Сплав на основе алюминия и изделие, выполненное из него

Сплав на основе алюминия и изделие, выполненное из него

Реферат

Изобретение относится к области цветной металлургии, а именно к сплавам на основе алюминия системы Al-Cu-Mg. Полуфабрикаты из этих сплавов используются в качестве конструкционных материалов для авиакосмической техники в виде обшивки и силового набора.

Известен сплав Д16ч, имеющий следующий химический состав (% по массе):

Медь	3,8-4,9
Магний	1,2-1,8
Марганец	0,3-0,9
Железо	≤0,3
Кремний	≤0,2
Цинк	≤0,1
Титан	≤0,1
Никель	≤0,05
Алюминий	Остальное [ОСТ1 90048-90]

Известны также американские сплавы системы Al-Cu-Mg серии 2000, например сплав, имеющий следующий химический состав (% по массе):

Медь	4,2-4,7
Магний	1,3-1,8
Марганец	0,8-1,3
Цирконий	0,08-0,15
Цинк	≤0,25
Титан	≤0,15
Хром	≤0,1
Железо	≤0,15
Кремний	≤0,12
Алюминий	остальное [Патент США №4336075]

и сплав следующего химического состава (% по массе):

Медь	3,8-4,5
Магний	1,2-1,8
Марганец	0,3-0,9
Железо	≤0,15
Кремний	≤0,15
Алюминий	остальное [Патент США №5213639]

Известные сплавы и изделия из них, имея высокую прочность, пластичность, долговечность, вязкость разрушения, малую скорость роста усталостной трещины, в ряде случаев обладают недостаточной молниестойкостью. Эта характеристика для определенной группы изделий авиакосмической техники является определяющей.

Наиболее близким по химическому составу и назначению, принятым за прототип, является сплав на основе алюминия системы Al-Cu-Mg следующего химического состава (% по массе):

Медь	3,8-4,5
Магний	1,2-1,6
Марганец	0,4-0,8
Титан	0,01-0,07
Никель	0,01-0,05
Водород	2,7·10-5-5,0·10-5
Алюминий	Остальное [Патент РФ №2163941]

Данный сплав обладает улучшенным сочетанием предела прочности, вязкости разрушения и скорости роста трещины усталости. Лист, изготовленный из этого сплава, обладает следующими свойствами: σ_в=460 МПа, K_c ^у=55 МПа√м, d(2l)/dN=1,1 мм/кцикл. Однако сплав обладает недостаточной молниестойкостью, что ограничивает его использование в качестве обшивки или силового набора в самолетах нового поколения.

Технической задачей настоящего изобретения является создание сплава, обладающего наряду с высокими характеристиками прочности, пластичности, трещиностойкости, долговечности повышенной молниестойкостью для конструкционного применения в авиакосмической технике в виде обшивки и силового набора.

Для решения поставленной технической задачи предложен сплав на основе алюминия, содержащий медь, магний, марганец, титан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит теллур и по крайней мере один элемент из группы: серебро, никель, цинк, цирконий, хром, железо, кремний, водород, при следующем соотношении компонентов (% по массе):

Медь	3,8-5,5
Магний	0,3-1,6
Марганец	0,2-0,8
Титан	0,5·10-6-0,07
Теллур	0,5·10-5-0,1
по крайней мере один элемент
из группы, содержащей
Серебро	0,2-1,0
Никель	0,5·10-6-0,05
Цинк	0,5·10-6-0,1
Цирконий	0,05-0,3
Хром	0,05-0,3
Железо	0,5·10-6-0,15
Кремний	0,5·10-6-0,1
Водород	0,1·10-5-2,7·10-5
Алюминий	остальное

и изделие, выполненное из него.

Повышение молниестойкости как важной характеристики достигается дополнительным легированием теллуром.

Присутствие теллура вызывает образование химического соединения с алюминием, относящегося к полупроводникам F-типа с удельным электросопротивлением при комнатной температуре 5·10^-3 Ом·м. Наличие в структуре предложенного сплава полупроводниковой фазы обеспечивает повышение молниестойкости сплава и изделия, выполненного из него.

Присутствие по крайней мере одного элемента из группы, включая серебро, никель, цинк, цирконий, хром, железо, кремний, водород обеспечивает повышение прочностных характеристик сплава - предела прочности и предела текучести.

Пример осуществления.

В лабораторных условиях были отлиты слитки 4 сплавов. Химические составы предложенного и известных сплавов приведены в таблице 1, где сплавы 1-7 являются примерами сплавов согласно изобретению, а сплав 8 является примером сплава-прототипа.

Из слитков путем прессования полосы и последующей горячей и холодной прокатки получали листы толщиной 2,5 мм. Прессование проводили при 430°С, а горячую прокатку - при 440-450°С. Листы разрезали на заготовки, которые закаливали с температуры 495-510°С в воде и старили при температуре 170-190°С в течение 12-20 ч. Из этих заготовок были изготовлены образцы для испытаний на молниестойкость и механические свойства. Результаты испытаний приведены в таблице 2.

Испытания на молниестойкость проводили в соответствии с методиками и нормами, принятыми в РФ, с параметрами разряда А+С, где А - импульс главного разряда, С - постоянная составляющая тока. Максимальное значение тока I=200 кА, переносимый заряд Q=20 Кл, длительность импульса 50 мкс.

