Высокопрочный сплав на основе алюминия и изделие, выполненное из него


 


Владельцы патента RU 2560485:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU)

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, в частности к высокопрочным сплавам пониженной плотности с повышенной вязкостью разрушения на основе системы алюминий-медь-литий, и может быть использовано в авиакосмической отрасли промышленности в качестве конструкционного материала для силового набора изделий (лонжероны, балки, шпангоуты и др.).

Разработка новых алюминиевых сплавов пониженной плотности, повышенной прочности, вязкости разрушения, с высокими усталостными характеристиками, а также освоения промышленного металлургического производства полуфабрикатов из них является актуальной задачей.

Из предшествующего уровня техники (Патент РФ №2180930, опубл. 27.03.2002 г.) известен сплав на основе алюминия состава (масс.%):

Медь 3,0-3,5
Литий 1,5-1,8
Цирконий 0,05-0,12
Скандий 0,06-0,12
Кремний 0,02-0,15
Железо 0,02-0,2
Бериллий 0,0001-0,02

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

Магний 0,1-0,6
Цинк 0,02-1,0
Марганец 0,05-0,5
Германий 0,02-0,2
Церий 0,05-0,2
Иттрий 0,005-0,02
Титан 0,005-0,05
Алюминий Остальное,

при соотношении содержания меди и лития 1,9-2,3.

Недостатками этого сплава являются недостаточно высокие прочностные свойства и ударопрочность, что не позволяет использовать его в изделиях нового поколения для сварных топливных баков, конструктивных элементов, работающих в особо нагруженных зонах или подвергающихся высоким ударным нагрузкам.

Из уровня техники (Патент РФ №2163940, 10.03.2001 г.) известен сплав на основе алюминия состава (масс.%):

Медь 2,5-3,5
Литий 1,5-1,95
Цирконий 0,05-0,15
Скандий 0,01-0,15
Кальций 0,001-0,05
Хром 0,01-0,3
Водород 1,5·10-5-5,0·10-5

по крайней мере, один элемент из группы, включающей:

Магний 0,01-0,6
Титан 0,005-0,009
Бор 0,0002-0,007
Марганец 0,005-0,6
Ванадий 0,01-0,15
Церий 0,005-0,2
Железо 0,01-0,5

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

Цинк 0,01-0,8
Олово 0,0005-0,1
Никель 0,005-0,15
Бериллий 0,0001-0,2
Натрий 0,0003-0,001
Алюминий Остальное

Недостатками этого сплава являются недостаточно высокие прочностные свойства при высоких характеристиках вязкости разрушения, что не позволяет использовать его в особо нагруженных зонах изделий нового поколения.

Известен также (см. Патент US 8118950 В2, 21.02.2012 г.) сплав на основе алюминия состава (масс.%):

Медь 3,4-4,2
Литий 0,9-1,4
Магний 0,1-0,6
Серебро 0,3-0,7
Цинк 0,2-0,8
Марганец 0,1-0,6
Цирконий 0,05-0,15
Алюминий Остальное

Недостатком этого сплава являются недостаточно высокие прочностные свойства при высоких характеристиках вязкости разрушения, что также не позволяет использовать его в особо нагруженных зонах изделий нового поколения.

Известен также (см. (Патент US 7229509, 12.06.2007 г.) сплав на основе алюминия состава (мас.%):

Медь 2,5-5,5
Литий 0,1-2,5
Магний 0,2-1,0
Марганец 0,2-0,8
Серебро 0,2-0,8

и, по крайней мере, один элемент, выбранный из группы, включающей цирконий, хром, титан, гафний, скандий или ванадий в количестве ≤0,4 масс.%,

Алюминий остальное

Этот сплав, имея высокие прочностные свойства, обладает пониженными значениями трещиностойкости, что затрудняет его использование в особо нагруженных зонах изделий нового поколения.

Из уровня техники (см. Патент FR 2938553, 31.12.2010 г.) известен сплав на основе алюминия состава (масс.%):

Медь 2,0-3,5
Литий 1,4-1,8
Магний 0,1-1,0
Марганец 0,2-0,6
Серебро 0,1-0,5
Цирконий 0,05-0,18

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

Хром 0,05-0,3
Скандий 0,05-0,3
Гафний 0,05-0,5
Титан 0,01-0,15
Алюминий Остальное

Этот сплав, имея высокие прочностные свойства, обладает пониженными значениями трещиностойкости, что также затрудняет его использование в особо нагруженных зонах изделий нового поколения.

