Сплав на основе алюминия

Сплав на основе алюминия

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области металлургии сплавов на основе алюминия, в частности к сплаву системы алюминий - медь - магний - литий, применяемого для изготовления полуфабрикатов и изделий из него, используемых в качестве конструкционных материалов для аэрокосмической техники.

Алюминий-литиевые сплавы занимают особое положение среди других алюминиевых систем, что обусловлено их более высоким модулем упругости, меньшей плотностью и повышенными прочностными характеристиками, свойствами, открывающими новые возможности применения сплавов на основе алюминия, в частности для аэрокосмической техники.

Наличие указанных свойств позволяет улучшить ряд характеристик летательных аппаратов, в частности снижение массы аппаратов, экономия горючего, увеличение грузоподъемности.

Однако алюминий-литиевые сплавы обладают рядом недостатков - низкой пластичностью в состояниях максимальной прочности (Н.И.Фридляндер, К.В.Чуистов, А.Л.Березина, Н.И.Колобнев, Алюминий-литиевые сплавы. Структура и свойства. Киев: Наук, думка, 1992, с.177) и, как нами установлено, пониженной коррозионной стойкостью, что особенно заметно и критично для листов с толщинами 1,0 мм и менее.

Известен сплав на основе алюминия, содержащий, мас.%:

Медь	2,0-9,8
Литий	0,2-4,1
Магний	2,0-9,8
Серебро	0,01-2,0
Цирконий	0,05-1,0
Алюминий	Остальное

(Патент США №5032359, МПК C22C 21/06).

Недостатками указанного сплава являются его низкая технологическая пластичность при деформации, высокая трудоемкость изготовления и низкие выхода годного при изготовлении полуфабрикатов и изделий из него, невозможность получения из него тонких листов толщиной менее 1,2 мм, тонкостенных профилей и штамповок, низкая коррозионная стойкость.

К причинам, обуславливающим возникновение указанных выше недостатков при использовании известного сплава, относится то, что в известном сплаве относительно высокое содержание меди и магния отрицательно влияет на горячеломкость при отливке слитков и пластичность при обработке давлением, что приводит к повышенному трещинообразованию, повышенной отбраковке по зажимам и неплоскостности при отделочных операциях, а именно при прогладке и правке полуфабрикатов, высокая концентрация избыточных фаз Li₃CuAl₅ отрицательно сказывается на коррозионной стойкости сплава.

Известен сплав на основе алюминия, содержащий, мас.%:

Медь	2,8-3,8
Литий	0,8-1,3
Магний	0,2-1,0
Серебро	0,2-1,0
Цирконий	0,08-0,4
Алюминий	Остальное

(Патент США №5389165, МПК C22F 1/04).

Недостатками указанного сплава являются его низкая технологическая пластичность при деформации, высокая трудоемкость изготовления и низкие выхода годного при изготовлении полуфабрикатов и изделий из него, невозможность получения из него тонких листов толщиной менее 1,2 мм, тонкостенных профилей и штамповок, повышенный удельный вес и низкие удельные свойства, недостаточная коррозионная стойкость тонких изделий.

К причинам, обуславливающим возникновение указанных выше недостатков при использовании известного сплава, относится то, что в известном сплаве относительно высокое содержание меди и отношение Cu/Mg отрицательно влияет на коррозионную стойкость изделий, горячеломкость при отливке слитков и пластичность при обработке давлением, что приводит к повышенному трещинообразованию, повышенной отбраковке по зажимам и неплоскостности при отделочных операциях, а именно при прогладке и правке полуфабрикатов, низкое содержание лития и магния, обладающих малой плотностью, приводит к повышению удельного веса сплава.

Известен сплав на основе алюминия, содержащий, мас.%:

Медь	2,5-4,0
Литий	0,8-2,5
Магний	0,2-1,0
Серебро	0,2-0,8
Цирконий	0,05-0,3
Алюминий	Остальное

(Патент США №7229509, МПК C22C 21/12).

Недостатками указанного сплава являются его низкая технологическая пластичность при деформации, высокая трудоемкость изготовления и низкие выхода годного при изготовлении полуфабрикатов и изделий из него, невозможность получения из него тонких листов толщиной менее 1,2 мм, тонкостенных профилей и штамповок, недостаточная коррозионная стойкость тонких изделий.

К причинам, обуславливающим возникновение указанных выше недостатков при использовании известного сплава, относится то, что в известном сплаве относительно высокое содержание меди и отношение Cu/Mg отрицательно влияет на коррозионную стойкость изделий, горячеломкость при отливке слитков и пластичность при обработке давлением, что приводит к повышенному трещинообразованию, повышенной отбраковке по зажимам и неплоскостности при отделочных операциях, а именно при прогладке и правке полуфабрикатов.