Механические свойства листов при растяжении (предел прочности σ_в, предел текучести σ_0,2, относительное удлинение δ) определяли по ГОСТ 1497-84 на образцах с шириной рабочей части 10-15 мм.

Скорость роста трещины усталости (d(2l)/dN) определяли по ОСТ1 90268-84 на пластинах размером 200×600 мм с центральной прорезью при ΔК=15,5 МПа√м при следующих условиях усталостного нагружения: σ_max=100 МПа, R=0,1; f=5 Гц.

Вязкость разрушения К_с ^у определяли по ОСТ1 90356-84 на пластинах размером 200×600 мм при R=0,1; f=5 Гц.

Малоцикловую усталость (МЦУ) определяли по ГОСТ 25.502-91 на образцах с отверстием размером 30×200 мм при f=0,17 Гц, R=0, K_t=2,6.

Полученные результаты показывают, что предложенный сплав по сравнению с известным сплавом обладает практически одинаковыми характеристиками прочности, пластичности, трещиностойкости, долговечности. Однако по молниестойкости, определяемой по размеру повреждений со стороны удара молнии и сохранению прочности листов после удара молнии, предложенный сплав по сравнению с известным сплавом имеет превосходство на 20-25%.

Таким образом, применение предлагаемого сплава в качестве конструкционного материала для авиакосмической техники в виде обшивки и силового набора из листов обеспечивает значительное повышение молниестойкости.

Таблица 1Химический состав сплавов (% по массе)
Сплав	Cu	Mg	Mn	Ti	Те	Ag	Ni	Zn	Zr	Cr	Fe	Si	Н	Al
1	3,8	0,3	0,2	0,5·10-6	0,5·10-5	-	0,5·10-6	-	-	-	-	-	0,1·10-5	ост.
2	4,0	0,5	0,2	0,01	0,7·10-5	-	-	0,5·10-6	-	-	-	0,5·10-6	-	ост.
3	4,4	0,7	0,4	0,015	0,9·10-5	0,2	-	-	0,11	0,05	-	-	-	ост.
4	4,7	1,0	0,5	0,035	0,05	-	-	-	-	-	-	0,05	1,4·10-5	ост.
5	4,9	1,2	0,6	0,04	0,07	-	-	-	0,05	-	0,5·10-6	-	-	ост.
6	5,3	1,4	0,7	0,065	0,08	-	-	-	-	-	0,1	-	-	ост.
7	5,5	1,6	0,8	0,07	0,1	1,0	0,05	0,1	0,3	0,3	0,15	0,1	2,7·10-5	ост.
8	3,9	1,2	0,5	0,03	-	-	0,02	-	-	-	-	-	4,0·10-5	ост.

Таблица 2Механические свойства и молниестойкость
Сплав	σв, МПа	σ0,2, МПа	δ, %	Кс у, МПа√м	d(2l)/dN, мм/кцикл	МЦУ, кцикл	Размер повреждения со стороны удара молнии, ⊘ мм	Сохранение прочности, % на расстоянии от молниевого удара
0	20	40	60
мм
1	465	400	8	60	1,0	70	40	72	85	97	100
2	470	405	8	57	1,0	68	39	72,5	86	97,5	100
3	480	420	7,5	56	1,0	66	38,5	72,9	86,5	98	100
4	465	415	7,5	55	1,1	65	38	73	87	98	100
5	470	420	7	55	1,1	63	37,9	73,4	87	98,5	100
6	475	425	7	55	1,1	61	37,7	73,8	87,5	99	100
7	490	425	7	55	1,2	60	37,5	75	88	99	100
8	460	400	7	55	1,2	60	50	60	70	80	90

1. Сплав на основе алюминия, содержащий медь, магний, марганец, титан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит теллур и, по крайней мере, один элемент из группы: серебро, никель, цинк, цирконий, хром, железо, кремний, водород, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Медь	3,8-5,5
Магний	0,3-1,6
Марганец	0,2-0,8
Титан	0,5·10-6-0,07
Теллур	0,5·10-5-0,1

по крайней мере, один элемент из группы, содержащей

Серебро	0,2-1,0
Никель	0,5·10-6-0,05
Цинк	0,5·10-6-0,1
Цирконий	0,05-0,3
Хром	0,05-0,3
Железо	0,5·10-6-0,15
Кремний	0,5·10-6-0,1
Водород	0,1·10-5-2,7·10-5
Алюминий	Остальное

2. Изделие, выполненное из сплава на основе алюминия, отличающееся тем, что сплав имеет следующий химический состав, мас.%:

Медь	3,8-5,5
Магний	0,3-1,6
Марганец	0,2-0,8
Титан	0,5·10-6-0,07
Теллур	0,5·10-5-0,1

по крайней мере, один элемент из группы, содержащей

Серебро	0,2-1,0
Никель	0,5·10-6-0,05
Цинк	0,5·10-6-0,1
Цирконий	0,05-0,3
Хром	0,05-0,3
Железо	0,5·10-6-0,15
Кремний	0,5·10-6-0,1
Водород	0,1·10-5-2,7·10-5
Алюминий	Остальное