Высокопрочный сплав на основе алюминия и способ получения изделия из него

Высокопрочный сплав на основе алюминия и способ получения изделия из него

Реферат

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при производстве полуфабрикатов в виде поковок, штамповок, прессованных прутков и профилей, катаных плит и листов из высокопрочных сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu, предназначенных для применения в силовых конструкциях авиакосмической техники и транспортных средств, к которым предъявляются повышенные требования по прочности, трещиностойкости, усталостной долговечности, коррозионной стойкости.

Известен высокопрочный алюминиевый сплав следующего состава, % масс.: Zn 7,0-11,0; Mg 1,8-3,0; Cu 1,2-2,6; по крайней мере один элемент из группы Mn (0,05-0,4), Cr (0,05-0,3), Zr (0,05-0,2), Hf (0,05-0,3), V (0,05-0,3), Ti (0,01-0,2) и Sc (0,05-0,3), остальное - алюминий и неизбежные примеси и изделие, выполненное из него путем отливки слитка из указанного сплава, последующей гомогенизации слитка, горячей деформации указанного слитка путем прокатки, прессования или ковки, закалки, возможной растяжки со степенью остаточной деформации 1-5%, старение изделия при таких температуре и времени выдержки, которые обеспечивают в долевом направлении максимальный предел текучести при сжатии, например двухступенчатое старение по режиму 80-120°С, выдержка 24 ч + 135-150°С, выдержка 7-30 ч или трехступенчатое старение по режиму 100°С, выдержка 24 ч + 140-160°С, выдержка 2,5-18 ч + 120°С, выдержка 24 ч (Патент ЕП №1231290).

Недостатком сплава и изделия, выполненного из него, являются низкие значения вязкости разрушения и коррозионных характеристик, а также высокая скорость роста трещины усталости, что ограничивает его применение в высокоресурсных ответственных конструкциях.

Известен также деформируемый алюминиевый сплав следующего состава, % масс.: Zn 6,2; Mg 2,5; Cu 1,8; Zr 0,13; Fe 0,11; Si<0,09; остальное Al. Способ изготовления изделий из него включает следующие операции: отливку слитков полунепрерывным методом, гомогенизацию слитков при температурах 300-448°С, выдержку 3 ч, охлаждение до температуры 25°С со скоростью 150-300°С/ч, нагрев до температуры 250°С, выдержка 10 ч, ковка слитка (на 50% от исходной длины вытяжки) при температуре 250°С, нагрев кованой заготовки до температуры 365°С, выдержка 8 ч, прокатка при температуре 365°С со степенью деформации 64%. Термическая обработка полученного изделия: закалка с температуры 470°С, выдержка 5 ч, охлаждение в воде с температурой 45°С и искусственное двухступенчатое старение: температура 1-ой ступени 110°С, выдержка 8 ч, температура 2-ой ступени 170°С, выдержка 10 ч (Патент РФ 2087582).

Недостатком указанного сплава и изделия, полученного из него, является низкий уровень прочностных характеристик, вязкости разрушения, низкий ресурс работы изделия и коррозионной стойкости.

Наиболее близким по технической сути, принятым за прототип, является сплав системы Al-Zn-Mg-Cu следующего состава, % масс.: Zn 5,7-8,7; Mg 1,7-2,5; Cu 1,2-2,2; Zr 0,05-0,15; Fe 0,07-0,14; Si<0,11; Mn<0,02; Cr<0,02; Mg+Cu<4,1; остальное Al и примеси <0,05 каждая и <0,10 в сумме. Изделие, выполненное из него в виде катаных, кованых и прессованных полуфабрикатов для силовых элементов преимущественно крыла самолета, получают путем отливки слитка и его гомогенизации при температуре 465°С, горячей деформации, упрочняющей термообработки - закалки с температуры 480°С в холодную воду, правки со степенью остаточной деформации 2% и последующего старения по режиму 115°С, 6 ч + 172°С, 10 ч (Патент США №6027582).

Недостатком указанного сплава и изделия, полученного из него, указанным способом являются низкие значения прочностных и коррозионных характеристик и вязкости разрушения, что обуславливает низкий ресурс работы изделия, а также высокий уровень остаточных закалочных напряжений, вызывающий при последующей механической обработке существенные поводки и коробление в детали, что приводит к повышению трудоемкости изготовления и увеличению процента брака. Кроме того, химический состав этого изделия не позволяет изготавливать из него сварные конструкции.

