Сплав на основе алюминия и способ изготовления полуфабрикатов из этого сплава

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к высокопрочным свариваемым сплавам пониженной плотности системы алюминий - медь - литий, и может быть использовано в авиакосмической технике. Предлагается сплав на основе алюминия, включающий следующие компоненты в 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, содержащей магний 0,1-0,6, цинк 0,02-1,0, 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 при соотношении содержания меди к содержанию лития 1,9-2,3. Предлагается также способ изготовления полуфабрикатов, включающий нагрев литой заготовки под прокатку, горячую прокатку, закалку, правку растяжением и трехступенчатое искусственное старение. Техническим результатом от реализации изобретения является повышение пластичности, трещиностойкости, в том числе сопротивления ударным нагрузкам, увеличение стабильности механических свойств при длительных, низкотемпературных нагревах. 2 с.п. ф-лы, 4 табл.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к высокопрочным свариваемым сплавам пониженной плотности системы алюминий - медь - литий, и может быть использовано в авиакосмической технике.

Известен сплав на основе алюминия состава (мас.%): Медь - 2,6-3,3 Литий - 1,8-2,3 Цирконий - 0,09-0,14 Магний - ≤0,1 Марганец - ≤0,1 Хром - ≤0,05 Никель - ≤0,003 Церий - ≤0,005 Титан - ≤0,02-0,06
Кремний - ≤0,1
Железо - ≤0,15
Бериллий - 0,008-0,1
Алюминий - Остальное
(ОСТ 1-90048-77).

Недостатком этого сплава является его низкая свариваемость, пониженное сопротивление ударным нагрузкам и низкая стабильность механических свойств в случае длительных низкотемпературных нагревов.

За прототип принят сплав на основе алюминия следующего химического состава (мас.%):
Медь - 1,4-6,0
Литий - 1,0-4,0
Цирконий - 0,02-0,3
Титан - 0,01-0,15
Бор - 0,0002-0,07
Церий - 0,005-0,15
Железо - 0,03-0,25
По крайней мере, один элемент из группы:
ниодим - 0,0002-0,1
скандий - 0,01-0,35
ванадий - 0,01-0,15
марганец - 0,05-0,6
магний - 0,6-2,0
алюминий - остальное
(Патент РФ 1584414, С 22 С 21/12, 1988).

Недостатком этого сплава является пониженная термическая стабильность, недостаточно высокие характеристики трещиностойкости, высокая анизотропия свойств, особенно по относительному удлинению.

Известен способ изготовления полуфабрикатов из сплавов системы алюминий-медь-литий, включающий нагрев заготовки при 470-537^oС, горячую прокатку (температура металла в конце прокатки не оговаривается), закалку от 549^oС, правку растяжением (ε = 2-8%) и искусственное старение при 149^oС, 8-24 ч или при 162^oС, 36-72 ч, или при 190^oС, 18-36 ч.

(Патент США 4806174, C 22 F 1/04, 1989).

Недостатком этого способа является низкая термическая стабильность свойств полуфабрикатов из-за остаточного пересыщения твердого раствора и последующего его распада с выделением мелких частиц упрочняющих фаз, а также низкие относительное удлинение и трещиностойкость, что повышает опасность разрушения при эксплуатации.

За прототип принят известный способ изготовления изделий из сплава системы алюминий-медь-литий, включающий нагрев литой заготовки под деформацию при температуре 430-480^oС, деформацию при температуре окончания прокатки не менее 375^oС, закалку от температуры 525±5^oС, правку растяжением (ε = 1,5-3,0%) и искусственное старение по режиму: 150±5^oС, 20-30 ч.

(Технологическая рекомендация по изготовлению плит из сплавов 1440 и 1450, ТР 456-2/31-88. ВИЛС, М., 1988г.).

Недостатком этого способа является существенный разброс значений механических свойств из-за широкого интервала температур деформации и низкая термическая стабильность из-за остаточного пересыщения твердого раствора после старения.

Предлагается сплав на основе алюминия 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 - 0,01-1,0
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
при соотношении меди и лития Cu/Li - 1,9-2,3.

Предлагаемый сплав отличается от прототипа тем, что он дополнительно содержит бериллий и кремний при соотношении компонентов (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 - 0,01-1,0
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
при соотношении меди и лития Cu/Li - 1,9-2,3.

Предлагается способ изготовления полуфабрикатов, который включает нагрев литой заготовки до температуры 460-500^oС, деформацию при температуре ≥400^oС, закалку в воде от температуры 525^o±5^oС, правку растяжением (ε = 1,5-3,0%), искусственное старение в три стадии:
I - при температуре 155-165^oС с выдержкой 10-12 ч;
II - при температуре 180-190^oС с выдержкой 2-5 ч;
III - при температуре 155-165^oС с выдержкой 8-10 ч,
с последующим охлаждением в печи до температуры 90-100^oС со скоростью 2-5^oС/ч и охлаждением на воздухе до комнатной температуры.

Предложенный способ отличается от прототипа тем, что заготовку перед деформацией нагревают до температуры 460-500^oС, деформацию проводят при температуре не ниже 400^oС, а искусственное старение ведут в три стадии: сначала при температуре 155-165^oС с выдержкой 10-12 ч, затем при температуре 180-190^oС с выдержкой 2-5 ч и на последней стадии - при температуре 155-165^oС с выдержкой 8-10 ч; затем осуществляют охлаждение до температуры 90-100^oС со скоростью 2-5^oС/ч с последующим охлаждением на воздухе до комнатной температуры.