Наиболее близким аналогом по химическому составу к предлагаемому сплаву, принятому за прототип (см. Патент РФ №2237098, 27.09.2004 г.), является сплав на основе алюминия системы алюминий-медь-литий следующего химического состава (масс.%):

Медь 3,2-4,5
Литий 1,0-1,7
Магний 0,01-0,5
Серебро 0,15-1,5
Железо 0,02-0,5
Кремний 0,01-0,3

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

Цирконий 0,02-0,25
Скандий 0,02-0,25
Марганец 0,003-0,5
Цинк 0,001-0,5
Алюминий Остальное

Этот сплав является высокопрочным, высокомодульным, пониженной плотности, коррозионностойким, сваривается всеми видами сварки, технологичен при литье и обработке давлением. Недостатком этого сплава является недостаточно высокая вязкость разрушения массивных полуфабрикатов при высокой прочности, что не позволяет его использовать в особо нагруженных зонах изделий нового поколения.

Технической задачей изобретения является создание сплава пониженной плотности на основе алюминия и изделия из него, обладающего высокими механическими свойствами.

Техническим результатом изобретения является создание сплава пониженной плотности на основе алюминия и изделия из него, обладающего высокими прочностными свойствами и вязкостью разрушения.

Для достижения заявленного технического результата предложен сплав на основе алюминия, содержащий медь, литий, магний, серебро, цирконий, железо, кремний и, по крайней мере, один элемент, выбранный из группы, включающей скандий, марганец, титан, церий, кальций, при следующем соотношении компонентов (масс.%):

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

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

Скандий 0,01-0,2
Марганец 0,01-0,5
Титан 0,01-0,2
Церий 0,05-0,2
Кальций 0,001-0,25
Алюминий Остальное

Предпочтительно, соотношение содержания меди к литию составляет 2,5-4,0.

Повышенные характеристики статической прочности обеспечиваются большим количеством дисперсных частиц: серебро и магний в небольших количествах, задерживая диффузию меди, стимулируют выделение при старении большего числа частиц стабильной фазы T1 в дисперсной форме и располагаются в ее периферийной зоне. Серебро также усиливает выделение дисперсных упрочняющих Ω'-фаз при искусственном старении, что обеспечивает высокий уровень прочностных свойств.

Цирконий и скандий, являясь модифицирующими добавками, обеспечивают получение мелкозернистой структуры в слитке, задерживают процессы рекристаллизации при получении полуфабрикатов и улучшают свариваемость, повышают устойчивость к коррозии. За счет их введения обеспечивается получение полигонизованной структуры в горячедеформированных полуфабрикатах и, как следствие этого, повышение механических свойств. Кальций является модификатором литой структуры, задерживает процессы рекристаллизации, повышает технологичность при холодной деформации.

Введение в сплав небольших добавок РЗМ позволяет получить повышенную прочность, пластичность, а в некоторых случаях жаропрочность полуфабрикатов. Многие из этих элементов являются модификаторами литой структуры и антирекристаллизаторами (Sc, Се и др.). Температурный интервал растворения РЗМ в алюминиевом расплаве 600-730°C, что позволяет без дополнительных усилий - в чистом виде - вводить РЗМ в расплав, т.к. температурный интервал проведения плавки алюминиевых сплавов 700-750°C.

Введение марганца и/или цинка, а также титана при наличии циркония, скандия и серебра приводит к более равномерному распределению избыточных вторичных растворимых фаз по сечению зерна. Кроме того, наличие большого количества дисперсоидных фаз, образованных цирконием и скандием в присутствии серебра, обеспечивает формирование в полуфабрикатах зон с мелкозернистой рекристаллизованной структурой по механизму непрерывной рекристаллизации, подобной полигонизованной, что обеспечивает структурное упрочнение и высокие характеристики вязкости.

Таким образом, совокупность элементов в сплаве в указанных количествах позволяет получать высокие характеристики прочности и вязкости разрушения полуфабрикатов.

Указанное соотношение концентраций меди к литию обеспечивает дополнительные преимущества: пониженную плотность сплава, хорошую свариваемость, технологичность и требуемый уровень механических свойств.

