Сплав на основе алюминия и изделие, выполненное из него

 

Изобретение относится к области металлургии сплавов на основе алюминия, в частности сплавов системы AL-Li-Mg-Be, используемых в качестве конструкционного материала для панелей, стрингеров и других деталей в авиакосмической технике, судостроении и наземном транспортном машиностроении, в том числе и в сварных конструкциях. Задачей изобретения является создание сплава, обладающего повышенной пластичностью в термоупрочненном состоянии при сохранении высокой прочности и повышенной жесткости при соблюдении высокой весовой эффективности. Предложенный сплав и изделие из него имеют следующий химический состав, мас.%: 1,5-3,0 лития, 1,5-2,5 магния, 1,5-4,5 бериллия, 0,2-0,7 меди, 0,05-0,3 циркония, 0,01-0,1 железа, 0,01-0,1 никеля; по крайней мере один элемент из группы: 0,01-0,2 ниобия, 0,01-0,3 скандия, 0,001-0,01 тантала, остальное - алюминий. Техническим результатом изобретения является возможность применения заявленного сплава в конструкциях авиационной техники, что позволяет повысить надежность и ресурс эксплуатации в общеклиматических условиях с учетом длительного воздействия солнечных лучей и морского климата. 2 с.п.ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к области металлургии сплавов на основе алюминия, в частности сплавов системы Al-Li-Mg-Be, используемых в качестве конструкционного материала для стрингеров, панелей и других деталей в авиакосмической технике, судостроении и наземном транспортном машиностроении, в том числе и в сварных конструкциях.

Известны алюминиевые сплавы системы Al-Li-Mg-Be, которые характеризуются пониженой плотностью и относительно высокой прочностью и жесткостью, но обладают низкой пластичностью.

Например, известен порошковый сплав ф. ''Lockhed Missiles and Space Co'' системы Al-Li-Ве, имеющий следующий химический состав, мас.%: Литий - 1-4 Бериллий - 2-20 Алюминий - Остальное (Патент США 4.557.770 от 10.12.1985 г., МПК С 22 С 21/00). В качестве оптимального в патенте США предложен сплав с 10% Be и 3% Li.

Недостатком сплава является низкая пластичность в термоупрочненном состоянии. При применении технологии получения первоначально требуется изготовить сплав заданного состава с гомогенным распределением элементов в промежуточной заготовке. Это необходимое условие получения стабильного состава в сверхбыстроохлажденной ленте и в скомпактированном из нее материале. Но при этом разброс по бериллию достигает до 70%, что сказывается на стабильности свойств промышленных деформируемых полуфабрикатов. Изделия, полученные из этого сплава, используются только в ракетной технике и не могут использоваться в гражданской авиации.

Также известен сплав, имеющий следующий химический состав, мас.%: Бериллий - 49-60 Магний - 0,5-1,1 Никель - 0,8-1,5 Медь - 1,9-3,3 Титан - 0,05-0,3
Гафний - 0,05-0,2
Тантал - 0,05-0,2
Оксид бериллия - 0,5-1,0
Алюминий - Остальное
(Патент России 2090643 от 16.06.1994 г., МПК 6 С 22 С 21/00, 25/00).

Сплав рекомендуется для элементов конструкций, в которых определяющим критерием является высокая жесткость и высокая удельная прочность.

Недостатком сплава является токсичность и дороговизна в виду большого содержания бериллия. Изделия из сплава применяются только в ракетной технике и не могут использоваться в народном хозяйстве.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к предлагаемому изобретению является сплав ф. Sumitomo Light Metal Ind. LTD, имеющий следующий химический состав, мас.%:
Литий - 1-4
Магний - 0,05-1,8
Медь - 0,05-2,5
Бериллий - 0,005-20
Цирконий - 0,01-1,0
Алюминий - остальное
(Патент Японии 64-76479 от 19.10.1990 г., МПК С 22 С 21/00).

Сплав по прочности и удлинению превышает алюминиевые сплавы серии 7000 и пригоден для изготовления деталей летательных аппаратов.

Недостатком сплава является то, что в нем не достигается оптимальное сочетание прочности и жесткости с пластичностью в термоупрочненном состоянии, что не позволяет использовать его в качестве панелей и других силовых деталей самолетов гражданской авиации.

Технической задачей настоящего изобретения является создание сплава, обладающего повышенной пластичностью в термоупрочненном состоянии при сохранении высокой прочности и повышенной жесткости при соблюдении высокой весовой эффективности. Изделия из сплава предлагается использовать в народном хозяйстве, в частности в гражданской авиации.

