СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ И СПОСОБ ЕГО ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ Российский патент 2007 года по МПК C22C21/06 C22F1/47 

Изобретение относится к области металлургии сплавов на основе алюминия системы Al-Mg-Li-Cu, используемых в качестве конструкционного материала для авиакосмической техники и транспортного машиностроения в виде обшивки и внутреннего силового набора.

Известны алюминиевые сплавы системы Al-Li-Mg-Zn, которые характеризуются пониженной плотностью и относительно высокой прочностью. Например, сплав следующего химического состава (мас.%):

Литий2,0-3,0Магний0,5-4,0Цинк2,0-5,0Медь0-2,0Цирконий0-0,2Марганец0-0,5Никель0-0,5Хром0-0,4Алюминий- остальное (патент США № 46363570).

Сплав упрочняется термической обработкой - закалка с температуры 460°С, правка растяжением со степенью деформации 0-3% и двухступенчатое старение: 1-я ступень при 90°С, 16 ч и 2-я ступень при 150°С, 24 ч.

Этот сплав обладает достаточно высоким уровнем предела прочности 440-550 МПа и предела текучести 350-410 МПа.

Недостатком сплава является низкий уровень относительного удлинения в термоупрочненном состоянии (1,0-7,0%), вязкости разрушения и технологичности при холодной деформации в процессе изготовления тонких листов, которые являются одними из основных конструктивных материалов для летательных аппаратов.

Известен сплав следующего химического состава (мас.%):

Литий1,5-1,9Магний4,1-6,0Цинк0,1-1,5Цирконий0,05-0,3Марганец0,01-0,8Водород0,9·10^-5-4,5·10^-5

по крайней мере, один элемент из группы, содержащей:

Бериллий0,001-0,2Иттрий0,01-0,5Скандий0,01-0,3Хром0,01-0,5Алюминийостальное (патент РФ № 2133295).

Этот сплав обладает пределом прочности 450-475 МПа и пределом текучести 330-360 МПа, относительным удлинением 8-10%. Вязкость разрушения листов из этого сплава после длительных солнечных нагревов (при 85°С, 1000 ч) не меняется (К_С ^У=65-69 МПа√м).

Недостатком этого сплава является невысокая технологическая пластичность при холодной прокатке, так как отжиг не приводит к достаточному разупрочнению из-за высокого содержания магния. Это делает практически невозможным рулонную холодную прокатку тонких листов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является сплав следующего химического состава (мас.%):

Литий1,7-2,0Медь1,6-2,0Магний0,7-1,1Цирконий0,04-0,2Бериллий0,02-0,2Титан0,01-0,1Никель0,01-0,15Марганец0,01-0,4Галлий0,001-0,05Водород1,5·10^-5-5,0·10^-5

по крайней мере, один элемент из группы, содержащей:

Цинк0,01-0,3Сурьму0,00003-0,015Натрий0,00005-0,001Алюминийостальное (патент РФ № 2180928).

Этот сплав обладает достаточной технологической пластичностью в отожженном состоянии, которая необходима при получении тонких листов методом рулонной прокатки.

Недостатком этого сплава является пониженные значения предела прочности (410 МПа) и предела текучести (305 МПа) и недостаточная термическая стабильность после нагревов при температуре 85°С до 1000 ч.

Известен способ термической обработки, включающий закалку с быстрым охлаждением, правку и двухступенчатое старение по режиму:

1-ая ступень при температуре 93°С, от нескольких часов до нескольких месяцев; предпочтительно 66-85°С, не менее 24 ч;

2-ая ступень при температуре не выше 219°С, от 30 минут до нескольких часов; предпочтительно, 154-199°С, не менее 8 ч (патент США № 4861391).

Повышая прочностные характеристики и вязкость разрушения, этот способ не обеспечивает стабильности свойств алюминиевых сплавов с литием после низкотемпературного нагрева при температуре 85°С в течение 1000 ч, который имитирует солнечный нагрев при длительной эксплуатации летательных аппаратов. После нагрева 85°С - 1000 ч относительное удлинение и вязкость разрушения сплавов с литием, обработанных по этому способу, снижаются на 25-30%.

Из известных режимов упрочняющей термической обработки наиболее близким к заявляемому является способ термической обработки, включающий закалку с температуры 400-500°С в холодной воде или на воздухе, правку растяжением со степенью деформации 0-2% и трехступенчатое искусственное старение по режиму:

1-я ступень при температуре 80-90°С в течение 3-12 ч;

2-я ступень при температуре 110-185°С, в течение 10-48 4,

3-я ступень при температуре 90-110°С, в течение 8-14 ч (патент РФ № 2133295).

Этот способ термической обработки обеспечивает достаточно высокий уровень прочности и высокую термическую стабильность после длительных низкотемпературных нагревов. Однако при этом получен невысокий уровень относительного удлинения.

Технической задачей изобретения является разработка сплава на основе алюминия системы Al-Mg-Li-Cu и способа его термической обработки, позволяющих повысить прочность и термическую стабильность после нагрева при температуре 85°С в течение 1000 ч при сохранении высокой вязкости разрушения и технологической пластичности сплава при получении тонких листов методом рулонной прокатки.

