СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО Российский патент 2004 года по МПК C22C21/18 C22C21/16 C22C21/14 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к высокопрочным сплавам пониженной плотности на основе системы алюминий-медь-литий, и может быть использовано в авиакосмической, судостроительной и автомобильной отраслях промышленности в качестве конструкционных материалов для таких изделий, как обшивки, лонжероны, балки, шпангоуты, топливные баки и др.

Создание новых материалов из алюминиевых сплавов пониженной плотности, повышенной прочности с высокими ресурсными характеристиками при возможности изготовления из них широкой номенклатуры изделий является весьма актуальной задачей. Известен сплав на основе алюминия состава, мас.%:

Медь 2,6-3,3

Литий 1,8-2,3

Цирконий 0,08-0,14

Магний 0,01-0,06

Марганец ≤0,1

Хром ≤0,05

Никель ≤0,003

Церий 0,05-0,05

Титан 0,01-0,06

Кремний ≤0,1

Железо ≤0,15

Бериллий 0,008-0,1

Алюминий Остальное

(ОСТ 1-90048-80)

Недостатками этого сплава являются его низкая свариваемость, пониженное сопротивление ударным нагрузкам, что не позволяет его использовать для получения изделий, в которых соединения выполняются сваркой и предъявляются высокие требования к герметичности. Известен сплав на основе алюминия состава, мас.%:

Медь 1,4-6,0

Литий 1,0-4,0

Цирконий 0,020,3

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:

Неодим 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 являются недостаточно высокий уровень прочностных свойств, их высокая анизотропия, особенно по относительному удлинению, что не позволяет использовать сплав для деталей, работающих в тех зонах изделия, где предусмотрены высокие расчетные прочностные характеристики, учитывающие возможность возникновения перегрузок при эксплуатации изделия.

Известен сплав на основе алюминия, содержащий от 2,0 до 9,8% легирующего элемента из группы Сu, Mg и их смеси, при этом указанный Mg составляет не менее 0,05 мас.%, 0,01-2 Ag, 2-4,1 Li и 0,05-1,0 рафинирующие добавки из группы Zr, Cr, Mn, Ti, B, Hf, V, диборид Ti и их смеси (Патент США № 5032359).

Этот сплав, имея пониженную плотность, высокие прочностные свойства, обладает пониженными значениями ударной вязкости, а также недостаточно высокими характеристиками свариваемости, что затрудняет его использование для получения изделий, в которых соединения выполняются сваркой, и при эксплуатации изделия возможно воздействие на него высоких динамических нагрузок.

Наиболее близким по назначению и по химическому составу к предлагаемому, принятому за прототип, является сплав на основе алюминия системы алюминий-медь-литий следующего химического 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 0,02-1,0

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 меди и лития Cu/Li - 1,9-2,3

(Патент РФ № 2180930, БИ № 9, 2002)

Недостатками этого сплава являются недостаточно высокие прочностные свойства и ударопрочность, что не позволяет использовать его в изделиях нового поколения, таких как сварные топливные баки, конструктивные элементы, работающие в особо нагруженных зонах, или подвергающиеся высоким ударным нагрузкам.

Технической задачей данного изобретения является создание сплава пониженной плотности на основе алюминия и изделия из него, обладающих повышенными значениями предела прочности и предела текучести и свариваемостью при сохранении высоких значений ударной вязкости.

Для достижения поставленной задачи предложены сплав на основе алюминия, содержащий медь, литий, магний, цирконий, скандий, железо, кремний, по крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей марганец, цинк, который дополнительно содержит серебро при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Мед 3,2-4,5

Литий 1,0-1,7

Магний 0,01-0,5

Серебро 0,15-1,5

Цирконий 0,02-0,25

Скандий 0,02-0,25

Железо 0,02-0,5

Кремний 0,01-0,3

По крайней мере один элемент,

выбранный из группы, включающей

Марганец 0,003-0,5

Цинк 0,001-0,5

Алюминий Остальное,

и изделие, выполненное из него.

