Жаропрочный деформируемый сплав на основе алюминия и изделие, выполненное из него

Жаропрочный деформируемый сплав на основе алюминия и изделие, выполненное из него

Реферат

Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым сплавам на основе алюминия, используемым в качестве конструкционного материала в греющихся деталях.

Известен жаропрочный деформируемый сплав на основе алюминия марки Д21 системы алюминий-медь-магний, предназначенный для использования в греющихся деталях летательных аппаратов и содержащий, мас.%:

медь	6,0-7,0
магний	0,25-0,45
марганец	0,4-0,8
титан	0,1-0,2
алюминий	остальное

(ОСТ 190048-90 «Сплавы алюминиевые деформируемые»).

Сплав рекомендовано использовать для основных нагруженных деталей летательного аппарата, подвергающихся эксплуатационному нагреву до температуры 175°С.

Недостатком этого сплава является низкая длительная прочность и невысокие характеристики трещиностойкости, что не позволяет использовать полуфабрикаты из этого сплава для изготовления высоконагруженных конструкционных деталей, подвергаемых знакопеременным нагрузкам, в которых высокая вероятность появления усталостных трещин может привести к разрушению.

Известен жаропрочный деформируемый сплав на основе алюминия, предназначенный для изготовления греющихся деталей летательных аппаратов и содержащий, мас.%:

медь	5,5-6,5
магний	0,2-0,35
марганец	0,4-0,8
титан	0,05-0,1
цирконий	0,06-0,2
ванадий	0,05-0,15
молибден	0,02-0,08
кремний	0,12-0,25
алюминий	остальное
молибден:ванадий	1:2

(RU №2048577, опубл. 20.11.1995 г.).

Сплав обладает средним уровнем прочностных свойств при комнатной и повышенных до 175-200°С температурах.

Недостатком этого сплава является невысокий уровень прочностных характеристик при комнатной и повышенных температурах, что ограничивает область применения этого сплава и позволяет изготовлять из него только детали с ограниченным уровнем эксплуатационных характеристик.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является жаропрочный деформируемый сплав на основе алюминия, предназначенный для изготовления греющихся деталей летательных аппаратов и содержащий, мас.%:

медь	4,4-5,4
магний	0,45-0,8
марганец	0,4-0,8
титан	0,03-0,15
цирконий	0,05-0,20
ванадий	0,05-0,15
молибден	0,01-0,15
кремний	0,03-0,25
серебро	0,4-0,8
германий	0,05-0,20
никель	0,01-0,50
железо	0,01-0,5
алюминий	остальное,

при этом сумма марганца, титана, циркония, ванадия и молибдена должна составлять 0,55-1,0 (RU №2226568, опубл. 10.04.2004 г.), прототип.

Горячепрессованные изделия из этого сплава в термически обработанном состоянии обладают более высоким уровнем прочностных характеристик при комнатной и повышенных до 200°С температурах благодаря выбранному составу и получению изделий с нерекристаллизованной структурой.

Недостатком сплава является получение в некоторых полуфабрикатах и изделиях после термической обработки неоднородной (смешанной) или полностью рекристаллизованной структуры. Это является следствием склонности сплава к рекристаллизации, если деформирование в процессе изготовления изделий, например, холоднокатаных листов, происходит при температуре ниже 300°С. Рекристаллизация в процессе упрочняющей термической обработки является негативным явлением, приводящим к снижению прочности. Изменение структуры от нерекристаллизованной до рекристаллизованной в термически обработанных полуфабрикатах и полученных из них изделий приводит к большому разбросу механических свойств и характеристик сопротивления деформации при повышенных температурах.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка сплава, обладающего повышенными прочностными характеристиками для всех видов полуфабрикатов и деталей в термически обработанном состоянии при комнатной и повышенных температурах при кратковременных и длительных нагрузках.

Для решения поставленной задачи предлагается жаропрочный деформируемый сплав на основе алюминия, содержащий, мас.%:

медь	4,4-5,4
магний	0,45-0,8
марганец	0,3-0,5
титан	0,03-0,10
цирконий	0,08-0,15
хром	0,05-0,15
скандий	0,08-0,15
кремний	0,03-0,25
серебро	0,4-0,8
германий	0,05-0,2
никель	0,01-0,5
железо	0,01-0,5
алюминий	остальное,

при этом сумма марганца, титана, циркония, хрома и скандия должна составлять 0,70-1,05 при соотношениях скандий/цирконий = 1-1,875 и никель/железо = 0,95-1,05 и изделие, выполненное из этого сплава.

Предложенный сплав и выполненное из него изделие отличается от прототипа тем, что сплав дополнительно содержит хром и скандий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

медь	4,4-5,4
магний	0,45-0,80
марганец	0,3-0,5
титан	0,03-0,10
цирконий	0,08-0,15
хром	0,05-0,15
скандий	0,08-0,15
кремний	0,03-0,25
серебро	0,4-0,8
германий	0,05-0,20
никель	0,01-0,50
железо	0,01-0,50
алюминий	остальное,

при этом сумма марганца, титана, циркония, хрома и скандия должна составлять 0,70-1,05 при соотношениях скандий/цирконий = 1-1,875 и никель/железо = 0,95-1,05.

