Сплав на основе алюминия и изделия из него

Сплав на основе алюминия и изделия из него

Реферат

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.

Известно, что алюминий-литиевые сплавы обладают уникальным сочетанием механических свойств, а именно малой плотностью, повышенным модулем упругости и достаточно высоким уровнем прочности. Наличие указанных свойств позволяет снизить вес клепаных и сварных конструкций летательных аппаратов, что дает возможность экономии горючего, увеличения грузоподъемности и улучшения других летно-технических характеристик.

Однако эти сплавы обладают низкой пластичностью в состояниях, близких к максимальной прочности (Алюминий-литиевые сплавы. Структура и свойства / Фридляндер И.Н. и др.; отв. Ред. Коваль Ю.Н.; АН Украины. Ин-т металлофизики. - Киев: Наук. Думка, 1992, 177 с.). Для повышения пластичности были предложены различные меры, такие как легирование медью и магнием, модифицирование цирконием и скандием, варьирование различных технологических режимов (там же).

Известен сплав на основе алюминия следующего состава, мас.%:

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

По крайней мере один элемент из группы:

Магний - 0,1-0,6

Цинк - 0,02-0,1

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 (патент №2180930, С22С 21/12, С22С 21/16, 2002).

Недостатками указанного сплава являются высокая трудоемкость изготовления из-за его низкой технологичности; сниженные выхода годного при изготовлении полуфабрикатов и изделий из-за повышенного трещинообразования; невозможность получения изделий из него с минимальной толщиной. Эти недостатки обуславливаются высоким содержанием меди и кремния; содержание скандия в заявленных пределах не позволяет в полной мере получить эффект упрочнения за счет выделения дисперсоидов AlSc.

Наиболее близким по химическому составу и назначению к заявляемому сплаву на основе алюминия является сплав состава, мас.%:

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, содержащей:

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, содержащей:

Цинк - 0,01-0,8

Олово - 0,005-0,1

Никель - 0,005-0,15

Бериллий - 0,0001-0,2

Натрий - 0,0003-0,001

Алюминий - остальное (патент №2163940, С22С 21/12, 2001).

Недостатками указанного сплава, принятого за прототип, являются его относительно низкая технологичность, результатом которой является высокая трудоемкость изготовления и низкие выхода годного.

К причинам, обуславливающим возникновение указанных недостатков, относится повышенное содержание меди, которое приводит к образованию внутри зерен и на их границах грубых интерметаллидов неправильной формы, являющихся медьсодержащими фазами, образующимися при кристаллизации сплава в участках с повышенным содержанием меди. Данные фазы представляют не отдельные частицы, а обширные скопления, затрудняющие сдвиговые деформации в процессе обработки давлением, что приводит к значительному снижению пластичности сплава. Кроме того, наличие в сплаве одновременно циркония, скандия и хрома ведет к образованию грубых интерметаллических фаз, снижающих уровень механических свойств сплава, что отрицательно сказывается на его технологичности.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является получение сплава на основе алюминия, обладающего высокими пределами прочности и пластичности.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения:

- улучшение технологичности сплава за счет повышения механических характеристик;

- снижение брака по трещинам, а следовательно, повышение выхода годного;

- изготовление полуфабрикатов с минимальной толщиной.

Все вышеперечисленное позволит использовать предлагаемый сплав для изготовления полуфабрикатов и изделий из них, применяемых в конструкциях летательных аппаратов, при сохранении требуемых пластических и эксплуатационных характеристик, предъявляемых к конструкционным материалам для авиакосмической техники.

Указанный технический результат достигается тем, что предлагается сплав на основе алюминия, содержащий медь, литий, магний, цинк, скандий, цирконий, железо, марганец, бериллий, кальций, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кремний, при ограниченном содержании хрома, натрия и галлия, и по крайней мере один элемент из группы, содержащей титан, никель, ванадий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

медь	2,1-2,4
литий	1,5-2,0
магний	0,6-1,0
цинк	0,1-1,0
скандий	0,15-0,2
цирконий	0,05-0,2
железо	0,02-0,15
марганец	0,01-0,2
бериллий	0,005-0,2
кальций	0,001-0,05

по крайней мере один элемент из группы

титан	0,01-0,1
никель	0,001-0,01
ванадий	0,005-0,01

при ограничении содержания

кремния	до 0,1
хрома	до 0,05
натрия	до 0,001
галлия	до 0,001
алюминий	остальное.

Сплав на основе алюминия, используемый для изготовления полуфабрикатов и изделий, отличается от известного сплава, принятого за прототип, пониженным содержанием меди, кальция и хрома и более высоким содержанием магния, цинка, скандия.

Снижение содержания меди в сплаве до пределов 2,1-2,4 мас.% при увеличении содержания магния до 1,0 мас.% и соответствующем сочетании содержания других элементов позволяет практически полностью перевести медь в твердый раствор и способствует появлению в структуре дополнительной упрочняющей фазы S₁ (Al₂CuMg). Это приводит к значительному уменьшению объемной доли интерметаллидов медьсодержащих фаз (что было установлено электронно-микроскопическим исследованием сплава) и, как следствие, повышению пластичности сплава и его прочности. Уменьшение количества меди в сплаве менее 2,1 мас.% не влияет на повышение его характеристик пластичности, но значительно снижает прочностные характеристики.