Известен сплав на основе алюминия, содержащий, мас.%:

Медь	3,2-4,5
Литий	1,0-1,7
Магний	0,01-0,5
Серебро	0,15-1,5
Цирконий	0,05-0,3
Скандий	0,02-0,25
Алюминий	Остальное

(Патент РФ №2237098, МПК C22C 21/18).

Недостатками указанного сплава являются его низкая технологическая пластичность при деформации, высокая трудоемкость изготовления и низкие выхода годного при изготовлении полуфабрикатов и изделий из него, невозможность получения из него тонких листов толщиной менее 1,2 мм, тонкостенных профилей и штамповок, недостаточная коррозионная стойкость тонких изделий.

К причинам, обуславливающим возникновение указанных выше недостатков при использовании известного сплава, относится то, что в известном сплаве относительно высокое содержание меди и отношение Cu/Mg отрицательно влияет на коррозионную стойкость изделий, горячеломкость при отливке слитков и пластичность при обработке давлением, что приводит к повышенному трещинообразованию, повышенной отбраковке по зажимам и неплоскостности при отделочных операциях, а именно при прогладке и правке полуфабрикатов.

Наиболее близким сплавом по химическому составу и назначению к заявленному сплаву на основе алюминия является сплав, содержащий, мас.%:

Медь	1,3-1,5
Литий	1,6-1,9
Магний	0,7-1,1
Цирконий	0,04-0,2
Скандий	0,005-0,01
Алюминий	Остальное

(Патент РФ №2310005, МПК C22C 21/00).

Недостатками указанного сплава, принятого за прототип, являются недостаточные коррозионные свойства, особенно для тонких изделий, в частности низкий уровень межкристаллитной коррозии.

К причинам, обуславливающим возникновение указанных выше недостатков при использовании известного сплава, принятого за прототип, относится то, что твердый раствор в изделиях из данного сплава недостаточно стабильный, неравномерное образование фазовых выделений на границе зерна в процессе старения ведут к снижению сопротивления межкристаллитной коррозии. Уровень чувствительности к межкристаллитной коррозии повышается с понижением толщины изделия.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в разработке сплава на основе алюминия, предназначенного для изготовления из него полуфабрикатов и изделий для авиакосмической техники, свободных от недостатков перечисленных выше и присущих известным техническим решениям.

Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в получении сплава, обладающего повышенной пластичностью и коррозионной стойкостью тонких листов, что позволит повысить его технологичность и эксплуатационные характеристики изделий из него, увеличить выход годного при изготовлении полуфабрикатов и изделий, обеспечить возможность производства тонких листов, тонкостенных профилей и штамповок при снижении трудоемкости производства, при сохранении требуемых прочностных характеристик сплава, а также полуфабрикатов и изделий из него, предъявляемых к конструкционным материалам для авиакосмической техники.

Поставленная задача с достижением упомянутого технического результата при осуществлении изобретения решается тем, что сплав на основе алюминия, содержащий медь, литий, магний, цирконий, скандий, дополнительно содержит серебро и по крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей барий и висмут, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Медь	1,3-1,8
Литий	1,6-1,9
Магний	0,7-1,1
Цирконий	0,08-0,16
Скандий	0,01-0,1
Серебро	0,05-1,5

По крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей:

Барий	0,0005-0,05
Висмут	0,0001-0,05
Алюминий	Остальное

Сплав на основе алюминия, используемый для изготовления полуфабрикатов и изделий, отличается от прототипа тем, что дополнительно содержит серебро, и по крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей барий и висмут.

Мы установили, что введение в сплав серебра при указанном составе сплава способствует более равномерному распределению упрочняющих фаз в твердом растворе и более равномерному выделению дисперсоидов в процессе старения, в результате повышаются как прочностные, так и коррозионные свойства сплава.

Нами установлено, что один или более элементов из группы бария, висмута в количествах 0,0005-0,05 мас.% и 0,0001-0,05 мас.% соответственно способствует связыванию натрия, неизбежно присутствующего в расплаве в виде примеси, в стабильную фазу, в результате чего повышается пластичность сплава и снижается склонность к межкристаллитной коррозии.

Основные легирующие компоненты: медь, литий, магний в указанных количествах образуют после термообработки на твердый раствор и старения достаточное количество упрочняющих элементов (дисперсоидов) для получения хорошего соотношения прочностных и пластических свойств.

