Высокопрочный сплав на основе алюминия и изделие, выполненное из него

Авторы патента:

Блинова Надежда Евгеньевна (RU)

Каблов Евгений Николаевич (RU)

Рябов Дмитрий Константинович (RU)

Антипов Владислав Валерьевич (RU)

Вахромов Роман Олегович (RU)

C22C21/10 - с цинком в качестве следующего основного компонента

Владельцы патента RU 2610190:

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

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к высокопрочным сплавам на основе алюминия. Сплав на основе алюминия содержит, мас.%: медь 0,5-3,5; магний 1,5-4,5; цинк 7,0-10,0; марганец 0,005-0,9; цирконий 0,005-0,5; кобальт 0,005-0,5; церий 0,005-0,5; бериллий 0,0001-0,01; по крайней мере один элемент из группы, содержащей железо, никель 0,005-0,35 каждого, и по крайней мере один элемент из группы, содержащей скандий, титан 0,001-0,35 каждого, бор, углерод 0,0001-0,02 каждого, алюминий остальное. Техническим результатом является повышение пределов прочности и текучести при комнатной температуре, прочности при температуре 80ºС и малоцикловой усталости после упрочняющей термической обработки. 2 н.п. ф-лы, 1 пр., 2 табл.

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к высокопрочным сплавам на основе алюминия, предназначенным для применения в качестве конструкционного материала для высоконагруженных элементов конструкций изделий авиационной и атомной техники, машиностроения.

Известен алюминиевый сплав (RU 2164541 С2, С22C 21/10, опубл. 27.03.2001), имеющий следующий состав, мас.%:

Цинк	8,0-9,0
Магний	2,3-3,0
Медь	2,0-2,6
Цирконий	0,1-0,2
Железо	0,05-0,3
Кремний	0,03-0,15
Бериллий	0,0001-0,002
Водород	(0,9-3,6)×10^-5
Алюминий	Остальное,

при соотношении Fe/Si≥0,5.

Недостатком данного сплава является недостаточный уровень прочности и сильное разупрочнение при температурах выше 60°С, что не позволяет его применять для нагруженных элементов конструкции, эксплуатирующихся при повышенных температурах.

Известен высокопрочный деформируемый алюминиевый сплав (RU 2514748 C1, С22C 21/06, опубл. 10.05.2014), содержащий следующие элементы, мас.%:

Цинк	6,0-8,0
Магний	3,4-4,2
Медь	0,8-1,3
Скандий	0,07-0,15
Цирконий	0,08-0,12
Бериллий	0,0005-0,004
Церий	0,01-0,15
Титан	0,02-0,08
Кремний	0,01-0,15
Железо	0,01-0,15
Водород	0,05-0,35 см³/100 г металла
неизбежные примеси из группы
Mn, Cr, V, Mo, Li, Ag, K, Na, О
в суммарном количестве, не более	0,10
алюминий	остальное,

при соблюдении соотношения между содержанием магния и цинка от 0,53 до 0,57.

Недостатком данного сплава является сравнительно невысокий уровень механических свойств при комнатной температуре, а также при повышенных температурах.

Наиболее близким аналогом является алюминиевый сплав (RU 2553781 C1, С22C 21/10, опубл. 20.06.2015), имеющий следующий химический состав, мас.%:

Цинк	8-10
Магний	2,0-3,0
Медь	1,6-2,6
Скандий	0,12-0,25
Цирконий	0,06-0,20
Бериллий	0,0001-0,005
Кобальт	0,05-0,15
Никель	0,5-1,0
Железо	0,45-0,95
Алюминий	остальное,

при отношении содержания цинка к содержанию магния в пределах 3,1-4,1.

Недостатком данного сплава является его сильное легирование нерастворимыми в алюминии металлами, что приводит к образованию нерастворимых интерметаллидных фаз, имеющих грубую структуру и являющихся концентраторами напряжений, снижающими характеристики малоцикловой усталости.

Задачей данного изобретения является разработка алюминиевого сплава системы Al-Zn-Mg-Cu для элементов конструкций изделий авиационной, атомной техники и машиностроения, подвергающихся эксплуатационным нагревам и работающих до температур 70-80°С.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение пределов прочности и текучести при комнатной температуре и при температуре 80°С, а также Повышение характеристик усталостной долговечности после упрочняющей термической обработки.