Задачей данного изобретения является снижение веса конструкций авиакосмической техники, повышение их надежности и ресурса.

Технический результат - повышение пластичности, трещиностойкости, в том числе сопротивления ударным нагрузкам, увеличение стабильности механических свойств при длительных, низкотемпературных нагревах.

Заявляемые состав сплава и способ получения полуфабрикатов из него обеспечивают необходимую и достаточную легированность твердого раствора, позволяющую достичь высокого упрочнения за счет преимущественного выделения упрочняющих частиц Т1 фазы (Al₂CuLi) без остаточного пересыщения твердого раствора литием, что приводит к практически полной термической стабильности сплава при эксплуатации в условиях длительных, низкотемпературных нагревов.

При этом плотность и морфология выделений упрочняющих частиц на границах и в зерне такова, что позволяет наряду с высокими пределами прочности и текучести получать высокие характеристики пластичности, трещиностойкости, сопротивления ударным нагрузкам.

Предлагаемый состав сплава за счет выделений дисперсных частиц фазы Al₃(Zr, Sc) обеспечивает формирование однородной мелкозернистой структуры в слитке и в сварном шве, отсутствие рекристаллизации (в том числе в околошовной зоне) и, следовательно, хорошее сопротивление сварочным трещинам.

Таким образом, предлагаемые состав сплава и способ изготовления полуфабрикатов из него позволяют получать комплекс высоких механических и конструкционных характеристик (в том числе сопротивление ударным нагрузкам) за счет благоприятной морфологии упрочняющих выделений Т1 фазы при минимальном остаточном пересыщении твердого раствора, с чем связана его повышенная термическая стабильность. Сплав имеет низкую плотность и высокий модуль упругости. Сочетание этих свойств приводит к повышению весовой отдачи (не менее чем на 15%) и не менее чем на 25% увеличивается надежность и ресурс изделий.

Пример осуществления.

Плоские слитки сечением 90 х 220 мм 4-х сплавов, химический состав которых приведен в табл. 1, были отлиты полунепрерывным методом.

Гомогенизированные слитки нагревали перед прокаткой в электропечи, затем раскатывали на листы толщиной 7 мм. Режимы прокатки указаны в табл. 2. Листы закаливали с температуры 525^oС в воде, затем правили растяжением со степенью остаточной деформации 2,5-3%. Правленные листы старили по режиму:
I ст. - 160^oС, 10-12 ч;
II ст. - 180^oС, 3-4 ч;
III ст. - 160^oС, 8-10 ч.

Листы из сплава-прототипа старили по предлагаемому режиму и по режиму - прототипу (150^oС, 24 ч).

Часть листов после старения подвергали дополнительному нагреву при 115^oС, 254 ч, что по степени структурных изменений и изменений свойств соответствует нагреву при 90^oС в течение 4000 ч.

Результаты испытаний механических свойств приведены в табл. 3-4.

Из данных табл. 3-4 следует, что предложенные сплав и способ изготовления из него полуфабрикатов по сравнению с прототипами обеспечивают превосходство свойств горячекатаных листов по относительному удлинению - на 10%, вязкости разрушения - на 15%, удельной энергии разрушения при ударе - на 10% при близких значениях пределов прочности и текучести.

Наибольший выигрыш получен в термической стабильности свойств после длительных низкотемпературных нагревов.

Так, практически полностью отсутствуют изменения свойств листов из предложенного сплава, полученных по предложенному способу. Почти для всех свойств изменения после нагревов не превышают 2-5%.

В сплаве-прототипе, напротив, имеют место: прирост пределов прочности и текучести на 6%, уменьшение относительного удлинения на 30%, снижение вязкости разрушения на 7%, увеличение скорости роста трещин усталости на 10%, снижение сопротивления удару на 5%.

Сопоставление полученных свойств показывает, что предложенные сплав и способ изготовления полуфабрикатов могут обеспечить снижение веса конструкций (за счет более высоких характеристик прочности и трещиностойкости) не менее чем на 15% и увеличение надежности и ресурса изделий не менее чем на 20%.

Формула изобретения

1. Сплав на основе алюминия, содержащий медь, литий, цирконий, скандий, железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кремний, бериллий и по крайней мере один элемент из группы, содержащей магний, марганец, цинк, германий, иттрий, церий, титан при следующем соотношении компонентов, 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 - 0,02-1,0
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
при соотношении содержания меди к содержанию лития 1,9-2,3.

2. Способ изготовления полуфабрикатов из сплава по п. 1, отличающийся тем, что литую заготовку нагревают до 460-500^oС, затем проводят деформацию при температуре не ниже 400^oС, закалку, правку растяжением, искусственное старение в три стадии: на первой стадии при 155-165^oС с выдержкой 10-12 ч, на второй - при 180-190^oС с выдержкой 2-5 ч и на третьей - при 155-165^oС с выдержкой 8-10 ч; после чего осуществляют охлаждение до температуры 90-100^oС со скоростью 2-5^oС/ч и последующее охлаждение до комнатной температуры на воздухе.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4

QB4A Регистрация лицензионного договора на использование изобретения

Лицензиар(ы): Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов"

Вид лицензии*: ИЛ

Лицензиат(ы): Открытое акционерное общество "Каменск-Уральский металлургический завод"

Договор № РД0049659 зарегистрирован 28.04.2009

Извещение опубликовано: 10.06.2009        БИ: 16/2009

* ИЛ - исключительная лицензия        НИЛ - неисключительная лицензия