Повышение содержания скандия до 0,15-0,20 мас.%, при содержании циркония в пределах 0,05-0,20 мас.%, а также введение одного или более элементов из группы титана, никеля и ванадия в указанных количествах способствует формированию однородной мелкозернистой структуры, обеспечивает структурное упрочнение полуфабрикатов и изделий из предлагаемого сплава, что позволяет достичь необходимого уровня прочностных свойств сплава.

Дополнительно установлено, что натрий не образует фаз с алюминием, которые могут приводить к хрупкому разрушению по границам зерен в процессах рекристаллизации сплава и обработки давлением. Также установлено, что при содержании натрия ниже 0,001 мас.% он практически полностью растворяется в твердом растворе, что приводит к повышению пластичности сплава.

Кальций в количестве 0,005-0,02 мас.% является добавкой, связывающей избыточный натрий и другие примесные элементы, приводящей к образованию более округлой формы выделившихся интерметаллидов и их коагуляции, что приводит к более благоприятным условиям сдвиговой деформации и, как следствие, повышению технологической пластичности сплава.

Железо в пределах 0,02-0,15 мас.% увеличивает прочность и улучшает характеристики ползучести. В тоже время введение повышенного содержания титана до 0,01-0,1 мас.% способствует уменьшению склонности сплава к трещинообразованию и, кроме того, благодаря измельчению зерна и выравниванию свойств сплава по всему объему слитка, приводит к дополнительному повышению прочности и пластичности.

Из предлагаемого сплава на основе алюминия могут быть получены различные полуфабрикаты: листы, плиты, штамповки, прессованные изделия. Из полуфабрикатов предлагаемого сплава могут быть изготовлены различные изделия, например панели для обшивки фюзеляжных конструкций летательных аппаратов, элементы силового набора, сварные топливные баки и другие элементы авиакосмической техники.

В предлагаемом изделии, выполненном из сплава на основе алюминия, используемого для изготовления полуфабрикатов, технический результат достигается тем, что в качестве материала заготовки используется сплав при следующем соотношении компонентов, мас.%: медь 2,1-2,4; литий 1,5-2,0; магний 0,6-1,0; цинк 0,1-1,0; скандий 0,15-0,2; цирконий 0,05-0,2; железо 0,02-0,15; марганец 0,01-0,2; бериллий 0,005-0,2; кальций 0,001-0,05; по крайней мере один элемент из группы титан 0,01-0,1; никель 0,001-0,01; ванадий 0,005-0,01; при ограничении содержания кремния до 0,1; хрома до 0,05; натрия до 0,001; галлия до 0,001; алюминий - остальное.

Примеры реализации.

Пример 1

В промышленных условиях из каждого сплава, химический состав которых приведен в таблице 1, были изготовлены плоские слитки сечением 300×1100 мм путем плавления шихты, рафинирования сплава и литья при температуре 710-730°С в плоский кристаллизатор (химический состав №1 соответствует сплаву, принятому в качестве прототипа, составы №2, 3 и 4 соответствуют предлагаемому сплаву). В дальнейшем из слитков каждого сплава были изготовлены плакированные листы путем горячей прокатки при температуре 430°С до толщины 6,5 мм со сверткой в рулоны, отжига при температуре 400°С и холодной прокатки.

Лист из сплава №1 удалось прокатать только до толщины 0,9 мм и дальнейший прокат был остановлен из-за наличия на боковых кромках листа рванин глубиной более 30 мм и наличия в рулоне обрывов.

Листы из сплавов №№2, 3 и 4 были прокатаны без обрывов до толщины 0,5 мм.

Дальнейшие отделочные операции - прогладка и правка листов растяжением - из сплавов №№2, 3 и 4 в сравнении со сплавом №1, несмотря на их меньшую толщину, прошли более успешно и с меньшей отбраковкой на окончательной приемке по дефектам (зажимы, неплоскостность и трещины).

Выход годного при производстве листов из сплавов №№2, 3 и 4 был выше на 30%, чем из сплава №1.

В дальнейшем образцы из листов №№1, 2, 3 и 4 испытали при статическом растяжении с определением предела прочности (σ_в), предела текучести (σ_0,2), относительного удлинения (δ, %). Образцы вырезались вдоль, поперек и под углом 45° относительно направления прокатки.

Результаты механических испытаний представлены в таблице 2. Из таблицы видно, что предлагаемый сплав превосходит известный, принятый в качестве прототипа, по характеристикам прочности и пластичности.