Технический результат достигается за счет того, что предложен сплав на основе алюминия, содержащий цинк, медь, магний, скандий, цирконий, бериллий, кобальт, отличающийся тем, что он дополнительно содержит церий, марганец, по крайней мере один элемент из группы, содержащей железо, никель, и по крайней мере один элемент из группы, содержащей скандий, титан, бор, углерод, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Медь	0,5-3,5
Магний	1,5-4,5
Цинк	7,0-10,0
Марганец	0,005-0,9
Цирконий	0,005-0,5
Кобальт	0,005-0,5
Церий	0,005-0,5
Бериллий	0,0001-0,01
по крайней мере один элемент из группы,
содержащей железо, никель	0,005-0,35 каждого
по крайней мере один элемент из группы,
содержащей скандий, титан	0,001-0,35 каждого
бор, углерод	0,0001-0,02 каждого
алюминий	остальное

Высокое содержание цинка, меди и магния обеспечивает выделение упрочняющих фаз в процессе искусственного старения, что приводит к повышению механических характеристик. Легирование марганцем и цирконием обеспечивает формирование мелкозернистой структуры полуфабрикатов, обеспечивая повышенное сопротивление усталости, а также дополнительное структурное упрочнение материала. Легирование сплава добавками кобальта и церия обеспечивает образование небольшого количества интерметаллидов, осаждающихся на границах зерен и субзерен задерживая тем самым процессы ползучести, повышая характеристики работоспособности при повышенной температуре.

С целью модификации структуры слитков и обеспечения после деформации в полуфабрикатах из данного сплава однородного зерна с регламентированным размером вводятся элементы из группы, содержащей: титан, скандий, бор и углерод, которые образуют друг с другом и с алюминием соединения, являющиеся центрами кристаллизации при литье, обеспечивая мелкозернистую структуру в слитках.

Введение в состав сплава железа и/или никеля обеспечивает образование нерастворимых тугоплавких фаз типа Аl₃X, которые образуются на границах зерен, обеспечивая повышение характеристик длительной прочности за счет торможения процессов движения дислокаций. Легирование бериллием обеспечивает повышенную технологичность при литье за счет образования защитной пленки, исключающей выгорание магния и других легкоплавких элементов в процессе плавки и отливки слитков. При дополнительном легировании сплава иттрием (в количестве 0,005-0,15 мас.%) обеспечивается формирование сложных интерметаллидов совместно со скандием и церием, повышающих механические свойства при повышенных температурах.

При этом содержание малорастворимых в алюминии добавок сокращено и оптимизировано с целью обеспечения сокращения количества интерметаллидов и снижения их размера в процессе деформации и термической обработки при изготовлении полуфабрикатов, что положительно сказывается на характеристиках трещиностойкости и усталости, т.к. нежелательные интерметаллиды провоцируют процессы зарождения и развития трещин при эксплуатации.

Пример осуществления.

Методом полунепрерывного литья были отлиты круглые слитки диаметром 110 мм, химический состав которых представлен в таблице 1.

После гомогенизации и обточки проводили прессование слитков на полосу размером 40×20 мм при температуре 400-460°C. После прессования полосы закаливались в холодной воде. Затем проводили правку растяжением со степенью остаточной деформации 0,5-1,5% для придания необходимой плоскостности и искусственное старение по одноступенчатому режиму на максимальную прочность.

Из полосы были вырезаны образцы для исследований механических свойств при растяжении при комнатной температуре и при повышенной температуре, а также образцы для определения малоцикловой усталости. Испытания проводились на круглых образцах по ГОСТ 1497-84. Испытания при повышенной температуре ГОСТ 9651-84. Испытания на малоцикловую усталость проводились по ГОСТ 25.502-79 при Kt=3.2, σ_max=196 МПа. Результаты механических испытаний приведены в таблице 2.

Как видно из сравнения механических характеристик полос, представленных в таблице 2, предлагаемый сплав обладает на ~5% повышенным пределом прочности при повышенной температуре и на 20% повышенным сопротивлением усталости в сравнении с прототипом. Это позволяет использовать данный сплав в нагруженных элементах конструкций в условиях теплового воздействия, а также знакопеременных нагрузок.

1. Сплав на основе алюминия, содержащий цинк, медь, магний, цирконий, бериллий, кобальт, отличающийся тем, что он дополнительно содержит церий, марганец, по крайней мере один элемент из группы, содержащей железо, никель, и по крайней мере один элемент из группы, содержащей скандий, титан, бор, углерод, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

медь	0,5-3,5
магний	1,5-4,5
цинк	7,0-10,0
марганец	0,005-0,9
цирконий	0,005-0,5
кобальт	0,005-0,5
церий	0,005-0,5
бериллий	0,0001-0,01
по крайней мере один элемент из группы,
содержащей железо, никель	0,005-0,35 каждого
по крайней мере один элемент из группы,
содержащей скандий, титан	0,001-0,35 каждого
бор, углерод	0,0001-0,02 каждого
алюминий	остальное

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

Изобретение может быть использовано при получении паяных конструкций из алюминия и его сплавов. Припой содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: кремний 5-13, медь 1-13,5, цинк 2-10, никель 0,5-4,5, олово 0,1-0,3, по меньшей мере один элемент из группы, включающей стронций 0,001-0,2, натрий 0,001-0,2, титан 0,001-0,1, ванадий 0,001-0,2, по меньшей мере один элемент, выбранный из группы кобальт 0,001-0,8, молибден 0,001-0,8, бериллий 0,001-0,1, алюминий остальное.