Технической задачей, предлагаемого изобретения, является создание высокопрочного алюминиевого сплава системы Al-Zn-Mg-Cu и способа изготовления изделий из него в виде поковок, штамповок, прессованных профилей, прутков, плит и листов с улучшенным комплексом прочностных свойств, вязкости разрушения, скорости роста трещины усталости и коррозионных характеристик, а также с пониженным в 2-3 раза уровнем остаточных закалочных напряжений и улучшенной технологичностью при сварке.

Для решения поставленной задачи предложен высокопрочный сплав на основе алюминия, включающий Zn, Mg, Cu, Zr, Fe, который дополнительно содержит Ti и по крайней мере один элемент из группы металлов Ag, Sc, Ca при следующем соотношении компонентов, в масс.%:

Zn 6,2-8,0

Mg 1,5-2,5

Cu 0,8-1,2

Zr 0,05-0,15

Fe 0,03-0,15

Ti 0,01-0,06

по крайней мере один элемент из группы металлов

Ag 0,01-0,5

Sc 0,01-0,35

Ca 0,0001-0,01

остальное - алюминий и неизбежные примеси.

Неизбежные примеси в сплаве включают Si, Mn, Cr, Ni не более 0,05 каждого и Na, H₂, О₂, В, Р не более 0,01 каждого.

Способ получения изделия из данного сплава включает отливку слитка, его гомогенизацию, горячую деформацию и упрочняющую термическую обработку, включающую закалку и ступенчатое старение, при этом в процессе отливки слитка проводят рафинирование расплава путем продувки аргоном или смесью газов аргона с хлором, и внепечное рафинирование с использованием роторных и/или фильтрующих устройств, гомогенизацию осуществляют по одноступенчатому режиму при температуре на 55-130°С ниже температуры неравновесного солидуса (t_н.с.) с выдержкой 8-36 ч или по двухступенчатому режиму при температуре на первой ступени на 175-280°С ниже температуры t_н.с. алюминиевого сплава, а на второй ступени на 75-125°С ниже t_н.с., с выдержкой на каждой ступени до 24-36 ч, горячую деформацию осуществляют при температуре 300-420°С, закалку проводят при температуре на 50-120°С ниже t_н.с. в течение времени, определяемого толщиной изделия, с последующим охлаждением до температуры не выше 80°С.

Охлаждение при закалке проводят в воде при температуре 15-80°С или в водном растворе органического полимера.

Способ, в котором старение проводят по двухступенчатому режиму - 1-ая ступень при температуре 105-120°С, выдержка 5-24 ч, 2-ая ступень при температуре 160-185°С, выдержка 3-15 ч.

Способ, в котором старение проводят по трехступенчатому режиму - 1-ая ступень при температуре 90-140°С, выдержка 5-24 ч, 2-ая ступень при температуре 150-175°С выдержка 3-12 ч, 3-я ступень при температуре 90-140°С, выдержка 5-24 ч.

Способ, в котором старение проводят по трехступенчатому режиму - 1-ая ступень при температуре 120-140°С, выдержка 8-24 ч, 2-ая ступень при температуре 20-90°С выдержка не менее 24 ч, 3-я ступень при температуре 120-155°С, выдержка 8-24 ч.

Изделие из указанного высокопрочного алюминиевого сплава изготавливают в виде деформированного полуфабриката: поковки, штамповки, прессованного профиля или прутка, катаной плиты или листа.

Изделие может быть выполнено в виде сварной конструкции с прочностью сварного соединения до 0,8 от прочности основного металла.

Двухступенчатый режим старения обеспечивает получение наиболее высокого уровня характеристик трещиностойкости (К_1С и СРТУ) и коррозионной стойкости при средней прочности 530-550 МПа. Приведенные два варианта трехступенчатого режима старения обеспечивают получение изделия с повышенным уровнем прочностных и ресурсных характеристик. Изделие имеет предел прочности (временное сопротивление) при растяжении до 530-700 МПа. Изделия имеют крупные габариты по толщине, ширине и длине: размеры поперечного сечения - прессованные - ширина до 1000 мм, толщина до 260 мм, поковки и штамповки - толщина до 450 мм, плиты и листы - длина до 30000 мм.

