СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО Российский патент 2006 года по МПК C22C21/18 C22C21/16 C22C21/14 

Изобретение относится к области цветной металлургии, а именно к сплавам на основе алюминия системы Al-Cu-Mg. Полуфабрикаты из этих сплавов используются в качестве конструкционных материалов для авиакосмической техники в виде обшивки и силового набора.

Известен сплав Д16ч, имеющий следующий химический состав (% по массе):

Медь3,8-4,9Магний1,2-1,8Марганец0,3-0,9Железо≤0,3Кремний≤0,2Цинк≤0,1Титан≤0,1Никель≤0,05АлюминийОстальное [ОСТ1 90048-90]

Известны также американские сплавы системы Al-Cu-Mg серии 2000, например сплав, имеющий следующий химический состав (% по массе):

Медь4,2-4,7Магний1,3-1,8Марганец0,8-1,3Цирконий0,08-0,15Цинк≤0,25Титан≤0,15Хром≤0,1Железо≤0,15Кремний≤0,12Алюминийостальное [Патент США №4336075]

и сплав следующего химического состава (% по массе):

Медь3,8-4,5Магний1,2-1,8Марганец0,3-0,9Железо≤0,15Кремний≤0,15Алюминийостальное [Патент США №5213639]

Известные сплавы и изделия из них, имея высокую прочность, пластичность, долговечность, вязкость разрушения, малую скорость роста усталостной трещины, в ряде случаев обладают недостаточной молниестойкостью. Эта характеристика для определенной группы изделий авиакосмической техники является определяющей.

Наиболее близким по химическому составу и назначению, принятым за прототип, является сплав на основе алюминия системы Al-Cu-Mg следующего химического состава (% по массе):

Медь3,8-4,5Магний1,2-1,6Марганец0,4-0,8Титан0,01-0,07Никель0,01-0,05Водород2,7·10^-5-5,0·10^-5АлюминийОстальное [Патент РФ №2163941]

Данный сплав обладает улучшенным сочетанием предела прочности, вязкости разрушения и скорости роста трещины усталости. Лист, изготовленный из этого сплава, обладает следующими свойствами: σ_в=460 МПа, K_c ^у=55 МПа√м, d(2l)/dN=1,1 мм/кцикл. Однако сплав обладает недостаточной молниестойкостью, что ограничивает его использование в качестве обшивки или силового набора в самолетах нового поколения.

Технической задачей настоящего изобретения является создание сплава, обладающего наряду с высокими характеристиками прочности, пластичности, трещиностойкости, долговечности повышенной молниестойкостью для конструкционного применения в авиакосмической технике в виде обшивки и силового набора.

Для решения поставленной технической задачи предложен сплав на основе алюминия, содержащий медь, магний, марганец, титан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит теллур и по крайней мере один элемент из группы: серебро, никель, цинк, цирконий, хром, железо, кремний, водород, при следующем соотношении компонентов (% по массе):

Медь3,8-5,5Магний0,3-1,6Марганец0,2-0,8Титан0,5·10^-6-0,07Теллур0,5·10^-5-0,1по крайней мере один элемент из группы, содержащей Серебро0,2-1,0Никель0,5·10^-6-0,05Цинк0,5·10^-6-0,1Цирконий0,05-0,3Хром0,05-0,3Железо0,5·10^-6-0,15Кремний0,5·10^-6-0,1Водород0,1·10^-5-2,7·10^-5Алюминийостальное

и изделие, выполненное из него.

Повышение молниестойкости как важной характеристики достигается дополнительным легированием теллуром.

Присутствие теллура вызывает образование химического соединения с алюминием, относящегося к полупроводникам F-типа с удельным электросопротивлением при комнатной температуре 5·10^-3 Ом·м. Наличие в структуре предложенного сплава полупроводниковой фазы обеспечивает повышение молниестойкости сплава и изделия, выполненного из него.

Присутствие по крайней мере одного элемента из группы, включая серебро, никель, цинк, цирконий, хром, железо, кремний, водород обеспечивает повышение прочностных характеристик сплава - предела прочности и предела текучести.

Пример осуществления.

В лабораторных условиях были отлиты слитки 4 сплавов. Химические составы предложенного и известных сплавов приведены в таблице 1, где сплавы 1-7 являются примерами сплавов согласно изобретению, а сплав 8 является примером сплава-прототипа.

Из слитков путем прессования полосы и последующей горячей и холодной прокатки получали листы толщиной 2,5 мм. Прессование проводили при 430°С, а горячую прокатку - при 440-450°С. Листы разрезали на заготовки, которые закаливали с температуры 495-510°С в воде и старили при температуре 170-190°С в течение 12-20 ч. Из этих заготовок были изготовлены образцы для испытаний на молниестойкость и механические свойства. Результаты испытаний приведены в таблице 2.

Испытания на молниестойкость проводили в соответствии с методиками и нормами, принятыми в РФ, с параметрами разряда А+С, где А - импульс главного разряда, С - постоянная составляющая тока. Максимальное значение тока I=200 кА, переносимый заряд Q=20 Кл, длительность импульса 50 мкс.