Припой для пайки алюминия и его сплавов // 2585598

Изобретение может быть использовано при получении паяных конструкций из алюминия и его сплавов. Припой содержит компоненты в следующем соотношении, мас.

Усовершенствованные алюминиевые сплавы 7ххх и способы их получения // 2581544

Изобретение относится к получению изделий из алюминиевых сплавов 7ххх. Способ получения продуктов из деформируемого алюминиевого сплава 7ххх, содержащего 2,0-22 мас.% цинка и по меньшей мере 1,0 мас.% меди, включает приготовление изделия из алюминиевого сплава для послезакалочной холодной обработки давлением, холодную обработку давлением изделия на более чем 50% и термическую обработку с приданием формы во время этапа термической обработки, при этом упомянутое приготовление содержит этап закалки, а холодную обработку давлением и термическую обработку осуществляют для получения нерекристаллизованной микроструктуры, имеющей менее чем 50%-ю объемную долю зерен, имеющих разброс ориентации зерен не более 3°.

Способ термической обработки изделий из высокопрочных алюминиевых сплавов // 2576283

Изобретение относится к области металлургии, в частности к технологии термической обработки изделий из высокопрочных алюминиевых сплавов для использования в судостроении и конструкциях, эксплуатирующихся в морских условиях, авиакосмической технике, транспортном машиностроении.

Способ получения трехкомпонентного сплава алюминий-цинк-кремний из водной суспензии частиц руд, содержащих соединения алюминия, цинка и кремния и устройство для его осуществления // 2574155

Изобретение относится к области цветной металлургии, в которой получают многокомпонентные металлические сплавы, содержащие алюминий, цинк и кремний. Способ включает размещение предварительно сформированной и содержащей соединения всех перечисленных выше элементов исходной сырьевой смеси во внутреннем объеме применяемого для ее переработки устройства.

Способ изготовления крупногабаритных слитков прямоугольного сечения из высокопрочных алюминиевых сплавов системы al-zn-mg-cu-zr // 2561581

Изобретение относится к металлургии. Лигатуру алюминий-цирконий, технический алюминий и отходы загружают в центральную часть печного пространства с температурой 740-750°C.

Высокопрочный сплав на основе алюминия и изделие, выполненное из него // 2556849

Изобретение относится к высоколегированным сверхпрочным сплавам на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu, предназначенным для применения в качестве конструкционного материала в авиационной и ракетной технике, в транспортных наземных средствах и в изделиях приборного машиностроения.

Сверхпрочный сплав на основе алюминия и изделие из него // 2553781

Изобретение относится к металлургии, в частности к сплавам на основе алюминия, предназначенным для изготовления деформированных полуфабрикатов в виде штамповок и труб для использования в газовых центрифугах, в компрессорах низкого давления, вакуумных молекулярных насосах и в других сильно нагруженных изделиях, работающих при умеренно повышенных температурах.

Протекторный сплав на основе алюминия // 2542213

Изобретение относится к металлургии протекторных сплавов на основе алюминия и может быть использовано при производстве протекторов для защиты от коррозии различных металлических сооружений и конструкций.

Свариваемый алюминиевый сплав для брони // 2536120

Изобретение относится к металлургии алюминиевых полуфабрикатов, а именно к металлургии свариваемых алюминиевых сплавов системы алюминий - цинк - магний, и может найти применение при изготовлении гомогенных или слоистых броневых плит для броненесущих и бронекорпусных объектов.

Высокопрочный сплав на основе алюминия // 2610578

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству высокопрочных материалов на основе алюминия, и может быть использовано для получения ответственных изделий, работающих под действием высоких нагрузок, в частности для изготовления деталей, используемых для автомобилестроения, летательных аппаратов, спортивного инвентаря, корпусов электронных устройств и др. Высокопрочный сплав на основе алюминия содержит, мас. %: цинк 5,2-6,0, магний 1,5-2,0, никель 0,5-2,0, железо 0,4-1,0, медь 0,01-0,25, цирконий 0,05-0,20, по меньшей мере, один элемент из группы, включающей скандий 0,05-0,10 и титан 0,02-0,05, алюминий – остальное, при выполнении соотношения 1≤Ni/Fe≤2 и суммарном содержании циркония и, по меньшей мере, одного элемента из группы, включающей титан и скандий, составляющем не более 0,25 мас. %. Техническим результатом изобретения является увеличение прочностных свойств сплава и изделий, выполненных из него, за счет образования вторичных выделений упрочняющей фазы путем дисперсионного твердения. 7 з.п. ф-лы, 3 пр., 4 табл., 2 ил.