Для достижения поставленной задачи предлагается сплав на основе алюминия, содержащий литий, магний, бериллий, медь, цирконий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит железо, никель и по крайней мере один элемент из группы, включающей ниобий, скандий, тантал при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Литий - 1,5-3,0
Магний - 1,5-2,5
Бериллий - 1,5-4,5
Медь - 0,2-0,7
Цирконий - 0,05-0,3
Железо - 0,01-0,1
Никель - 0,01-0,1
По крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей:
Ниобий - 0,01-0,2
Скандий - 0,01-0,3
Тантал - 0,001-0,01
Алюминий - остальное
и изделие, выполненное из него.

Полученный уровень прочностных свойств (σ_в=467; σ_0,2=330 МПа; δ=15%; Е= 89 ГПа при γ=2,49 г/см³) обеспечивается количественным и качественным составом предлагаемого сплава. Содержание бериллия ограничено 4,5%, так как при его большем количестве из-за уменьшения теплопроводности сплава не обеспечивается измельчение бериллиевой составляющей в процессе термообработки.

Цирконий в количестве до 0,3% является модифицирующей добавкой при отливке слитков и обеспечивает структурное упрочнение в полуфабрикатах в результате формирования полигонизованной структуры при наличии железа и никеля в указанном количестве.

Введение одного или нескольких элементов: ниобия, скандия, тантала способствует формированию однородной мелкозернистой структуры в полуфабрикатах при наличии бериллия и повышению технологической пластичности.

Количественный и качественный состав предлагаемого сплава позволяет:
- уменьшить пересыщенный твердый раствор за счет дополнительного выделения дисперсной фазы δ¹(Al₃Li), равномерно распределенной в объеме матрицы сплава;
- предотвратить выделение δ¹(Аl₃Li) фазы в процессе низкотемпературного нагрева при 85^oС, 1000 г; предотвратить выделение по границам зерен стабильных фаз и образование приграничных зон, свободных от выделения δ¹(А1₃Li) фазы.

Пример осуществлении
В полупромышленных условиях в вакуумной индукционной печи в атмосфере гелия в изложницу ⊘ 85 мм были отлиты сплавы, химический состав которых приведен в табл. 1. У полученных слитков отрезали литниковую часть, разрезали слитки на три части и обтачивали до заготовок ⊘ 35 мм и длиной 70 мм, из которых выдавливали на прессе прутки ⊘ 12 мм. Полученные из прутков образцы для определения механических свойств подвергали термообработке по режиму: закалка в воду после нагрева 500-570^oС при 2 ч и последующее 2-ступенчатое старение: 1-я ступень при 170-180^oС в течение 3-10 ч; 2-я ступень при 190-220^oС в течение 10-48 ч.

В табл. 2 представлены свойства предлагаемого сплава и сплава-прототипа.

Как видно из табл. 2, предлагаемый сплав обладает заметными преимуществами по сравнению со сплавом-прототипом. Пределы прочности, текучести, пластичности и модуля упругости предлагаемого сплава выше соответствующих значений у известного сплава на 14; 22; 87,5 и 7% соответственно. Сплав существенно превосходит прототип по удельным прочностным характеристикам (σ_β/γ; σ_0,2/γ; E/γ) на 17; 13 и 17% соответственно.

Таким образом применение заявленного сплава в виде прессованных профилей, панелей, плит и листов в конструкциях авиационной техники гражданской авиации позволяет повысить надежность и ресурс эксплуатации в общеклиматических условиях с учетом длительного воздействия солнечных лучей и морского климата.

Формула изобретения

1. Сплав на основе алюминия, содержащий литий, магний, бериллий, медь, цирконий, отличающийся тем, что сплав дополнительно содержит железо, никель и по крайней мере один элемент из группы, включающей скандий, ниобий, тантал при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Литий - 1,5-3,0
Магний - 1,5-2,5
Бериллий - 1,5-4,5
Медь - 0,2-0,7
Цирконий - 0,05-0,3
Железо - 0,01-0,1
Никель - 0,01-0,1
По крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей:
Ниобий - 0,01-0,2
Скандий - 0,01-0,3
Тантал - 0,001-0,01
Алюминий - Остальное
2. Изделие, выполненное из сплава на основе алюминия, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава следующего химического состава, мас.%:
Литий - 1,5-3,0
Магний - 1,5-2,5
Бериллий - 1,5-4,5
Медь - 0,2-0,7
Цирконий - 0,05-0,3
Железо - 0,01-0,1
Никель - 0,01-0,1
По крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей:
Ниобий - 0,01-0,2
Скандий - 0,01-0,3
Тантал - 0,001-0,01
Алюминий - Остальноем

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2