Примеры осуществления изобретения

1. Сплав состава: Zn 6,2%, Mg 1,9%, Cu 1,0%, Zr 0,11%, Fe 0,09%, Ti 0,03%, Ca 0,001%, примеси Si 0,05%, Mn 0,01%, В 0,003%, H₂ 0,00002% отливали в плавильно-литейном агрегате с вакуумным миксером с магнизитовой несмачиваемой жидким алюминием футеровкой, а также рафинировали путем продувки смесью газов Ar+5%Cl. При отливке слитка для повышения чистоты металла применяли фильтрацию через пенокерамические фильтры с размером ячейки 40 пор/дюйм, а также внепечное рафинирование в струе при помощи установки роторного типа. В расплав вводили лигатуру Al-Ti-B для модифицирования сплава и измельчения зерна. Слиток гомогенизировали по двухступенчатому режиму: температура 1-ой ступени на 280°С ниже t_н.с.(t_н.с.=577°С), выдержка 24 ч, температура 2-ой ступени на 125°С ниже t_н.с., выдержка 10 ч. Гомогенизированный слиток подвергали горячей деформации - сначала методом свободной ковки при t_деф.=400-410°С со степенью 65%, а затем в закрытых штампах за три перехода - заготовительная штамповка, чистовая штамповка и окончательная штамповка в интервале температур 330-390°С.

В результате получали изделие в виде штамповки толщиной 155 мм. Термическую обработку штамповки осуществляли по следующему режиму: нагрев до температуры закалки на 120°С ниже t_н.с., выдержка 240 мин, охлаждение в раствор органического полимера для снижения закалочных напряжений, старение по трехступенчатому режиму: 1-ая ступень 120°С, выдержка 16 ч, 2-ая ступень 160°С, выдержка 3 ч, 3-я ступень при температуре 140°С, выдержка 12 ч. Изготовленная указанным способом штамповка имела комплекс свойств, приведенный в таблице 1.

2. Сплав состава: Zn 8,0%, Mg 1,5%, Cu 0,8%, Zr 0,05%, Fe 0,03%, Ti 0,01%, Ag 0,25%, Sc 0,2%, Ca 0,0001% - остальное Al и примеси Si, Mn<0,05% каждого, Н₂<0,000027% и В<0,001%, Р<0,0001% отливали в плавильно-литейном агрегате с несмачиваемой футеровкой, оснащенном электрическим миксером. Для рафинирования расплава и удаления окисных плен и примеси водорода применяли продувку смесью газов аргон +5% хлора и фильтрацию через пенокерамичесие фильтры с параметром ячейки 40 пор на дюйм, а также через стеклосетку с размером ячейки 0,6×0,6 мм. Для измельчения зеренной структуры слитка расплав в миксере модифицировали лигатурой Al-Ti-B. Полученный слиток диаметром 650 мм гомогенизировали по двухступенчатому режиму: 1-ая ступень в течение 24 ч при температуре выдержки на 175°С ниже t_н.с. (t_н.с.=526°C), 2-ая ступень в течение 24 ч при температуре на 55°С ниже t_н.с.. Затем после обточки поверхности слиток подвергали индукционному нагреву до температуры 400-420°С и деформировали путем прессования прямым методом с коэффициентом вытяжки 12,8 для получения прямоугольного профиля толщиной 200 мм. Указанный профиль подвергали закалке по режиму: нагрев до температуры на 50°С ниже t_н.с., время выдержки 120 мин, охлаждение в холодной воде (Т=28°С) и последующая правка растяжением при комнатной температуре со степенью остаточной деформации 2,2% для снятия остаточных закалочных напряжений. Старение профиля осуществляли по трехступенчатому режиму: температура 115°С, время выдержки 16 ч + 170°С, время выдержки 5 ч + 90°С, время выдержки 24 ч.

