СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО Российский патент 2004 года по МПК C22C21/06 

Изобретение относится к металлургии сплавов на основе алюминия, предназначенных для применения в сварных конструкциях (топливные баки, элементы кабины пилота и т.п.) и в виде сварочной проволоки для аргоно-дуговой сварки высокопрочных алюминиевых сплавов типа В95, 1933, 1913 и т.п.

Известен деформируемый термически не упрочняемый сплав на основе алюминия, имеющий химический состав, мас.%:

Магний 5,8-6,8

Цирконий 0,02-0,15

Бериллий 0,0001-0,01

Скандий 0,2-0,5

Церий 0,001-0,01

Бор 0,001-0,01

По крайней мере один

элемент из группы, содержащей

хром, титан и ванадий 0,02-0,2

Алюминий Остальное

Патент РФ №2082809.

Однако известный сплав, применяемый в качестве присадочного материала при сварке плавлением шаробаллонов, стрингеров и т.п. не обеспечивает получения достаточной стойкости к образованию горячих трещин. Критическая скорость деформации сварного соединения по пробе МВТУ им. Н.Э.Баумана (V_кp) составляет менее 0,5 мм/мин.

Известен свариваемый коррозионностойкий алюминиевый сплав, содержащий мас.%:

Магний 3,0-5,0

Цирконий 0,05-0,15

Марганец 0,05-0,12

Титан 0,01-0,2

Скандий 0,05-0,5

По крайней мере

один элемент из группы

лантаноидов 0,05-0,5

Кремний ≤ 0,2

Алюминий Остальное

Патент США 6258318.

Недостатком известного сплава является то, что при аргонодуговой сварке элементов обшивки фюзеляжа возникает большое количество дефектов (горячих трещин, пор), превышающих допустимые нормы ≈ на 50%.

Применение сплава в качестве присадочного материала при сварке плавлением высокопрочных алюминиевых сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu (типа B95, 1933, 1913 и т.п.) не обеспечивает достаточной трещиностойкости сварного соединения. Пластичность и ударная вязкость сварного соединения находятся на низком уровне.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является сплав следующего химического состава, мас.%:

Магний 5,5-6,5

Цирконий 0,02-0,15

Скандий 0,2-0,3

Бериллий 0,0001-0,005

Бор 0,001-0,01

Марганец 0,5-0,7

Лантан 0,1-0,2

Алюминий Остальное

Патент РФ №2148101.

Причем ΣSc+La=0,3-0,4.

Недостатком сплава-прототипа является то, что использование его в качестве присадочного материала для сварки высокопрочных алюминиевых сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu недостаточно повышает показатели трещиностойкости. Пластичность и ударная вязкость сварного соединения недостаточно высокие. Изделия авиационной техники (баки, элементы кабины и т.п.) имеют низкую работоспособность и высокую трудоемкость изготовления, что связано с большим количеством дефектов, требующих исправления.

Технической задачей изобретения является разработка алюминиевого сплава, обладающего пониженной склонностью к образованию горячих трещин, высокими характеристиками прочности, пластичности и ударной вязкости. Сварные соединения из высокопрочных алюминиевых сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu, выполненные с применением предлагаемого сплава в качестве присадочного материала, должны также обладать более высокой трещиностойкостью, прочностью, пластичностью и ударной вязкостью.

Для достижения поставленной технической задачи предлагается сплав на основе алюминия, содержащий: магний, цирконий, скандий, бериллий, бор, в который дополнительно введены серебро и по крайней мере два элемента из группы, содержащей иттрий, титан, гафний и ванадий, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Магний 4,0-6,5

Цирконий 0,04-0,15

Скандий 0,2-0,3

Бериллий 0,0001-0,01

Бор 0,001-0,01

Серебро 0,1-0,5

По крайней мере два элемента из группы

иттрий, титан, гафний, ванадий 0,01-0,4

Алюминий Остальное

и изделие, выполненное из него.

Авторами установлено, что при заявленном содержании и соотношении компонентов в предлагаемом сплаве образуются вторичные выделения дисперсных частиц интерметаллидных фаз, содержащих алюминий, скандий, иттрий, гафний, ванадий, серебро, которые непосредственно упрочняют сварной шов. Образуется мелкозернистая недендритная структура металла шва и зоны взаимной кристаллизации, что обеспечивает повышение значений пластичности и ударной вязкости сварного соединения. Введение дополнительных модификаторов (Ag, Y, Ti, Gf, V) приводит к сужению температурного интервала хрупкости, что положительно сказывается на повышении трещиностойкости сварного соединения. Кроме того, введение в сплав серебра оказывает рафинирующее действие на структуру границ зерен металла сварного шва и также вызывает повышение значений ударной вязкости самого сплава и сварного соединения.

