СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО Российский патент 2004 года по МПК C22C21/10 

Изобретение относится к сплавам на основе алюминия системы А1-Zn-Mg-Cu, предназначенным для использования в качестве конструкционных материалов при изготовлении обшивки и элементов силового набора (стрингеров, силовых балок и др.) авиакосмической техники, эксплуатируемой в морских условиях, а также применяемых в транспортном машиностроении, судостроении и других отраслях техники.

Известен высоколегированный сплав системы Al-Zn-Mg-Cu-1973, имеющий следующий химический состав, мас.%:

Zn 5,5-6,5

Mg 2,0-2,6

Сu 1,4-2,0

Zr 0,08-0,16

Ti 0,02-0,07

Mn ≤0,10

Cr ≤0,05

Fe ≤0,15

Si ≤0,10

Аl Остальное

(“Новые цветные сплавы” М., МДНТП, 1990, с.33)

Сплав предназначен для деталей силового набора планера авиационной техники.

Известны сплавы серии 7000, например:

- сплав, имеющий следующий химический состав, мас.%:

Zn 5,7-6,7

Mg 1,9-2,6

Сu 2,0-2,6

Zr 0,08-0,15

Ti ≤0,06

Mn ≤0,10

Cr ≤0,04

Fe ≤0,15

Si ≤0,12

Аl Остальное

(Aluminum Standards and Data, Al Assoc, Washington)

- или сплав, имеющий следующий химический состав, мас.%:

Zn 5,9-6,9

Mg 2,0-2,7

Сu 1,9-2,5

Zr 0,08-0,15

Ti ≤0,06

Cr ≤0,04

Fe ≤0,15

Si ≤0,12

Al Остальное

(Патент США №4305763)

- или сплав серии 7000, имеющий следующий химический состав, мас.%:

Zn 5,0-8,0

Mg 2,0-3,5

Сu 0,5-2,5

Ni 0,05-1,2

РЗМ 0,05-1,0

Fe 0,2-0,45

Si 0,05-0,15

один элемент из группы:

Zr 0,05-0,25

Ti 0,001-0,1

В 0,001-0,01

Mn 0,05-0,60

Cr 0,03-0,25

Va 0,03-0,15

и/или Pb, Bi, Sn 0,05 -2,5

Al Остальное

(Патент Японии №2107739).

Высоколегированные сплавы системы Al-Zn-Mg-Cu, как сплавы типа 1973, так и серии 7000 предназначены в качестве конструкционного материала основных силовых элементов планера самолетов - обшивки, детали силового набора, стрингеры и др.

Все эти сплавы, обеспечивая сравнительно высокий уровень конструкционной прочности, обладают недостаточным уровнем коррозионных свойств, что не позволяет их эффективно использовать в изделиях, эксплуатирующихся во всеклиматических условиях, в т.ч. и морских.

Аналогом по химическому составу и назначению к предлагаемому является сплав на основе алюминия следующего химического состава, мас.%:

Zn 5,0-8,0

Mg 1,2-4,0

Сu 1,5-4,0

Ag 0,03-1,0

РЗМ (Sc) 0,03-5,0

Fe 0,01-1,0

Ti 0,005-0,2

по меньшей мере один элемент, выбранный из элементов:

Mn 0,01-1,5

Cr 0,01-0,6

Zr 0,01-0,25

B 0,0001-0,08

Mo 0,03-0,5

(Заявка Японии 2915490 ИСМ №8/2000).

Описанный аналог, обладая высокими характеристиками конструкционной прочности, имеет недостаточно высокое сопротивление коррозии: общей, расслаивающей, межкристаллитной коррозии, что не позволяет эффективно использовать его в изделиях, эксплуатирующихся в морских условиях.

Наиболее близким к предложенному является сплав и изделие, содержащие следующие компоненты, мас.%: цинк 7,6-8,6, магний 1,6-2,3, медь 1,4-1,95, цирконий 0,08-0,2, марганец 0,01-0,1, железо 0,02-0,15, кремний 0,01-0,1, хром 0,01-0,05, никель 0,0001-0,03, бериллий 0,0001-0,005, висмут 0,00005-0,0005, водород 0,8·10^-5 -2,7·10^-5, по крайней мере один элемент из группы: титан 0,005-0,06, бор 0,001-0,01, алюминий - остальное (RU 2184166 С2, МПК 7 С 22 С 21/10, 27.06.2002, реферат).

Технической задачей данного изобретения является создание сплава и изделия на его основе, обладающих наряду с высокой конструкционной прочностью повышенными характеристиками сопротивления к межкристаллитной коррозии, расслаивающей коррозии, общей коррозии и коррозии под напряжением, обеспечивающими эксплуатационную надежность во всеклиматических и особенно в морских условиях.

Для достижения поставленной технической задачи предложен высокопрочный сплав на основе алюминия, содержащий Zn, Mg, Cu, Zr, Sc, Ag, Mn, Ti, Fe, отличающийся тем, что он дополнительно содержит Sb, Be, H₂, Si при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Zn 7,6-8,6

Mg 1,6-2,3

Сu 1,4-1,95

Zr 0,08-0,18

Ag 0,01-0,5

Sc 0,01-0,25

Si 0,01-0,10

Be 0,0001 -0,005

H₂ 0,8·10^-5-2,7·10^-5

Sb 0,00002-0,0005

Mn 0,01-0,1

Fe 0,02-0,15

Ti 0,005-0,07

Аl Остальное

и изделие, выполненное из него, при этом сумма Zr + Sc + Ti + Mn должна быть ≤0,45%.