Механические свойства листов при растяжении (предел прочности σ_в, предел текучести σ_0,2, относительное удлинение δ) определяли по ГОСТ 1497-84 на образцах с шириной рабочей части 10-15 мм.

Скорость роста трещины усталости (d(2l)/dN) определяли по ОСТ1 90268-84 на пластинах размером 200×600 мм с центральной прорезью при ΔК=15,5 МПа√м при следующих условиях усталостного нагружения: σ_max=100 МПа, R=0,1; f=5 Гц.

Вязкость разрушения К_с ^у определяли по ОСТ1 90356-84 на пластинах размером 200×600 мм при R=0,1; f=5 Гц.

Малоцикловую усталость (МЦУ) определяли по ГОСТ 25.502-91 на образцах с отверстием размером 30×200 мм при f=0,17 Гц, R=0, K_t=2,6.

Полученные результаты показывают, что предложенный сплав по сравнению с известным сплавом обладает практически одинаковыми характеристиками прочности, пластичности, трещиностойкости, долговечности. Однако по молниестойкости, определяемой по размеру повреждений со стороны удара молнии и сохранению прочности листов после удара молнии, предложенный сплав по сравнению с известным сплавом имеет превосходство на 20-25%.

Таким образом, применение предлагаемого сплава в качестве конструкционного материала для авиакосмической техники в виде обшивки и силового набора из листов обеспечивает значительное повышение молниестойкости.

Таблица 1
Химический состав сплавов (% по массе)СплавCuMgMnTiТеAgNiZnZrCrFeSiНAl13,80,30,20,5·10^-60,5·10^-5-0,5·10^-6-----0,1·10^-5ост.24,00,50,20,010,7·10^-5--0,5·10^-6---0,5·10^-6-ост.34,40,70,40,0150,9·10^-50,2--0,110,05---ост.44,71,00,50,0350,05------0,051,4·10^-5ост.54,91,20,60,040,07---0,05-0,5·10^-6--ост.65,31,40,70,0650,08-----0,1--ост.75,51,60,80,070,11,00,050,10,30,30,150,12,7·10^-5ост.83,91,20,50,03--0,02-----4,0·10^-5ост.

Таблица 2
Механические свойства и молниестойкостьСплавσ_в, МПаσ_0,2, МПаδ, %К_с ^у, МПа√мd(2l)/dN, мм/кциклМЦУ, кциклРазмер повреждения со стороны удара молнии, ⊘ ммСохранение прочности, % на расстоянии от молниевого удара0204060мм14654008601,0704072859710024704058571,0683972,58697,510034804207,5561,06638,572,986,59810044654157,5551,1653873879810054704207551,16337,973,48798,510064754257551,16137,773,887,59910074904257551,26037,575889910084604007551,2605060708090

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сплавам на основе алюминия системы алюминий-медь-магний. Полуфабрикаты из этих сплавов используют в качестве конструкционных материалов для авиакосмической техники. Сплав и изделие, выполненное из него, содержат следующие компоненты, мас.%: медь - 3,8-5,5, магний - 0,3-1,6, марганец - 0,2-0,8, титан - 0,5·10^-6-0,07, теллур - 0,5·10^-5-0,1, по крайней мере, один элемент из группы, содержащей серебро - 0,2-1,0, никель - 0,5·10^-6-0,05, цинк - 0,5·10^-6-0,1, цирконий - 0,05-0,3, хром - 0,05-0,3, железо - 0,5·10^-6-0,15, кремний - 0,5·10^-6-0,1, водород - 0,1·10^-5-2,7·10^-5, алюминий - остальное. Техническим результатом изобретения является создание сплава, обладающего наряду с высокими характеристиками прочности, трещиностойкости и долговечности повышенной молниестойкостью. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.

1. Сплав на основе алюминия, содержащий медь, магний, марганец, титан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит теллур и, по крайней мере, один элемент из группы: серебро, никель, цинк, цирконий, хром, железо, кремний, водород, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Медь3,8-5,5Магний0,3-1,6Марганец0,2-0,8Титан0,5·10^-6-0,07Теллур0,5·10^-5-0,1

по крайней мере, один элемент из группы, содержащей

Серебро0,2-1,0Никель0,5·10^-6-0,05Цинк0,5·10^-6-0,1Цирконий0,05-0,3Хром0,05-0,3Железо0,5·10^-6-0,15Кремний0,5·10^-6-0,1Водород0,1·10^-5-2,7·10^-5АлюминийОстальное

Медь3,8-5,5Магний0,3-1,6Марганец0,2-0,8Титан0,5·10^-6-0,07Теллур0,5·10^-5-0,1

по крайней мере, один элемент из группы, содержащей

Серебро0,2-1,0Никель0,5·10^-6-0,05Цинк0,5·10^-6-0,1Цирконий0,05-0,3Хром0,05-0,3Железо0,5·10^-6-0,15Кремний0,5·10^-6-0,1Водород0,1·10^-5-2,7·10^-5АлюминийОстальное