Способ изготовления изделий из алюминиевых деформируемых сплавов
Владельцы патента RU 2284367:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU)
Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к способу получения деталей и полуфабрикатов из алюминиевых сплавов, содержащих добавки переходных металлов, для применения в авиакосмической технике, судостроении и транспортном машиностроении в качестве деталей силового набора, обшивок и т.п. Способ изготовления изделий из алюминиевых деформируемых сплавов, содержащих по крайней мере один переходный металл, включает гомогенизацию слитка, охлаждение, нагрев до температуры пластической деформации, пластическую деформацию, термическую обработку. Гомогенизацию слитка ведут в две стадии. Первую стадию осуществляют в интервале температур минимальной устойчивости твердого раствора основных легирующих компонентов в алюминии со скоростью нагрева 2-5°С/ч. На второй стадии проводят нагрев до температуры 450-470°С со скоростью 30-50°С/ч с последующей выдержкой при температуре нагрева в течение времени, достаточного для растворения частиц избыточных эвтектических фаз. Техническим результатом изобретения является разработка способа изготовления изделий, обладающих улучшенным комплексом прочностных характеристик, пластичности, трещиностойкости, характеристик усталости, коррозионных свойств, что обеспечит увеличение ресурса и весовой эффективности конструкции. 3 табл.
Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к способу получения деталей и полуфабрикатов из алюминиевых сплавов, содержащих добавки переходных металлов, таких как Zr, Sc, Mn, Cr и др., для применения в авиакосмической технике, судостроении и транспортном машиностроении в качестве деталей силового набора, обшивок и т.п.
Известен способ изготовления изделий из высокопрочных деформируемых алюминиевых сплавов серии 7ХХХ, включающий следующие операции: гомогенизация слитков ⊘300 мм при температуре 450°С с выдержкой 24 часа, предварительная деформация при температуре 450°С до толщины 30-60 мм, закалка с температуры 400°С после выдержки 8 часов, прокатка до толщины 20 мм, повторная закалка с температуры 475°С, 1 ч, правка со степенью деформации 0,5% и трехступенчатое старение (Патент США №5,858,133).
Известен способ изготовления деталей из деформируемых алюминиевых сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu, содержащих малые добавки переходных металлов, состоящий из следующих операций: слиток подвергается двухступенчатой гомогенизации, при этом первая ступень - нагрев в температурном интервале от 399°С до 476°С в течение 2-20 ч, вторая ступень - нагрев при температуре 488°C, после гомогенизации металл подвергают прокатке при температуре 399°С, затем следует закалка с температуры 471°С в воду с температурой не более 38°С, правка растяжением со степенью остаточной деформации >1% и искусственное двухступенчатое старение по режиму: 1-ая ступень - нагрев при температуре 77-143°С в течение 2-100 ч, 2-ая ступень - нагрев при температуре 149-177°С в течение 2-48 ч (Патент США №5,865,911).
Недостатком вышеуказанных известных способов является значительная анизотропия механических свойств и вязкости разрушения в изделии. Особенно сильные снижения пластичности и вязкости наблюдаются в направлении, перпендикулярном плоскости деформации (в высотном относительно волокна направлении), что значительно снижает конструкционную прочность и весовую эффективность деталей.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ изготовления изделий из алюминиевых сплавов, содержащих по крайней мере один переходный металл, предусматривающий следующие операции: гомогенизация слитка при температуре 300-448°С, охлаждение до температуры 18-35°С со скоростью не менее 100°С/ч, нагрев до температуры предварительной пластической деформации, соответствующей температуре выделения упрочняющих фаз, последующая пластическая деформация при этой температуре, нагрев до температуры окончательной пластической деформации и деформация со степенью не более 75% за один нагрев и термическую обработку (Патент РФ №2087582).
Недостатком данного способа является присутствие в структуре изделий значительного количества нерастворившихся частиц избыточных фаз кристаллизационного происхождения, с которыми связано ухудшение характеристик трещиностойкости (К1С, СРТУ), снижение коррозионной стойкости под напряжением и усталостных характеристик материала, что существенно уменьшает ресурс работы деталей и уменьшает весовую эффективность конструкции.
Технической задачей настоящего изобретения является разработка способа изготовления изделий из алюминиевых деформируемых сплавов, обладающих улучшенным комплексом прочностных характеристик, пластичности, (в том числе технологической пластичности слитков), трещиностойкости, характеристик усталости, коррозионных свойств, что обеспечит увеличение ресурса и весовой эффективности конструкции.
Для решения поставленной технической задачи предлагается способ изготовления изделий из алюминиевых деформируемых сплавов, содержащих по крайней мере один переходный металл, включающий гомогенизацию слитка, охлаждение, нагрев до температуры пластической деформации, пластическую деформацию, термическую обработку, отличающийся тем, что гомогенизацию слитка ведут в две стадии:
- первую стадию осуществляют в интервале температур минимальной устойчивости твердого раствора основных легирующих компонентов в алюминии со скоростью нагрева 2-5°С/час;
- на второй стадии проводят нагрев до температуры 450-470°С со скоростью 30-50°С/час с последующей выдержкой при температуре нагрева в течение времени, достаточного для растворения частиц избыточных фаз и выравнивания химического состава в объеме изделия.