Технический результат, а именно повышение коррозионной стойкости и конструкционной прочности, обеспечивающие повышение эксплуатационной надежности, достигается путем введения в сплав предложенного химического состава сурьмы, бериллия, водорода и кремния.

Введение водорода в сплав приводит к образованию гидрида магния, который, являясь центрами кристаллизации, спопобствует модифицированию расплава, что дополнительно измельчает зереную структуру и обеспечивает повышение конструкционной прочности.

Наличие бериллия обеспечивает уменьшение окисляемости и окисных плен в сплаве, что способствует повышению эксплуатационной надежности.

Малая добавка сурьмы приводит к образованию окисной пленки, которая обеспечивает превосходное сопротивление коррозии в морской воде и атмосфере. При суммарном содержании сурьмы и бериллия ≤0,005% обеспечивается стабильность и однородность окисной пленки. Введение сурьмы приводит также к снижению горячеломкости в процессе литья и образованию дисперсных фаз типа SbAl, которые, являясь дополнительными центрами кристаллизации, увеличивают модифицирующий эффект, что приводит к дополнительному измельчению литой структуры и соответственно к повышению конструкционной прочности и надежности в процессе эксплуатации изделий в морских условиях и условиях повышенной влажности. Кроме того, присутствие сурьмы в заявляемом количестве резко уменьшает потерю механических свойств в результате снижения скорости общей коррозии, что позволяет использовать изделия из этого сплава длительное время во всеклиматических, включая морские условия.

Пример осуществления

В лабораторных условиях полунепрерывным методом были отлиты слитки 0110 мм из предложенного и известного сплавов. Химический состав предложенного и известного сплавов приведен в табл.1., где пример 1-3 -предлагаемый состав, а пример 4 - состав сплава-прототипа.

После гомогенизации по режиму 460°С - 24 часа слитки были отпрессованы на полосу размером 18×75 мм. Из полос вырезали заготовки под образцы, которые закаливали с температуры 470°С в воду до комнатной температуры. Старение образцов заявляемого сплава и сплава-прототипа проводили по трехступенчатому режиму Т12.

Механические свойства при растяжении определяли по ГОСТ 1497-84 на круглых образцах с диаметром рабочей части 5,0 мм.

Для оценки коррозионных свойств определяли:

- склонность к коррозионному растрескиванию (КР) в соответствии с ГОСТ 9019074, оценка - уровень критического напряжения, при котором не происходит разрушения образцов за 30 суток; образцы вырезали в поперечном направлении;

- склонность к межкристаллитной коррозии (МКК) в соответствии с ГОСТ 9021-74, оценка по глубине коррозии при металлографическом исследовании микрошлифов;

- склонность к расслаивающей коррозии (РСК) в соответствии с ГОСТ 9904-82, оценка по 10-балльной шкале;

- общая коррозионная стойкость в соответствии с ГОСТ 9913-90, оценки по потерям механических свойств.

Результаты испытаний, приведенные в табл.2, показали, что предложенный сплав на основе алюминия, обладая высокими характеристиками конструкционной прочности, текучести и относительного удлинения, обеспечивает по сравнению с известным сплавом повышение критического уровня напряжения σ_кр в 1,5 -1,7 раза, более чем в два раза уменьшается глубина межкристаллитной коррозии, уменьшается балл расслаивающей коррозии до 4 и в 2 -3,5 раза уменьшаются потери механических свойств после испытаний на общую коррозию.

Таким образом, предложенный сплав, обладая высокой коррозионной стойкостью, наряду с высокой конструкционной прочностью позволяет использовать его в качестве конструкционного материала в деталях ответственного назначения (обшивка, силовой набор, стрингеры и др.) летательных аппаратов, в том числе в морской авиации, аппаратах типа “Амфибия”, а также в судах различного назначения, эксплуатирующихся в морских и всеклиматических условиях, обеспечивая высокую эксплуатационную надежность и повышенный ресурс.

Изобретение относится к сплавам на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu, предназначенным для использования в качестве конструкционных материалов при изготовлении обшивок и элементов силового набора, таких как стрингеры, силовые балки и др., применяемых в авиакосмической технике, эксплуатируемой во всеклиматических, включая морские условия, а также применяемых в судостроении, наземном транспорте и других отраслях техники. Предложен сплав, содержащий следующие компоненты, мас.%: цинк 7,6-8,6, магний 1,6-2,3, медь 1,4-1,95, цирконий 0,08-0,18, скандий 0,01-0,25, серебро 0,01-0,5, марганец 0,01-0,1, титан 0,005-0,07, железо 0,02-0,15, кремний 0,01-0,10, бериллий 0,0001-0,005, водород 0,8·10^-5-2,7·10^-5, сурьма 0,00002-0,0005, алюминий остальное, при этом суммарное содержание циркония, скандия, титана и магния не превышает 0,45%. Техническим результатом данного изобретения является создание сплава и изделия, выполненного из него, обладающих наряду с высокой конструкционной прочностью повышенной коррозионной стойкостью и эксплуатационной надежностью. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Сплав на основе алюминия, содержащий цинк, магний, медь, цирконий, кремний, бериллий, водород, марганец, железо, титан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит серебро, скандий и сурьму при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Цинк 7,6-8,6

Магний 1,6-2,3

Медь 1,4-1,95

Цирконий 0,08-0,18

Серебро 0,01-0,5

Скандий 0,01-0,25

Кремний 0,01-0,10

Бериллий 0,0001-0,005

Водород 0,8×10^-5-2,7×10^-5

Сурьма 0,00002-0,0005

Марганец 0,01-0,1

Железо 0,02-0,15

Титан 0,005-0,07

Алюминий Остальное