Сплав на основе алюминия и способ его получения
Владельцы патента RU 2368687:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU)
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, гражданской авиации, судостроении и наземном транспортном машиностроении, в том числе и в сварных конструкциях. Сплав имеет следующий химический состав, мас.%: литий 1,5-3,0, магний 1,7-2,8, бериллий 2,0-5,0, медь 0,3-0,9, цирконий 0,05-0,3, железо 0,01-0,1, никель 0,01-0,1, серебро 0,01-0,3, кремний 0,01-0,1, окись бериллия 0,1-0,5, алюминий остальное. Способ получения указанного сплава на основе алюминия включает расплавление шихтовых материалов в вакуумной индукционной печи с подачей гелия, после подачи гелия магний и литий вводят в расплав в виде лигатуры Al-Mg и Al-Li. Затем расплав подогревают с одновременным электромагнитным перемешиванием и осуществляют слив расплава в атмосфере гелия в изложницу, при этом бериллий вводят в струю сливаемого расплава в виде порошка с размером частиц не более 250 меш. Получают сплав, обладающий повышенной пластичностью в термоупрочненном состоянии и теплопроводностью при сохранении высокой прочности, повышенной жесткости и высокой весовой эффективности материала. 2 н.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 трубчатых конструкциях.
Известны алюминиевые сплавы системы Al-Li-Mg-Be, которые характеризуются пониженной плотностью и относительно высокой прочностью, но обладают низкой пластичностью.
Например, известен порошковый сплав системы Al-Li-Be, имеющий следующий химический состав, мас.%:
| Литий | 1-4 |
| Бериллий | 2-20 |
| Алюминий | Остальное |
В качестве оптимального в патенте США предложен сплав с 10% Be и 3% Li.
Способ получения этого сплава включает: расплавление алюминия и бериллия электродуговой плавкой в небольшом углублении в медном охлаждаемом поддоне, находящемся в камере с атмосферой аргона с получением промежуточной заготовки Al-Ве сплава в виде таблетки по 20 г. Расплавление повторяли по 3-5 раз для получения сплава с гомогенным распределением бериллия в алюминии. Ввод лития осуществлялся размещением элементарного лития при подведении тока к верхней стороне дисков в месте образования дуги, что исключило потери лития за счет испарения. Эту расплавленную массу перемешивали в течение нескольких минут перед кристаллизацией сплава Al-Li-Be, и затем таблетки переплавляли три раза. Вновь расплавляли и направляли на быстро вращающийся водоохлаждаемый медный диск с целью получения гранул порошка Al-Li-Be. Полученный порошок Al-Li-Be компактировали в заготовку и прессовали в полосу (патент США №4.557.770).
Недостатком сплава и способа его получения является низкая пластичность сплава в термоупрочненном состоянии, вызванная большой ликвацией (до 70%) бериллия по объему заготовки, и сложность осуществления в промышленности. Изделия, полученные из этого сплава, используются только в ракетной технике и не могут использоваться в гражданской авиации.
Известен сплав на основе алюминия, имеющий следующий химический состав, мас.%:
| Цинк | 6-8 |
| Магний | 1,2-4,0 |
| Медь | 1,5-4,0 |
| Серебро | 0,03-1,0 |
| Мишметалл | 0,03-5,0 |
| Титан | 0,005-0,2 |
| Алюминий | остальное |
Сплав получают индукционной плавкой в вакуумных печах путем расплавления шихтовых материалов, за исключением магния и цинка, до 1000°С, введения лигатур Al-Mg и Al-Zn, рафинирования и слива в изложницу при 800-850°С.
(Заявка Японии №2915490)
Сплав обладает достаточно высокой прочностью при использовании в качестве материала сварных конструкций.
Недостатком сплава является малая пластичность, что не позволяет его использовать в получении деформированных полуфабрикатов.
Известен сплав на основе алюминия, 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 |
Сплав получают плавлением в вакуумных индукционных печах. Литий и магний вводят в виде лигатуры Al-Li и Al-Mg, при 1100°С перед сливом расплава (патент Японии №64-76479).
Сплав по прочности и удлинению превышает алюминиевые сплавы США серии 7000 и пригоден для изготовления деталей летательных аппаратов.
Недостатком сплава и способа его получения 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.