Высокопрочный деформируемый сплав на основе алюминия системы al-zn-mg-cu и изделие из него // 2613270

Изобретение относится к области металлургии, в частности к высокопрочным деформируемым сплавам на основе алюминия, предназначенным для использования в виде деформированных полуфабрикатов в качестве конструкционного материала. Высокопрочный деформируемый сплав на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu и изделие из него содержат, мас.%: цинк 7,8-8,2, магний 2,0-2,4, медь 1,8-2,1, скандий 0,1-0,17, цирконий 0,1-0,14, церий 0,0005-0,001, титан 0,01-0,03, бор 0,0005-0,001, алюминий и неизбежные примеси, в том числе железо не более 0,12, кремний не более 0,11, марганец не более 0,02, хром не более 0,02, - остальное, при этом водород присутствует в сплаве в количестве 0,05-0,3 см3/100 г металла, а отношение магния и цинка составляет от 0,25 до 0,3. Техническим результатом изобретения является повышение прочностных характеристик, в том числе удельной прочности материала. 2 н.п. ф-лы, 1 пр., 2 табл.

Свариваемый сплав на основе алюминия для противометеоритной защиты // 2614321

Изобретение относится к деформируемым свариваемым сплавам на основе алюминия, предназначенным для использования в качестве противометеоритной защиты критических элементов космических аппаратов. Сплав содержит, мас.%: цинк 2-8,5, магний 1,5-3,5, марганец 0,1-0,5, хром 0,05-0,3, цирконий 0,05-0,3, гафний 0,05-1,5, бериллий 0,0001-0,01, по меньшей мере один элемент из группы: медь, титан, никель, кобальт до 0,30 каждого, алюминий и неизбежные примеси в сумме не более 0,7 - остальное. За счет однородной мелкозернистой структуры обеспечивается высокая сопротивляемость ударному воздействию при повышении прочности, удовлетворительной пластичности и свариваемости. 2 з.п. ф-лы, 5 пр., 2 табл., 6 ил.

Способ получения отливок из высокопрочного сплава на основе алюминия // 2621499

Изобретение относится к области металлургии высокопрочных материалов на основе алюминия и может быть использовано при получении изделий, работающих под действием высоких нагрузок при температурах до 150°С, таких как детали летательных аппаратов (самолетов, вертолетов, ракет), автомобилей и других транспортных средств (велосипедов, самокатов, тележек), детали спортинвентаря и др. Способ получения отливок из высокопрочного сплава на основе алюминия включает приготовление расплава алюминия, содержащего цинк, магний, медь, никель и железо, получение отливки методом литья приготовленного расплава и термообработку отливки для формирования структуры, состоящей из дисперсионно упрочненной алюминиевой матрицы и частиц фазы Al9FeNi, при этом приготовление расплава алюминия осуществляют с использованием алюминия, получаемого по технологии электролиза с инертным анодом, при этом расплав готовят при следующей концентрации легирующих элементов, мас.%: цинк 6,3-7,5, магний 2,1-2,8, медь 0,2-0,35, никель 0,6-0,8, железо 0,50-0,70, алюминий - остальное, а после термообработки получают структуру с размером дендритной ячейки алюминиевой матрицы не более 30 мкм и микротвердостью не менее 170 HV. Техническим результатом изобретения является получение отливок с временным сопротивлением (σв) - не менее 500 МПа, пределом текучести (σ0,2) - не менее 450 МПа, относительным удлинением (δ) - не менее 5%. 2 з.п. ф-лы, 3 пр., 4 табл., 3 ил.

Антифрикционный сплав на основе алюминия // 2643284

Изобретение относится к области металлургии литейных сплавов, в частности антифрикционных сплавов на основе алюминия, и может быть использовано для деталей, работающих в условиях трения скольжения. Антифрикционный сплав на основе алюминия содержит, мас %: кремний <1,2; медь 0,7-1,1; магний 3,5-5,5; цинк 4,0-5,5; олово 3,5-4,5; марганец <1,0; титан 0,05-0,25; кремний <1,2; железо <1,2; алюминий остальное. По второму варианту сплав на основе алюминия содержит, мас. %: кремний <1,2; медь 0,7-1,1; магний 3,5-5,5; цинк 4,0-5,5; олово 3,5-4,5; марганец <1,0; цирконий 0,05-0,25; кремний <1,2; железо <1,2; алюминий остальное. При этом в обоих вариантах прочих примесей каждой в отдельности содержится не более 0,2%, а сумма всех примесей не должна превышать 1,2%. Техническим результатом изобретения является снижение металлоемкости, повышение надежности и стабильности работы деталей. 2 н.п. ф-лы, 1 табл.