Пример 2

В промышленных условиях из каждого сплава, химический состав которых приведен в таблице 1, были изготовлены круглые слитки диаметрами 190 мм путем плавления шихты, рафинирования сплава и литья в кристаллизатор при температуре 710-730°С (химический состав №1 соответствует сплаву, принятому в качестве прототипа, составы №2, 3 и 4 соответствуют предлагаемому сплаву). Из слитков каждого сплава были изготовлены профили (уголки с толщиной полок до 5 мм) путем прессования при температуре 400°С, закалки в воде и старения при температуре 150°С в течение 24 часов.

Выход годного при производстве профилей из сплавов №№2, 3 и 4 был выше на 15%, чем из сплава №1.

Пример 3

В промышленных условиях из каждого сплава, химический состав которых приведен в таблице 1, были изготовлены круглые слитки диаметрами 350 мм путем плавления шихты, рафинирования сплава и литья в кристаллизатор при температуре 710-730°С (химический состав №1 соответствует сплаву, принятому в качестве прототипа, составы №2, 3 и 4 соответствуют предлагаемому сплаву). Из слитков каждого сплава были изготовлены штамповки с толщиной стенки 40 мм путем заготовительной штамповки при температуре 410°С, предварительной штамповки при температуре 410°С, травления, окончательной штамповки при температуре 400°С, закалки при температуре 500°С в течение 2 часов и старения при температуре 150°С в течение 24 часов.

Выход годного при производстве штамповок из сплавов №№2, 3 и 4 был выше на 10%, чем из сплава №1.

Таким образом, предлагаемый сплав обеспечивает достижение технической задачи - повышение прочностных характеристик при одновременном повышении пластичности сплава и, как следствие, повышение его технологичности. Это приводит к увеличению выхода годного при производстве полуфабрикатов и изделий из него, обеспечению возможности производства тонких листов, тонкостенных профилей и штамповок при снижении трудоемкости и сохранении требуемых прочностных и эксплуатационных характеристик, предъявляемых к конструкционным материалам для авиакосмической техники.

Таблица 1Химический состав сплавов
Сплав	№ состава сплава	Содержание компонентов, мас.%
Cu	Li	Mg	Zn	Sc	Zr	Fe	Mn	Be	Са	Ti	Ni	V	Si	Cr	Na	Ga	Al
Прототип	1	3,0	1,7	0,5	0,01	0,08	0,09	0,04	0,3	0,002	0,002	0,03	0,005	0,01	0,02	0,01	0,0008	-	Остальное
Предлагаемый	2	2,4	1,6	0,75	0,4	0,17	0,10	0,04	0,21	0,01	0,002	0,03	0,006	0,008	0,008	0,001	0,0006	0,0001
3	2,3	1,7	0,7	0,45	0,14	0,08	0,10	0,18	0,03	0,004	0,03	0,007	0,05	0,03	0,001	0,0008	0,0002
4	2,1	1,5	0,6	0,2	0,19	0,07	0,04	0,05	0,001	0,01	0,01	0,001	0,01	0,01	0,001	0,0005	0,0001

Таблица 2Механические свойства сплавов
Сплав	Номер состава сплава	Направление вырезки образцов	Механические свойства
σв, МПа	σ0,2, МПа	δ, %
Прототип	1	Долевое	520	500	8,9
Поперечное	510	498	8,5
Под углом 45°	498	460	9,7
Предлагаемый	2	Долевое	550	519	12,6
Поперечное	538	512	11,8
Под углом 45°	524	508	12,5
3	Долевое	551	521	12,8
Поперечное	538	505	11,9
Под углом 45°	525	509	12,9
4	Долевое	532	515	11,9
Поперечное	539	309	12,1
Под углом 45°	523	508	13,1

1. Сплав на основе алюминия, содержащий медь, литий, магний, цинк, скандий, цирконий, железо, марганец, бериллий, кальций, хром, натрий и по крайней мере один элемент из группы, содержащей титан, никель, ванадий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кремний и галлий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

медь	2,1-2,4
литий	1,5-2,0
магний	0,6-1,0
цинк	0,1-1,0
скандий	0,15-0,2
цирконий	0,05-0,2
железо	0,02-0,15
марганец	0,01-0,2
бериллий	0,005-0,2
кальций	0,001-0,05

по крайней мере один элемент из группы

титан	0,01-0,1
никель	0,001-0,01
ванадий	0,005-0,01

при ограничении содержания

кремния	до 0,1
хрома	до 0,05
натрия	до 0,001
галлия	до 0,001
алюминий	остальное

2. Изделие из сплава на основе алюминия, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава следующего состава, мас.%:

медь	2,1-2,4
литий	1,5-2,0
магний	0,6-1,0
цинк	0,1-1,0
скандий	0,15-0,2
цирконий	0,05-0,2
железо	0,02-0,15
марганец	0,01-0,2
бериллий	0,005-0,2
кальций	0,001-0,05

по крайней мере один элемент из группы

титан	0,01-0,1
никель	0,001-0,01
ванадий	0,005-0,01

при ограничении содержания

кремния	до 0,1
хрома	до 0,05
натрия	до 0,001
галлия	до 0,001
алюминий	остальное