Пример осуществления

Цилиндрические слитки диаметром 70 мм из сплавов четырех составов были отлиты полунепрерывным методом.

Гомогенизированные по режиму 520°C 20 ч слитки нагревали перед ковкой в электропечи, затем изготавливали поковки толщиной 60 мм. Поковки закаливали в воде после выдержки при температуре 530°C в течение 30 мин и искусственно старили при температуре 160°C в течение 10-20 ч.

Упомянутые режимы были применены ко всем четырем сплавам с химическим составом, указанным в таблице 1.

Результаты испытания механических свойств поковок в состоянии Т1 (закалка + искусственное старение) приведены в таблице 2, из которой следует, что предложенный сплав обладает наилучшим сочетанием высокой прочности и вязкости разрушения изделий из этого сплава (например, полуфабрикатов).

Сопоставление полученных свойств показывает, что применение полуфабрикатов из предложенного сплава для силового набора позволит повысить весовую эффективность изделий за счет повышенной удельной прочности, трещиностойкость при сохранении высокого уровня прочностных свойств.

Таблица 1
Химический состав поковок из опробованных композиций предложенного и известного сплавов
Сплав № состава сплава Cu Li Mg Ag Zr Sc Се Ti Fe Si Mn Zn Ca Al
Предложенный 1 4,2 1,5 0,6 0,5 0,15 0,05 - - 0,05 0,03 0,01 0,25 0,25 ост
2 3,6 0,9 0,01 0,7 0,2 0,01 0,05 0,01 0,01 0,01 0,5 0,8 0,001 ост
3 4,5 1,2 0,3 0,05 0,1 - 0,2 0,1 0,05 0,03 0,25 0,25 0,1 ост
4 3,5 1,4 0,5 0,5 0,01 0,2 - 0,2 0,05 0,03 - 0,05 0,1 ост
Известный - 3,6 1,2 0,3 0,5 0,1 0,1 - - 0,1 0,1 0,1 - - ост
Таблица 2
Свойства поковок из предложенного и известного сплавов в состоянии Т1
Сплав № сплава Предел прочности, σB, МПа Предел текучести σ0,2, МПа Относительное удлинение δ, % Вязкость разрушения К, МПа√м
Предложенный 1 600 560 9,0 40,0
2 580 550 9,0 40,0
3 560 540 8,5 41,0
4 560 540 9,0 40,0
Известный - 580 550 8 23,0

1. Высокопрочный сплав на основе алюминия, содержащий медь, литий, магний, серебро, цинк, цирконий, железо, кремний, марганец, кальций и, по крайней мере, один элемент, выбранный из группы, включающей скандий, титан, церий, отличающийся тем, что указанные компоненты находятся в следующем соотношении, 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

и, по крайней мере, один элемент из группы, включающей:
Скандий 0,01-0,2
Титан 0,01-0,2
Церий 0,05-0,2
Алюминий Остальное

2. Высокопрочный сплав на основе алюминия по п. 1, отличающийся тем, что соотношение содержания меди к литию составляет 2,5-4,0.

3. Изделие, выполненное из высокопрочного сплава на основе алюминия, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п. 1 или 2.



 

Похожие патенты:

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.

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.

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.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым наноструктурным сплавам на основе алюминия и способам их получения для изделий, работающих при повышенных температурах.

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.
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.