В результате получали изделие в виде профиля. Изготовленный профиль имел комплекс свойств, приведенный в таблице 1. Кроме того, полученный профиль обладал повышенной технологичностью при сварке, причем прочность сварного соединения σ_{св.соед.} составляла ≥0,7-0,8 σ_{осн.мет.}

3. Сплав состава: Zn 6,9%, Mg 2,5%, Cu 1,2%, Zr 0,15%, Fe 0,15%, Ti 0,04%, Ca 0,01%, Si 0,06%, Mn 0,01%, В 0,003%, H₂ 0,00002% отливали аналогично примеру 1. Слиток гомогенизировали по одноступенчатому режиму при температуре на 130°С ниже t_н.с. °C (t_н.с.=577°С), выдержка 36 ч. Гомогенизированный слиток подвергали ковке по 3-ей схеме (три осадки и три протяжки) с тремя нагревами и со степенью деформации на каждом переходе 60-65% при t_деф.=360-400°С. Термическую обработку поковки осуществляли по следующему режиму: нагрев до температуры закалки на 100°С ниже t_н.с., выдержка 5 ч, охлаждение в холодной воде (t_в=22°С). Через 2 ч после закалки поковку подвергали холодной деформации путем обжатия со степенью остаточной деформации 3% для снижения закалочных напряжений, старение проводили по двухступенчатому режиму: 1-ая ступень 115°С, выдержка 16 ч, 2-ая ступень 175°С выдержка 5 ч.

В результате получали изделие в виде поковки. Изготовленная поковка имела комплекс свойств, приведенный в таблице 1.

4. Сплав состава: Zn 7,1%, Mg 2,2%, Си 1,1%, Zr 0,12%, Fe 0,10%, Ti 0,06%, Ca 0,001%, Si 0,06%, Mn 0,01%, В 0,003%, Н₂ 0,00002% отливали аналогично примеру 1. Слиток сечением 300×1200 мм гомогенизировали по двухступенчатому режиму: температура 1-ой ступени на 230°С ниже t_н.с. (t_н.с.=577°С), выдержка 24 ч, температура 2-ой ступени на 110°С ниже t_н.с., выдержка 8 ч. Гомогенизированный слиток нагревали до температуры прокатки 400°С и подвергали горячей деформации за 10 проходов.

В результате получали изделие в виде плиты толщиной 60 мм. Термическую обработку плиты осуществляли по следующему режиму: нагрев до температуры закалки на 105°С ниже t_н.с., выдержка 5 ч, охлаждение в холодной воде (t_в=30°С). Через 1 ч после закалки плиту подвергали холодной деформации путем растяжения со степенью остаточной деформации 2,5% для снижения закалочных напряжений, старение проводили по трехступенчатому режиму: 1-ая ступень - 120°С, выдержка 24 ч, 2-ая ступень - 65°С, выдержка 48 ч, 3-я ступень - 145°С, выдержка 10 ч. Изготовленная плита имела комплекс свойств, приведенный в таблице 1.

В таблице 1 представлен комплекс свойств изделий, полученных из сплава, предложенного заявителем в сравнении со свойствами изделий из сплавов, предложенных в патентах аналога и прототипа.

Установлено, что использование предложенного состава сплава и способа изготовления изделий из него обеспечивает получение требуемого улучшенного комплекса механических и коррозионных свойств, характеристик трещиностойкости, ресурса и технологичности.

Требуемый комплекс свойств достигается за счет повышения чистоты металла по примесям водорода и неметаллическим включениям благодаря продувке расплава смесью газов Ar+Cl, а также усиленной его очистке через пенокерамические фильтры в сочетании с внепечным рафинированием роторным устройством. Получение высокой чистоты металла в сочетании с предлагаемым режимом гомогенизации слитков, обеспечивающим получение структуры с минимальной объемной долей частиц первичных эвтектических фаз и однородным распределением вторичных дисперсных частиц (алюминидов переходных металлов Zr, Sc, Mn и др.), улучшает характеристики трещиностойкости (К_1С, СРТУ) и ресурса (МЦУ) по сравнению с прототипом. Сплав не содержит экологически вредных компонентов, таких как Be.

Существенные трудности при механической обработке поковок, штамповок из сплавов Al-Zn-Mg-Cu возникают из-за значительного коробления деталей ввиду высокого уровня остаточных закалочных напряжений. В предложенном изобретении этот недостаток устранен благодаря снижению остаточных закалочных напряжений более чем в 3 раза путем растяжения или сжатия изделия при комнатной температуре в свежезакаленном состоянии с остаточной деформацией 1-5%. Аналогичный эффект достигается при использовании в качестве среды для охлаждения при закалке горячей воды (температура до 80°С) или водного раствора органического полимера, что замедляет скорость охлаждения изделия при закалке и обеспечивает снижение остаточных напряжений и поводок в изделии.

