упомянутого сплава включает приготовление расплава и получение литой заготовки путем кристаллизации расплава при температуре, не менее чем на 50°С превышающей температуру ликвидуса, деформирование литой заготовки в два этапа с промежуточным отжигом при 340-450°С при температуре, не превышающей 350°С, с получением промежуточного деформированного полуфабриката, отжиг полученного полуфабриката при температуре 340-450°С и его деформирование при комнатной температуре до получения готового деформированного полуфабриката и отжиг готового деформированного полуфабриката при температуре 300-400°С. Технический результат заключается в повышении прочности, термостойкости и электропроводности сплава на основе алюминия, а также деформированных полуфабрикатов в виде листов, прутков, проволоки, штамповок, труб, выполненных из него. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 6 пр., 8 табл., 3 ил.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым наноструктурным сплавам на основе алюминия и способам их получения для изделий, работающих при повышенных температурах. Сплав на основе алюминия содержит компоненты при следующем их соотношении, мас.%: медь 0,5-0,85; марганец 0,5-0,95; бор 0,02-0,15; цирконий 0,1-0,5; скандий 0,02-0,15; железо 0,01-0,3; кремний 0,01-0,15, неизбежные примеси 0-0,1, из них каждого 0-0,03, алюминий - остальное. При этом бор присутствует в структуре сплава в виде наночастиц АlВ2, AlB12, боридов переходных металлов со средним размером не более 50 нм, при этом сплав имеет электропроводность выше 54% IACS и предел прочности (σв) после 400 часов нагрева при 250°С не менее 160 МПа. По второму варианту сплав содержит, мас.%: медь 0,9-2,0, марганец 1,0-1,6, бор 0,02-0,15; цирконий 0,1-0,5; скандий 0,02-0,15; железо 0,01-0,3; кремний 0,01-0,15, неизбежные примеси 0-0,1, из них каждой 0-0,03, алюминий - остальное, при этом бор присутствует в структуре сплава в виде наночастиц АlВ2, AlB12, боридов переходных металлов со средним размером не более 50 нм, при этом сплав имеет предел прочности после 400 часов нагрева при 250°С до 230-280 МПа. Способ включает приготовление расплава при температуре на 100°С выше температуры ликвидуса сплава, при этом легирующие компоненты вводят в расплав в виде лигатур, имеющих мелкокристаллическую структуру со средним размером наночастиц не более 1500 нм, кристаллизацию и деформацию при воздействии магнитноимпульсного поля и/или слабоимпульсного тока. Техническим результатом изобретения является повышение термостойкости и электропроводности сплава. 4 н. и 4 з.п. ф-лы., 2 табл., 1 пр.

Алюминий-медный сплав для литья, содержащий по существу нерастворимые частицы, которые занимают междендритные области сплава, и свободный титан в количестве, достаточном для измельчения зернистой структуры в литейном сплаве. Сплав содержит, мас.%: Cu 3,0-6,0 , Mg 0,0-1,5, Ag 0,0-1,5, Mn 0,0-0,8, Fe 0,0-1,5, Si 0,0-1,5, Zn 0,0-4,0, Sb 0,0-0,5, Zr 0,0-0,5, Со 0,0-0,5, свободный титан >0,15-1,0, нерастворимые частицы 0,5-20, Al и неизбежные примеси - остальное. Нерастворимые частицы занимают междендритные области сплава и содержат частицы диборида титана. Алюминий-медный сплав обладает высокой пластичностью и прочностью на разрыв, а также усталостной долговечностью. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к области цветной металлургии, а именно к производству фасонных отливок из сплава на основе алюминия, применяемых в качестве нагруженных деталей, длительно работающих при температурах до 300°C в авиационной, автомобильной и других отраслях промышленности. Сплав содержит, мас. %: Cu 2,0-5,5, Mn 0,1-2,5, Cd 0,01-1,5, Si 0,01-1,0, Mg 0,01-0,9, Fe 0,01-1,0, по меньшей мере один элемент из группы: Ti 0,01-0,5, Zr 0,01-0,5, Y 0,001-0,5, In 0,001-0,5, Al - остальное. Техническим результатом изобретения является получение для сплавов данного типа высоких прочностных характеристик при комнатной и повышенной температурах, низкой горячеломкости, удовлетворительной жидкотекучести и линейной усадки. 2 пр., 2 табл.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к высокоресурсным деформируемым термически упрочняемым свариваемым алюминиевым сплавам пониженной плотности с высокими характеристиками вязкости разрушения и прочности, в частности системы Al - Cu - Li, используемым в качестве конструкционных материалов в изделиях авиакосмической техники. Сплав содержит, мас.%: медь 2,5-3,3; литий 0,6-1,6; магний 0,25-1,2; серебро 0,2-0,6; цирконий 0,05-0,13; цинк 0,01-0,8; церий 0,005-0,1; бериллий 0,00001-0,001; по крайней мере один элемент из группы, содержащей: кальций 0,001-0,05; титан 0,005-0,15; марганец 0,005-0,5; хром 0,01-0,2; ванадий 0,01-0,2; железо 0,01-0,05; кремний 0,01-0,12 и по крайней мере один элемент из группы, содержащей: скандий 0,01-0,11; никель 0,005-0,1; олово 0,0001-0,05; остальное алюминий. Техническим результатом изобретения является повышение вязкости разрушения, КСУ, предела прочности, σв, предела текучести, σ0,2, сплава, улучшение пластичности при холодной прокатке для получения тонких листов толщиной до 0,5 мм и свариваемости. 2 н.п. ф-лы, 1 пр., 2 табл.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к высокопрочным сплавам пониженной плотности с повышенной вязкостью разрушения на основе системы алюминий-медь-литий, и может быть использовано для изготовления элементов конструкций в авиакосмической промышленности, таких как лонжероны, балки, шпангоуты и т.д. Сплав содержит, мас.%: медь 3,5-4,5, литий 0,9-1,5, магний 0,01-0,6, серебро 0,05-0,7, цинк 0,05-0,8, цирконий 0,01-0,2, железо 0,01-0,1, кремний 0,01-0,1, марганец 0,01-0,5, кальций 0,001-0,25, по крайней мере, один элемент, выбранный из группы, включающей скандий 0,01-0,2, титан 0,01-0,2, церий 0,05-0,2, алюминий - остальное. Предпочтительно, соотношение содержания меди к литию составляет 2,5-4,0. Техническим результатом изобретения является создание сплава пониженной плотности на основе алюминия и изделия из него, обладающего высокими прочностными свойствами и вязкостью разрушения. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 пр., 2 табл.
Изобретение относится к области металлургии сплавов, в частности деформируемых термически упрочняемых алюминиевых сплавов системы Al-Cu-Mg-Ag, предназначенных для использования в качестве высокопрочных конструкционных материалов в авиационно-космической промышленности. Сплав содержит, мас. %: медь 4,0-5,5, магний 0,2-0,8, марганец 0,2-0,6, серебро 0,4-0,8, титан 0,05-0,2, хром 0,02-0,1, цирконий 0,05-0,2, ванадий <0,1, цинк <0,25, железо <0,1, кремний <0,1, алюминий - остальное. Техническим результатом изобретения является повышение уровня прочностных свойств алюминиевого сплава. 2 пр., 3 табл.
Наверх