Первая - низкотемпературная стадия гомогенизации проводится с целью формирования мелких частиц избыточных фаз за счет интенсивного распада пересыщенного твердого раствора основных легирующих компонентов в алюминии. Это приводит к увеличению поверхности межфазного контакта, повышению градиента концентрации по объему литого зерна и способствует повышению эффективности гомогенизации на второй - высокотемпературной стадии (более интенсивному растворению неравновесных эвтектических фаз за счет увеличения скорости диффузии).
Кроме того, первая низкотемпературная стадия обеспечивает получение более высокой плотности выделений мелкодисперсных частиц алюминидов переходных металлов Zr, Sc, Mn, Cr и др., по сравнению с одностадийной гомогенизацией при повышенной температуре.
Предлагаемый способ позволяет благодаря режиму гомогенизации создать оптимальную структуру в слитках, наследуемую и в деформированных деталях. Характерной особенностью такой структуры является более однородное распределение легирующих компонентов, в том числе переходных металлов в объеме дендритной ячейки, более высокая плотность распределения «дисперсоидов» - алюминидов переходных металлов (Zr, Sc, Mn, Cr и др.), незначительная объемная доля частиц избыточных фаз кристаллизационного происхождения. Наличие подобной структуры обеспечивает получение необходимого комплекса свойств в деталях: - высоких прочности и сопротивления усталости в сочетании с повышенной пластичностью, вязкостью разрушения, коррозионной стойкостью и низкой скоростью роста трещины усталости.
Примеры осуществления.
В промышленных условиях были отлиты методом полунепрерывного литья слитки диаметром 300 мм из сплавов следующего химического состава, мас.%:
- №1 и №2 - 6,2% Zn; 2,5% Mg; 1,8% Cu; 0,12% Zr; 0,10% Fe; 0,07% Si; остальное - Al; температурный интервал минимальной устойчивости твердого раствора Zr в Al составляет 280-340°С;
- №3 - 6,9% Zn; 2,2% Mg; 1,1% Cu; 0,09% Zr; 0,15% Sc; 0,10% Fe; 0,06% Si; остальное - Al; температурный интервал минимальной устойчивости твердого раствора Zr+Sc в Al составляет 270-320°С;
- №4 - 6,2% Zn; 2,2% Mg; 1,8% Cu; 0,13% Zr; 0,11% Fe; 0,09% Si; остальное - Al.
Из полученных слитков были изготовлены полуфабрикаты: из сплавов №№1, 4 - плиты толщиной 50 мм, из сплавов №№2, 3 - поковки размером 80×400×800 мм. Режимы получения полуфабрикатов представлены в таблице 1, где примеры 1-3 - предлагаемый способ, пример 4 - способ-прототип.
В таблицах 2 и 3 представлены параметры структуры и комплекс эксплуатационных свойств изделий, изготовленных по предлагаемому способу (примеры 1-3) и способу-прототипу (пример 4).
Как видно из таблиц, предложенный способ позволяет получить более благоприятную структуру изделий, характеризующуюся низкой объемной долей избыточных эвтектических фаз кристаллизационного происхождения и высокой плотностью и однородностью распределения частиц «дисперсоидов» - алюминидов переходных металлов в объеме материала по сравнению со способом - прототипом. Это позволяет получить в изделиях улучшенный комплекс прочностных свойств, пластичности, трещиностойкости (вязкости разрушения - К1C и скорости роста трещины усталости - СРТУ), усталостных свойств и коррозионной стойкости.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет получить изделия для конструкций авиакосмической техники, судостроения и транспортного машиностроения, такие как силовой набор, обшивки и т.п., из алюминиевых деформируемых сплавов, содержащих добавки переходных металлов, с повышенным комплексом эксплуатационных свойств, что обеспечивает увеличение ресурса, надежности и весовой эффективности конструкций в 1,5-2 раза.