Изобретение относится к продуктам из алюминиевых сплавов и способам их изготовления. .
Изобретение относится к металлургии и может быть применено для получения алюминиево-медных лигатур. .
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.
Изобретение относится к получению высокопрочных алюминиевых сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu, предназначенных для изготовления прессованных, кованых и катаных полуфабрикатов.
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.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым наноструктурным сплавам на основе алюминия, содержащим медь и марганец, и может быть использовано для получения изделий, работающих при повышенных температурах. Сплав на основе алюминия содержит, мас. %: медь 0,5-2,0; марганец 0,3-1,6; цирконий 0, 1-0,5; бор 0,02-0,15; серебро 0,01-0,5; скандий 0,02-0,15; железо 0,01-0,3; кремний 0,01-0,35, неизбежные примеси до 0,1, из них каждой до 0,03, алюминий - остальное. Сплав имеет структуру, состоящую из алюминиевого твердого раствора и наночастиц вторичных алюминидов циркония и скандия, а бор присутствуют в структуре сплава в виде наночастиц AlB2, AlB12 со средним размером не более 50 нм. Сплав обладает повышенной термостойкостью, предел прочности (σв) после выдержки 250°C 400 часов составляет не менее 170 МПа, и электропроводностью не менее 55% IACS. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение может быть использовано при получении паяных конструкций из алюминия и его сплавов. Припой содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: кремний 8-13, медь 0,1-10, германий 1,5-8, железо 0,5-3, хром 0,1-2,1, марганец 0,5-3, кобальт 0,001-0,8, молибден 0,001-0,8, стронций 0,001-0,2, бериллий 0,001-0,1, титан 0,001-0,1, натрий 0,001-0,2 и ванадий 0,001-0,2, алюминий остальное. Суммарное содержание меди и германия не превышает 14 мас.%. Отношение содержания железа к марганцу составляет 1:1. Отношение содержания хрома к железу составляет от 1:1 до 1:1,2. При вакуумной пайке припой дополнительно содержит магний в количестве 0,1-1 мас.%. Изобретение обеспечивает понижение температуры плавления припоя, повышение прочности паяных конструкций, что позволяет увеличить срок их службы. 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 3 пр.

Изобретение может быть использовано при получении паяных конструкций из алюминия и его сплавов. Припой содержит компоненты в следующем соотношении, мас. %: кремний 5-13, медь 4-7, цинк 4-7, никель 0,5-3, марганец 0,3-3, железо 0,3-3, по меньшей мере один элемент из группы, включающей стронций 0,001-0,2, бериллий 0,001-0,1, титан 0,001-0,1, натрий 0,001-0,2 и ванадий 0,001-0,2, остальное - алюминий. Отношение содержания железа к марганцу составляет от 1:1 до 1:1,1. Отношение содержания никеля к железу составляет не более 1:2. При вакуумной пайке припой дополнительно содержит магний в количестве 0,1-1 мас. %. При пайке с длительным термическим циклом припой дополнительно содержит, мас.%: кобальт 0,001-0,8 и молибден 0,001-0,8. Технический результат заключается в понижении температуры плавления припоя, повышении прочности и коррозионной стойкости получаемых паяных конструкций из алюминиевых сплавов, что обеспечивает повышение их срока службы. 2 з.п. ф-лы, 2 табл., 3 пр.

Изобретение относится к массивным изделиям из деформируемого алюминиевого сплава серии 2ххх. Изделие из алюминиевого сплава, полученное обработкой давлением и имеющее конечную толщину по меньшей мере 25,4 мм, выполнено из алюминиевого сплава, содержащего, в вес.%: от 3,00 до 3,80 Cu, от 0,05 до 0,35 Mg, от 0,975 до 1,385 Li, причем -0,3×Mg-0,15Cu+1,65≤Li≤-0,3×Mg-0,15Cu+1,85, от 0,05 до 0,20 Zr, от 0,20 до 0,50 Zn, от 0,10 до 0,50 Mn, вплоть до 0,12 Si, вплоть до 0,15 Fe, вплоть до 0,15 Ti, вплоть до 0,05 любой примеси, при сумме примесей, не превышающей 0,15, остальное - алюминий. Изобретение направлено на достижение улучшенного сочетания прочности и вязкости. 24. з.п. ф-лы, 3 пр., 14 табл., 22 ил.

Изобретение относится к порошковой металлургии. Способ получения порошка квазикристаллического материала системы Al-Cu-Fe включает перемешивание порошков алюминия, меди и железа при соотношении компонентов, соответствующем области существования квазикристаллической фазы сплава системы Al-Cu-Fe, нагрев полученной смеси в камере в бескислородной атмосфере с последующим измельчением спека до получения порошка заданной дисперсности. Нагрев смеси производят до температуры 600-700°С, обеспечивающей инициализацию экзотермического процесса самопроизвольного формирования квазикристаллической фазы сплава, при этом измеряют текущую температуру нагрева в камере и температуру нагрева смеси порошков. При превышении температуры смеси порошков над текущей температурой нагрева в камере проводят отжиг при температуре 800-1300°С с обеспечением стабилизации квазикристаллической фазы сплава по всему объему смеси порошков. Обеспечивается получение качественного порошка квазикристаллического материала. 5 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл, 4 пр.
Наверх