Полуфабрикаты и изделия из предлагаемого сплава имеют однородную по всему объему полуфабриката нерекристаллизованную структуру и соответственно высокие прочностные характеристики как при комнатной, так и при повышенной температуре. Однородность структуры обеспечивает малый разброс свойств.

Предлагаемый химический состав сплава обеспечивает высокое сопротивление рекристаллизации и соответственно высокую термическую стабильность деформированной структуры. Это позволяет использовать интенсивную пластическую деформацию для получения полуфабрикатов и изделий с устойчивой субмикрокристаллической структурой, которая сохраняется при высокотемпературных нагревах под закалку.

Повышенная термическая стабильность деформированной структуры изделия из предлагаемого сплава обусловлена присутствием переходных металлов (марганца, титана, циркония, хрома и скандия). Полуфабрикаты из предлагаемого сплава имеют высокую плотность дисперсоида из мелких включений наиболее эффективных алюминидов переходных металлов. Добавка скандия образует дисперсные вторичные частицы Al₃Sc, которые стабилизируются частично растворяющимися в них Zr, Ti, Cr. Добавка Mn образует свой дисперсоид в другом размерном диапазоне, дополнительно стабилизируя нерекристаллизованную структуру изделия.

Это позволяет обеспечить высокое сопротивление рекристаллизации после горячего и теплого деформирования, в том числе при применении равноканального углового прессования или холодной прокатки. Нерекристаллизованная субмелкозернистая структура, устойчивая к огрублению при температуре эксплуатации, позволяет получить повышенную длительную прочность и тем самым повышает срок службы изделий - и, как следствие, повышение срока службы летательных аппаратов.

Пример осуществления.

Приготовили в электрической печи плавки сплавов приведенного в таблице 1 состава, из которых отлили полунепрерывным методом слитки диаметром 107 мм. Слитки из сплава-прототипа и предлагаемого сплава после гомогенизации и механической обработки на диаметр 95 мм при температуре 400°С осадили по образующей на размер 40×177×200 мм. Полученные заготовки подвергли при температуре 300°С равноканальному угловому прессованию (РКУП) в три прохода через матрицу сечением 40×177 мм и затем при комнатной температуре их прокатали на лист толщиной 2 мм. Полученные листы подвергли упрочняющей термической обработке: закалка в воде после нагрева продолжительностью 20 мин при температуре 525°С и искусственное старение по режиму 190°С - 6 ч.

Полученный материал с нерекристаллизованной субмелкокристаллической структурой подвергли испытаниям с определением временного сопротивления σ_B, предела текучести σ_0,2, относительного удлинения δ, длительной прочности σ₁₀₀₀ ¹⁷⁵ за 1000 ч при 175°С. При этом механические свойства на растяжение определяли при комнатной температуре и при 175°С. Результаты испытаний приведены в таблице 2.

Данные таблицы 2 показывают, что предлагаемый сплав имеет по сравнению с прототипом повышенные на 30-50 МПа прочностные характеристики при комнатной и повышенных температурах и более высокую длительную прочность.

В предложенном сплаве отсутствуют имеющиеся в прототипе ванадий и молибден, которые заменены на более эффективные элементы-антирекристаллизаторы хром и скандий.

Таким образом, термически упрочняемые полуфабрикаты и изделия с субмикроскопической структурой из предлагаемого сплава обладают уникальным сочетанием служебных характеристик при комнатной и повышенной температурах.

Таблица 1.
Химический состав сплавов (масс.%)
Сплав	Cu	Mg	Mn	Ti	Zr	V	Mo	Cr	Sc	Si	Ag	Ge	Ni	Fe	Al
Предлагаемый	5,0	0,6	0,4	0,06	0,12	-	-	0,1	0,12	0,2	0,55	0,13	0,08	0,07	ост
Прототип	4,9	0,6	0,58	0,04	0,10	0,05	0,03	-	-	0,2	0,50	0,14	0,10	0,11	ост

Таблица 2.
Механические свойства изделий в продольном направлении
Сплав	Свойства при 20°С	Свойства при 175°С	σ1000 175, МПа
σB, МПа	σ0,2, МПа	δ, %	σB, МПа	σ0,2, МПа	5,%
Предлагаемый	550	490	10	425	390	10	225
Прототип	500	440	9	380	360	11	200

1. Жаропрочный деформируемый сплав на основе алюминия, содержащий медь, магний, марганец, титан, цирконий, кремний, серебро, германий, никель, железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит хром и скандий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Медь	4,4-5,4
Магний	0,45-0,80
Марганец	0,3-0,5
Титан	0,03-0,10
Цирконий	0,08-0,15
Хром	0,05-0,15
Скандий	0,08-0,15
Кремний	0,03-0,25
Серебро	0,4-0,80
Германий	0,05-0,20
Никель	0,01-0,50
Железо	0,01-0,50
Алюминий	Остальное,

при этом сумма марганца, титана, циркония, хрома и скандия должна составлять 0,70-1,05 при соотношениях скандий/цирконий = 1-1,875 и никель/железо = 0,95-1,05.

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