Высокие характеристики статической прочности обеспечиваются большим количеством дисперсных частиц: серебро и магний, задерживая диффузию меди, стимулируют выделение при старении большего числа частиц стабильной фазы T₁ в дисперсной форме, дисперсоиды циркония и скандия выделяются на всех этапах технологического процесса. Введение марганца и/или цинка при наличии циркония, скандия и серебра приводит к более равномерному распределению избыточных вторичных растворимых фаз по сечению зерна. Кроме того, наличие большого количества дисперсоидных фаз, образованных цирконием и скандием в присутствии серебра, обеспечивает формирование в полуфабрикатах зон с мелкозернистой рекристаллизованной структурой по механизму непрерывной рекристаллизации, подобной полигонизованной, что обеспечивает структурное упрочнение и высокие характеристики вязкости.

При содержании циркония и скандия выше 0,25% выделяются первичные частицы избыточных нерастворимых фаз Al₃(ScZr), Al₃Zr и Al₃Sc, что приводит к снижению пластичности и характеристик трещиностойкости.

Предлагаемый состав сплава за счет модифицирующей способности дисперсоидов циркония и скандия при наличии серебра обеспечивает формирование мелкозернистой недендритной структуры в слитке и сварном шве, что повышает относительное удлинение в твердо-жидком состоянии, сужает эффективный интервал кристаллизации, уменьшая тем самым склонность к кристаллизационным трещинам.

Таким образом, предлагаемый состав сплава позволяет получать высокие характеристики статической прочности и ударопрочности при низкой плотности и высоком модуле упругости.

Пример осуществления.

Цилиндрические слитки диаметром 100 мм из сплавов пяти составов (табл. 1) были отлиты полунепрерывным методом.

Гомогенизированные слитки нагревали перед прессованием в электропечи, затем прессовали полосы сечением 12×60 мм. Полосы закаливали с температуры 510-525°С в воде, затем старили по режиму 160°С, 30 часов.

Результаты испытания механических свойств приведены в табл. 2, из которой следует, что предложенный сплав по сравнению с прототипом обеспечивает превосходство свойств прессованных полос в среднем по пределу прочности и текучести на 15%, по относительному удлинению - на 20%, вязкость при ударном изгибе - на 20%.

Сопоставление полученных свойств показывает, что предложенный сплав может обеспечить возможность создания самолетов большой пассажировместимости благодаря снижению веса конструкций не менее чем на 15% за счет более высоких характеристик прочности, увеличить надежность за счет высоких характеристик ударопрочности и пластичности не менее чем на 20%. В сварных герметичных отсеках, таких как топливные баки, может быть получен еще больший выигрыш в весе, до 25%.

Таким образом, применение предлагаемого сплава и изделия из него позволит увеличить ресурс и надежность летательных аппаратов нового поколения.

Изобретение относится к высокопрочным сплавам пониженной плотности на основе системы алюминий-медь-литий и может быть использовано в авиакосмической, судостроительной и автомобильной отраслях промышленности. Предложен сплав на основе алюминия и изделие из него, содержащие следующие компоненты, мас.%: медь 3,2-4,5, литий 1,0-1,7, магний 0,01-0,5, серебро 0,15-1,5, цирконий 0,02-0,25, скандий 0,02-0,25, железо 0,02-0,5, кремний 0,01-0,3 и по крайней мере один элемент, выбранный из группы, содержащей марганец 0,003-0,5 и цинк 0,001-0,5, алюминий – остальное. Техническим результатом изобретения является создание сплава и изделия из него, обладающих пониженной плотностью, повышенными значениями предела прочности при растяжении и предела текучести, а также сохранением высоких значений ударной вязкости при свариваемости. 2 с.п. ф-лы, 2 табл.

1. Сплав на основе алюминия, содержащий медь, литий, магний, цирконий, скандий, железо, кремний, по крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей марганец, цинк, отличающийся тем, что он дополнительно содержит серебро при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Медь 3,2-4,5

Литий 1,0-1,7

Магний 0,01-0,5

Серебро 0,15-1,5

Цирконий 0,02-0,25

Скандий 0,02-0,25

Железо 0,02-0,5

Кремний 0,01-0,3

По крайней мере один элемент,

выбранный из группы, включающей

Марганец 0,003-0,5

Цинк 0,001-0,5

Алюминий Остальное

Медь 3,2-4,5

Литий 1,0-1,7

Магний 0,01-0,5

Серебро 0,15-1,5

Цирконий 0,02-0,25

Скандий 0,02-0,25

Железо 0,02-0,5

Кремний 0,01-0,3

По крайней мере один элемент,

выбранный из группы, включающей

Марганец 0,003-0,5

Цинк 0,001-0,5

Алюминий Остальное