Цирконий, скандий в указанных количествах обеспечивают формирование равноосной мелкозернистой структуры в процессе литья, что способствует высокой технологичности сплава как в процессе литья, так и в процессе обработки материала давлением, повышают коррозионные свойства сплава.

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

Пример осуществления:

В промышленных условиях из каждого сплава, химический состав которых приведен в таблице 1, были отлиты плоский слиток сечением 300×1100 мм и круглые слитки диаметрами 270 мм и 350 мм.

Сплав №1 соответствует сплаву, принятому в качестве прототипа, сплавы №2 и №3 соответствуют предлагаемому.

Плавление шихты, рафинирование и литье слитков производили при температуре 710-730°C.

Пример 1

В дальнейшем из плоских слитков каждого сплава были изготовлены листы. Листы изготавливались по одной технологической схеме путем горячей прокатки при температуре 430°C до толщины 6,5 мм со сверткой в рулоны и затем после отжига при температуре 400°C путем холодной прокатки до толщин 2,4 мм и 0,6 мм.

В дальнейшем образцы из листов №1, 2, 3 толщиной 0,6 мм испытали при статическом растяжении с определением предела прочности (σ_в), предела текучести (σ_0,2), относительного удлинения (δ, %).

Образцы вырезались вдоль и поперек относительно направления прокатки.

Результаты механических испытаний представлены в таблице 2.

Из таблицы 2 видно, что предлагаемый сплав превосходит известный сплав (прототип) по прочностным характеристикам и характеристикам пластичности.

Позднее образцы из листов №1, 2, 3 толщиной 2,4 мм испытали на коррозионную стойкость. Испытания на общую коррозию проводились в соответствии с ГОСТ 9.913-90 «Единая система защиты от коррозии и старения. Алюминий, магний и их сплавы. Методы ускоренных испытаний» испытания на склонность к расслаивающей коррозии проводились в соответствии с ГОСТ 9.904-82 «Единая система защиты от коррозии и старения. Сплавы алюминиевые. Методы ускоренных испытаний на расслаивающую коррозию», испытания на чувствительность к межкристаллитной коррозии проводились в соответствии с ГОСТ 9.021-74 «Единая система защиты от коррозии и старения. Алюминий и сплавы алюминиевые. Методы ускоренных испытаний на межкристаллическую коррозию».

Результаты коррозионных испытаний приведены в таблице 3. Из таблицы 3 видно, что предлагаемый сплав значительно превосходит прототип как по общей, так и по межкристаллитной коррозии.

Пример 2

Из круглых слитков диаметром 270 мм каждого сплава были изготовлены профили (уголки с толщиной полок до 5 мм).

Профили из разных сплавов изготавливались по одной технологической схеме путем прессования при температуре 400°C, с последующей закалкой профилей в воде, и старением при температуре 150°C в течение 24 часов.

Пример 3

Из круглых слитков диаметром 350 мм каждого сплава были изготовлены штамповки толщиной стенки 40 мм.

Штамповки из разных сплавов изготавливались по одной технологической схеме путем заготовительной штамповки при температуре 410°C, предварительной штамповки при температуре 410°C, и после травления путем окончательной штамповки при температуре 400°C, с последующей закалкой при температуре 500°C в течение 2 часов и старением при температуре 150°C в течение 24 часов.

Таким образом, предлагаемый сплав обеспечивает достижение поставленной цели - повышение характеристик пластичности сплава и, как следствие, повышение его технологичности, увеличение выхода годного при производстве полуфабрикатов и изделий из него, обеспечение возможности производства тонких листов, тонкостенных профилей и штамповок при снижении трудоемкости производства, а также повышение прочностных, коррозионных и эксплуатационных характеристик сплава, а также полуфабрикатов и изделий из него.

Таблица 2
Сплав	Номер состава сплава	Размер листа, мм	Направление вырезки образцов	Механические свойства
σв, МПа	σ0,2, МПа	δ, %
Прототип	1	0,6×1200×4000	Долевое	432	345	14,5
Поперечное	435	350	13,5
Предлагаемый	2	0,6×1200×4000	Долевое	450	385	14,5
Поперечное	440	360	16
3	0,6×1200×4000	Долевое	460	395	15
Поперечное	445	375	18

Сплав на основе алюминия, содержащий медь, литий, магний, цирконий, скандий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит серебро и по крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей барий и висмут, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Медь	1,3-1,8
Литий	1,6-1,9
Магний	0,7-1,1
Цирконий	0,08-0,16
Скандий	0,01-0,1
Серебро	0,05-1,5
по крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей:
Барий	0,0005-0,05
Висмут	0,0001-0,05
Алюминий	остальное