Применение данного сплава в качестве основного материала и присадочного для сварки высокопрочных алюминиевых сплавов позволяет повысить значения трещиностойкости, пластичности и ударной вязкости сварного соединения. Изделия (топливные баки, элементы кабины пилота и т.п.) из этого сплава и сварные конструкции из высокопрочных алюминиевых сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu, где он применялся как присадочный материал при автоматической аргоно-дуговой сварке, обладают повышенной надежностью и работоспособностью.

Пример осуществления

В лабораторных условиях были выплавлены сплавы повышенной чистоты по содержанию железа и кремния, состав которых приведен в таблице 1. Слитки размером ⊘ 70×300 мм после гомогенизирующего отжига и механической обработки подвергались осадке и прокатке на лист толщиной 3 мм и горячему прессованию на прутки диаметром 6 мм. Затем проводилось волочение с промежуточными отжигами и травлением поверхности до получения нагартованной проволоки диаметром 2 мм.

Качество присадочных материалов оценивалось по результатам механических испытаний сварных соединений листов сплава 1933 толщиной 2 мм. Склонность к образованию горячих трещин при сварке определялась по методике МВТУ им. Н.Э.Баумана на установке ЛТП1-6 с принудительной поперечной растягивающей деформацией образцов в процессе сварки (I_св=130 А). Аргоно-дуговую сварку образцов для механических испытаний проводили на автомате АДСВ-7 с исследуемыми присадочными материалами. Режим сварки: I_св=130 A, V_св=18 м/ч.

Приведенные в таблице 2 механические свойства предлагаемого сплава показывают, что повышается его прочность на 15-20% и ударная вязкость на 20-30%. Применение предлагаемого сплава в качестве присадочного материала для сварки высокопрочного алюминиевого сплава 1933 позволяет повысить стойкость к образованию горячих трещин при сварке плавлением (в 2-3 раза), пластичность (на 40-60%) и ударную вязкость (в 5-6 раз).

Применение сплава на основе алюминия в качестве присадочного материала при сварке изделий авиационной техники (топливные баки, кабина пилота и т.п.) позволяет повысить надежность и долговечность работы сварных конструкций.

Изобретение относится к металлургии сплавов на основе алюминия, предназначенных для применения в сварных конструкциях. Такие сплавы могут быть использованы как конструкционные материалы для создания изделий авиакосмической и других отраслей промышленности. Особенно эффективно использование сплава в качестве присадочного материала при изготовлении сварных конструкций из высокопрочных алюминиевых сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu. Предложены сплав и изделие, выполненное из него, содержащие следующие компоненты, мас.%: магний 4,0-6,5, цирконий 0,04-0,15, скандий 0,2-0,3, бериллий 0,0001-0,01, бор 0,001-0,01, серебро 0,1-0,5, по крайней мере два элемента из группы, содержащей иттрий, титан, гафний, ванадий 0,01-0,4, алюминий – остальное. Техническим результатом изобретения является разработка алюминиевого сплава, обладающего пониженной склонностью к образованию горячих трещин, высокими характеристиками прочности, пластичности и ударной вязкости, при этом применение предлагаемого сплава в качестве присадочного материала в сварных конструкциях из высокопрочных алюминиевых сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu, также способствует более высокой трещиностойкости, прочности, пластичности и ударной вязкости сварного соединения. 2 н. з. п. ф-лы, 2 табл.

1. Сплав на основе алюминия, содержащий магний, цирконий, скандий, бериллий, бор, отличающийся тем, что в него дополнительно введены серебро и по крайней мере два компонента из группы, содержащей иттрий, титан, гафний, ванадий, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Магний 4,0-6,5

Цирконий 0,04-0,15

Скандий 0,2-0,3

Бериллий 0,0001-0,01

Бор 0,001-0,01

Серебро 0,1-0,5

По крайней мере два элемента из группы

иттрий, титан, гафний, ванадий 0,01-0,4

Алюминий Остальное