Наиболее близким по составу и назначению к предлагаемому изобретению является сплав, имеющий следующий химический состав, 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 | 0,01-0,1 |
| Скандий | 0,01-0,3 |
| Тантал | 0,001-0,01 |
| Алюминий | Остальное |
| (Патент Р.Ф. №2208655) |
Способом получения данного алюминиевого сплава системы Al-Li-Mg-Be является способ, включающий расплавление шихтовых материалов в вакуумной индукционной печи (ВИП) с подачей гелия в ВИП и слив расплава в атмосфере гелия в изложницу (Патент РФ №2208655).
Технической задачей настоящего изобретения является получение сплава, обладающего повышенной пластичностью в термоупрочненном состоянии и теплопроводностью при 300°С, при сохранении высокой прочности, повышенной жесткости, высокой весовой эффективности материала. Изделия из сплава предлагается использовать в народном хозяйстве, в частности, в гражданской авиации в качестве свариваемых трубчатых полуфабрикатов.
Для достижения поставленной задачи предлагается:
Сплав на основе алюминия, содержащий литий, магний, бериллий, медь, цирконий, железо, никель и алюминий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит серебро, кремний, окись бериллия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Литий | 1,5-3,0 |
| Магний | 1,7-2,8 |
| Бериллий | 2-5 |
| Медь | 0,3-0,9 |
| Цирконий | 0,05-0,3 |
| Железо | 0,01-0,1 |
| Никель | 0,01-0,1 |
| Серебро | 0,01-0,3 |
| Кремний | 0,01-0,1 |
| Окись бериллия | 0,1-0,5 |
| Алюминий | Остальное |
Способ получения сплава на основе алюминия, включающий расплавление шихтовых материалов в вакуумной индукционной печи с подачей гелия и слив расплава в атмосфере гелия в изложницу, отличающийся тем, что расплавляют шихтовые материалы для получения сплава предлагаемого состава, причем магний и литий вводят в расплав в виде лигатуры Al-Li и Al-Mg после подачи гелия, перед сливом расплав подогревают с одновременным электромагнитным перемешиванием, а бериллий вводят в струю сливаемого расплава в виде порошка с размером частиц не более 250 меш.
Введение серебра, кремния, а также наличие в сплаве окиси бериллия обеспечивает повышение прочностных свойств, свариваемости при одновременном повышении пластичности. Повышение этих свойств обеспечивается не только количественным и качественным составом предлагаемого сплава, но и суспензионным способом его получения. Введение порошка бериллия размером до 250 меш в струю сливаемого расплава способствует получению более мелкой кристаллической структуры, т.к. значительно возрастает количество дополнительных центров кристаллизации слитка при скорости кристаллизации, приближенной к сверхбыстрой кристаллизации.
Цирконий и серебро в количестве до 0,3% являются не только модифицирующей добавкой при отливке слитков, но и обеспечивают структурное упрочнение в деформируемых полуфабрикатах в результате формирования полигонизованной структуры при наличии железа и никеля в указанном количестве. Они улучшают также показатели теплопроводности данного материала при 300°С, что благоприятно сказывается на прочностных свойствах сварного шва.
Количественный и качественный состав и способ получения предлагаемого сплава позволяют:
- значительно увеличить количество дополнительных центров кристаллизации слитка;
- приблизить скорость кристаллизации слитка к скорости сверхбыстрой кристаллизации;
- получить более мелкие размеры зерен отливаемого материала и способствуют повышению прочностных свойств и пластичности деформируемых полуфабрикатов;
- улучшить показатели теплопроводности материала при 300°С;
- возрасти уровню прочностных свойств сварного соединения материала;
- уменьшить пересыщенный твердый раствор за счет дополнительного выделения дисперсной фазы δ1(Al3Li), равномерно распределенной в объеме матрицы сплава;
- предотвратить выделение δ1(Al3Li) фазы в процессе низкотемпературного нагрева при 85°С за 1000 час;
- предотвратить выделение по границам зерен стабильных фаз и образование приграничных зон, свободных от выделения δ1(Al3Li) фазы.
Примеры осуществления:
В промышленных условиях были отлиты сплавы, химический состав которых приведен в табл.1, температура ликвидус 850°С.
Пример 1. В тигель вакуумной индукционной печи загружали шихтовые материалы (кроме Li, Mg и Be) и расплавляли их, подавали гелий, вводили лигатуры Al-Mg, Al-Li в атмосфере гелия, подогревали расплав с одновременным электромагнитным перемешиванием и затем проводили слив расплава и ввод в струю сливаемого расплава порошка Be с размером частиц 250 меш.