| Таблица 1 | ||||||||||||||
| Технология получения изделий из алюминиевых деформируемых сплавов | ||||||||||||||
| №п/п, | Вид изделия | Гомогенизация | Пластическая деформация | Термическая обработка | ||||||||||
| 1-ая стадия | 2-ая стадия | Закалка | Старение | |||||||||||
| Скорость нагрева (V1), °С/ч | Температурный интервал, °С | Скорость нагрев (V2) °С/ч | Температура выдержки, °С | Время выдержки, ч | Охлаждение | Температура °С | Время выдержки, ч | Вид, степень (ε), % | Тем-ра выдержки, °С | Время выдержки, ч | Охлаждение | Температура выдержки, °С | Время выдержки, ч | |
| 1 | Плита, толщ. 50 мм | 3 | 280-340 | 30 | 450 | 12 | На воздухе до 30°С | 390 | 4 | прокатка | 465 | 4 | В воде Т-ра = 38°С | 1-я ступень |
| ε=65% | 115 | 8 | ||||||||||||
| 2-я ступень | ||||||||||||||
| 170 | 10 | |||||||||||||
| 2 | Поковка 80×400 ×800 мм | 5 | 280-340 | 40 | 470 | 5 | На воздухе до 30°С | 390 | 5 | ковка | 470 | 5 | В воде Т-ра = 35°С | 1-я ступень |
| ε=75% | 115 | 8 | ||||||||||||
| 2-я ступень | ||||||||||||||
| 170 | 8 | |||||||||||||
| 3 | Поковка | 2 | 270-320 | 50 | 465 | 6 | На воздухе | 410 | 3,5 | ковка | 465 | 6 | В воде Т-ра = 32°С | 1-я ступень |
| ε=75% | 110 | 8 | ||||||||||||
| 2-я ступень | ||||||||||||||
| 170 | 8 | |||||||||||||
| 4 | Плита толщ. 50 мм | 300°С - 3 ч | На воздухе До 35°С. ч | Предварительная | Ковка ε=50% | 470 | 5 | В воде Т-ра = 45°С | 1-я ступень | |||||
| 250 | 10 | 110 | 8 | |||||||||||
| Окончательная | Прокатка, ε=64% | 2-я ступень | ||||||||||||
| Скорость охл. = 120°С/ч | 365 | 8 | 170 | 10 |
| Таблица 2 | ||||||
| Свойства слитков и параметры структуры изделий | ||||||
| №п/п | Свойства слитков при т-ре деформации 400°С | Параметры структуры | ||||
| Сопротивление деформации при растяжении, МПа | Относительное удлинение при растяжении, % | Предельная степень деформации при осадке, % | Объемная доля частиц избыточных фаз, % | Размер частиц-«дисперсоидов», нм | Объемная плотность частиц-«дисперсоидов», см-3 | |
| 1 | 3,5 | 82 | 65 | 1,8 | 10-12 | 2,5-3,5×1015 |
| 2 | 3,2 | 80 | 65 | 2,0 | 9-12 | 2,1-2,6×1015 |
| 3 | 3,1 | 85 | 70 | 1,9 | 10-13 | 2,2-2,6×1015 |
| 4 | 4,3 | 42 | 50 | 2,9 | 13-15 | 1,1-3,1×1015 |
| Таблица 3 | |||||||||
| Свойства изделий, полученных по предлагаемому способу и способу - прототипу | |||||||||
| № п/п | Изделие | Направление образца | Механические свойства при растяжении | Трещиностойкость | Усталость | Коррозионная стойкость | |||
| σB, МПа | σ0,2 МПа | δ, % | К1С, МПа √м | СРТУ, мм/кцикл | МЦУ, кциклы | Сутки до разрушения при σ=240 МПа | |||
| 1 | Плита толщ. | Продольное | 550 | 510 | 12 | 42 | 4,1 | 210 | - |
| 50 мм | Высотное | 535 | 490 | 8 | 31 | - | - | >30 | |
| 2 | Поковка 80×400×800 | Продольное | 548 | 500 | 14 | 41 | 3,8 | 200 | - |
| мм | Высотное | 540 | 490 | 8 | 33 | - | - | >30 | |
| 3 | Поковка 80×400×800 | Продольное | 560 | 510 | 13 | 42 | 3,4 | 250 | - |
| мм | Высотное | 550 | 487 | 7 | 32 | - | - | >30 | |
| 4 | Плита толщ. | Продольное | 515 | 480 | 9 | 39 | 5,7 | 150 | - |
| Прототип | 50 мм | Высотное | 490 | 460 | 6,5 | 30 | - | - | 14 |
| где σВ - предел прочности, | |||||||||
| σ0,2 - предел текучести, | |||||||||
| δ - относительное удлинение, | |||||||||
| К1С - вязкость разрушения, | |||||||||
| СРТУ - скорость роста трещины усталости при ΔК=31 Мпа √м, | |||||||||
| МЦУ - малоцикловая усталость при σмакс=157 МПа; частоте (f)=3-5 Гц; Kt=2,6. |
Способ изготовления изделий из алюминиевых деформируемых сплавов, содержащих по крайней мере один переходный металл, включающий гомогенизацию слитка, охлаждение, нагрев до температуры пластической деформации, пластическую деформацию, термическую обработку, отличающийся тем, что гомогенизацию слитка ведут в две стадии: первую стадию осуществляют в интервале температур минимальной устойчивости твердого раствора основных легирующих компонентов в алюминии со скоростью нагрева 2-5°С/ч; на второй стадии проводят нагрев до температуры 450-470°С со скоростью 30-50°С/ч с последующей выдержкой при температуре нагрева в течение времени, достаточного для растворения частиц избыточных эвтектических фаз.