Режим старения также обеспечивает, с одной стороны, выделение на границах зерен мелких частиц стабильной упрочняющей фазы MgZn₂, с другой стороны, создает однородную структуру упрочняющих метастабильных выделений в теле зерна и в приграничной зоне. Такая структура изделия способствует существенному повышению прочностных (σ_в, σ_0,2) и коррозионных характеристик (К_1SCC - вязкость разрушения в коррозионной среде и РСК - склонность к расслаивающей коррозии), а также способствует повышению долговечности изделия при усталостных нагрузках (МЦУ).

Изготовление изделия из сплава, содержащего микродобавки Ag и Sc, позволяет существенно повысить его технологичность при сварке, обеспечивая прочность сварного шва на уровне 0,7-0,8 от прочности основного металла, что позволяет изготавливать изделия в виде сварных конструкций, в отличие от изделия-прототипа, которое не сваривается.

Таким образом, применение предлагаемого изобретения позволяет получить изделия для силовых конструкций авиакосмической техники и транспортных средств с улучшенным комплексом механических и коррозионных свойств, характеристик трещиностойкости, ресурса и технологичности.

1. Высокопрочный алюминиевый сплав, включающий Zn, Mg, Cu, Zr, Fe, отличающийся тем, что дополнительно содержит Ti и, по крайней мере, один элемент из группы металлов Ag, Sc, Ca при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Zn	6,2-8,0
Mg	1,5-2,5
Cu	0,8-1,2
Zr	0,05-0,15
Fe	0,03-0,15
Ti	0,01-0,06,

по крайней мере, один элемент из группы металлов

Ag	0,01-0,5
Sc	0,01-0,35
Ca	0,0001-0,01
Al и неизбежные примеси	остальное

2. Высокопрочный алюминиевый сплав по п.1, отличающийся тем, что неизбежные примеси включают Si, Mn, Cr, Ni не более 0,05 каждого и Na, Н₂, O₂, В, Р не более 0,01 каждого.

3. Изделие из высокопрочного алюминиевого сплава, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п.1 или 2.

4. Изделие по п.3, отличающееся тем, что оно выполнено в виде поковки, штамповки, прессованного профиля или прутка, катаной плиты или листа.

5. Изделие по п.3, отличающееся тем, что оно выполнено в виде сварной конструкции с прочностью сварного соединения до 0,8 от прочности высокопрочного алюминиевого сплава.

6. Способ получения изделия из высокопрочного алюминиевого сплава, включающий отливку слитка, его гомогенизацию, горячую деформацию и упрочняющую термическую обработку изделия путем закалки и ступенчатого старения, отличающийся тем, что отливают слиток из высокопрочного сплава по п.1, при этом в процессе отливки слитка проводят рафинирование расплава путем продувки его аргоном или смесью аргона с хлором и внепечное рафинирование с использованием роторных и/или фильтрующих устройств, а гомогенизацию осуществляют по одноступенчатому режиму при температуре на 55-130°С ниже температуры неравновесного солидуса (t_н.с.) сплава по п.1 с выдержкой 8-36 ч или по двухступенчатому режиму при температуре на первой ступени на 175-280°С ниже температуры t_н.с., а на второй ступени - на 75-125°С ниже t_н.c., с выдержкой на каждой ступени до 24-36 ч, горячую деформацию осуществляют при температуре 300-420°С, закалку проводят при температуре на 50-120°С ниже t_н.c. в течение времени, определяемого толщиной получаемого изделия, с последующим охлаждением до температуры не выше 80°С.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что охлаждение при закалке проводят в воде при температуре 15-80°С или в водном растворе органического полимера.

8. Способ по п.6, отличающийся тем, что старение проводят по двухступенчатому режиму: 1-я ступень при температуре 105-120°С, выдержка 5-24 ч, 2-я ступень при температуре 160-185°С, выдержка 3-15 ч.

9. Способ по п.6, отличающийся тем, что старение проводят по трехступенчатому режиму: 1-я ступень при температуре 90-140°С, выдержка 5-24 ч, 2-я ступень при температуре 150-175°С выдержка 3-12 ч, 3-я ступень при температуре 90-140°С, выдержка 5-24 ч.

10. Способ по п.6, отличающийся тем, что старение проводят по трехступенчатому режиму: 1-я ступень при температуре 120-140°С, выдержка 8-24 ч, 2-я ступень при температуре 20-90°С, выдержка не менее 24 ч, 3-я ступень при температуре 120-155°С, выдержка 8-24 ч.