Пример 2 (получение слитка состава 3 табл.1). В тигель ВИП загружали шихтовые материалы (кроме Li, Mg и Be) и расплавляли их в вакууме, вводили лигатуры Al-Mg, Al-Li в атмосфере гелия, подогревали расплав с одновременным электромагнитным перемешиванием и затем проводили слив расплава и ввод в струю сливаемого расплава порошка Be с размером частиц 200 меш.
У полученных слитков отрезали литниковую часть, разрезали слитки вдоль 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 механических свойств проходили термоупрочнение.
В табл.2 приведены 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 10; 12; 27 и 5% соответственно. Теплопроводность сплава при 300°С выше на 20%, чем у сплава-прототипа, что значительно повышает прочность сварных соединений. Сплав существенно превосходит прототип по удельным прочностным свойствам.
Таким образом, применение заявленного сплава и способа его получения в виде прессованных профилей, панелей, плит и труб в конструкциях авиационной техники гражданской авиации позволяет повысить надежность и ресурс эксплуатации в общеклиматических условиях, позволяет получать трубы с повышенными свойствами сварных соединений.
| Таблица 1 | ||||||||||||
| Химический состав исследованных сплавов | ||||||||||||
| Сплав | Состав | Состав сплавов | мас.% | |||||||||
| Li | Mg | Be | ВеО | Cu | Zr | Ag | Fe | Ni | Si | Al | ||
| Предложенный | 1 | 1,5 | 2,0 | 2,0 | 0,5 | 0,3 | 0,05 | 0,02 | 0,01 | 0,1 | 0.1 | ост |
| 2 | 2,0 | 1,7 | 3,0 | 0,08 | 0,55 | 0,2 | 0,3 | 0,1 | 0,01 | 0.01 | ост | |
| 3 | 2,78 | 2,19 | 2,50 | 0,1 | 0,46 | 0,1 | 0,03 | 0,05 | 0,05 | 0,03 | ост | |
| 4 | 3,0 | 2,8 | 5,0 | 0,4 | 0,9 | 0,3 | 0,01 | 0,08 | 0,08 | 0,08 | ост | |
| Прототип | 5 | 2,7 | 2,1 | 2,5 | - | 0,4 | 0,1 | - | 0,01 | 0,03 | - | ост |
| Таблица 2 | |||||||
| Механические свойства исследованных сплавов | |||||||
| Сплав | Состав | γ, г/см3 | σв | σ0,2 | δ, % | Е, ГПа | λ300 Вт.м/град |
| МПа | |||||||
| Предложенный | 1 | 2,58 | 503 | 385 | 16,0 | 85,0 | 91,0 |
| 2 | 2,57 | 495 | 360 | 17,0 | 87,0 | 92,0 | |
| 3 | 2,55 | 510 | 415 | 18,0 | 87,0 | 95,0 | |
| 4 | 2,57 | 485 | 405 | 14,0 | 89,0 | 93,0 | |
| Прототип | 5 | 2,55 | 465 | 310 | 12,0 | 85,0 | 75,0 |
1. Сплав на основе алюминия, содержащий литий, магний, бериллий, медь, цирконий, железо, никель и алюминий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит серебро, кремний, окись бериллия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Литий | 1,5-3,0 |
| Магний | 1,7-2,8 |
| Бериллий | 2,0-5,0 |
| Медь | 0,3-0,9 |
| Цирконий | 0,05-0,3 |
| Железо | 0,01-0,1 |
| Никель | 0,01-0,1 |
| Серебро | 0,01-0,3 |
| Кремний | 0,01-0,1 |
| Окись бериллия | 0,1-0,5 |
| Алюминий | Остальное |
2. Способ получения сплава на основе алюминия, включающий расплавление шихтовых материалов в вакуумной индукционной печи с подачей гелия и слив расплава в атмосфере гелия в изложницу, отличающийся тем, что расплавляют шихтовые материалы для получения сплава по п.1, причем магний и литий вводят в расплав в виде лигатуры Al-Mg и Al-Li после подачи гелия, перед сливом расплав подогревают с одновременным электромагнитным перемешиванием, а бериллий вводят в струю сливаемого расплава в виде порошка с размером частиц не более 250 меш.