Для решения поставленной задачи предлагается сплав на основе алюминия системы Al-Mg-Li-Cu, содержащий литий, магний, медь, цинк, марганец и титан, отличающийся тем, что сплав дополнительно содержит кремний, церий и, по крайней мере, один элемент из группы, включающей скандий, цирконий и бериллий при следующем соотношении компонентов (мас.%):

Литий1,5-1,9Магний1,2-3,5Медь1,4-1,8Цинк0,01-1,2Марганец0,01-0,8Титан0,01-0,25Кремний0,005-0,8Церий0,005-0,4

по крайней мере, один элемент, выбранный из группы, включающей:

Скандий0,01-0,3Цирконий0,03-0,15Бериллий0,001-0,2Алюминий -остальное;

и способ термической обработки, включающий закалку с температуры 510-535°С в холодной воде, правку и трехступенчатое старение: 1-я ступень при температуре 95-120°С в течение времени, достаточном для обеспечения максимальной плотности выделений дисперсных частиц основной упрочняющей δ'-фазы, 2-я ступень при температуре 130-180°С в течение 3-25 ч и 3-я ступень при температуре 95-120°С в течение времени не менее 15 ч.

Содержание магния в сплаве в пределах 1,2-3,5% обеспечивает высокий уровень прочностных свойств за счет твердорастворного упрочнения. При уменьшении содержания магния менее 1,2% снижается прочность и возрастает склонность сплава к горячим трещинам при литье. При увеличении концентрации магния в сплаве более 3,5% снижается технологичность при холодной прокатке, а также пластические характеристики готовых полуфабрикатов и изделий из них.

Дополнительное введение кремния приводит к образованию большого количества дисперсных частиц Mg₂Si, a также четверной фазы с медью Al₅Si₆Mg₈Cu₂. Это способствует измельчению зеренной структуры за счет увеличения центров рекристаллизации и повышению прочности и вязкости разрушения.

Дополнительное введение церия облагораживает форму избыточных интерметаллидов, содержащих марганец, что приводит к повышению как технологической пластичности при холодной деформации, так и пластичности в термоупрочненном состоянии.

Введение хотя бы одного элементов из группы скандий, цирконий и бериллий способствует формированию однородной мелкозернистой структуры в слитках и повышению технологической пластичности при холодной прокатке.

Увеличение температуры нагрева под закалку до 510-535°С в предлагаемом способе термической обработки обеспечивает наибольшее пересыщение твердого раствора литием за счет более полного растворения избыточных фаз. Повышение температуры старения на 1-й ступени до 95-120°С ускоряет распад твердого раствора с выделением дисперсной упрочняющей δ' (Al₃Li) - фазы и обеспечивает их максимальную плотность. Этим самым предотвращается выделение стабильных фаз и образование приграничных зон, свободных от выделений, при старении на 2-й ступени при более высокой температуре 130-180°С. Такое структурное состояние сплава приводит к одновременному повышению прочности, пластичности и вязкости разрушения.

С увеличением времени старения на третьей ступени не только повышается термическая стабильность сплава, но и увеличиваются прочностные свойства сплава за счет дополнительного выделения дисперсной фазы δ' (Al₃Li), равномерно распределенной в объеме матрицы.

Таким образом, технический результат достигается при заявленных количественном и качественном соотношении компонентов в предлагаемом сплаве и режиме термической обработки.

Пример осуществления

Из сплавов, химический состав которых приведен в табл.1, отливали слитки диаметром 70 мм. Плавка металла осуществлялась в электрической печи. После гомогенизации из слитков прессовались полосы сечением 15×65 мм. Заготовки из полос прокатывали на листы толщиной 5 мм, которые после отжига с медленным охлаждением с печью прокатывали в холодную до толщины 2,5 мм. Холоднокатаные листы подвергали закалке в воде, правке и искусственному трехступенчатому старению (табл.2). Время, достаточное для обеспечения максимальной плотности выделения основной упрочняющей δ'-фазы, для сплавов выбранных составов составило 3 ч (№№ 3, 5, 7, 9) и 12 ч (№№ 4, 6, 8, 10).

Свойства в отожженном состоянии определяли на образцах, вырезанных из горячекатаных листов толщиной 5 мм (табл.3). Свойства в состаренном состоянии определяли на образцах, вырезанных из холоднокатаных листов толщиной 2,5 мм (табл.4).

Предложенный состав сплава обеспечил в отожженном состоянии существенное повышение технологической пластичности за счет снижения пределов прочности и текучести, повышения относительного удлинения и снижения отношения σ_0,2/σ_в (снижается в 1,5-2 раза). Полученные характеристики предложенного сплава позволяют получать тонкие листы методом холодной рулонной прокатки.

Как видно из полученных результатов, предложенный состав сплава, обработанный по предложенному способу термообработки, позволил повысить в состаренном состоянии прочностные характеристики и относительное удлинение, вязкость разрушения до и после нагрева 85°С, 1000 ч.

Применение заявленного сплава и способа его термической обработки в конструкциях авиакосмической техники и транспортного машиностроения позволят повысить надежность и ресурс эксплуатации с учетом длительного воздействия солнечных лучей.

Таблица 1
Химический состав опробованных композиций заявляемого и известного сплавов№ п/пLiMgCuZnMnTiSiСеZrScBeNiGaН₂×10⁵Al11,80,92,00,20,20,03--0,08-0,040,060,011,5ост22,01,11,6-0,180,05--0,1-0,030,960,0035,0ост31,52,31,81,00,80,20,80,4-0,30,2---ост41,92,21,420,010,030,010,40,0050,030,04----ост51,71,21,520,300,60,150,250,2------ост61,63,21,70,050,010,080,010,08-0,150,1---ост71,852,81,60,090,40,030,450,1------ост81,553,51,40,60,130,250,030,150,15-----ост91,91,71,480,100,090,120,090,0090,10,010,001---ост101,53,31,51,20,330,050,0050,02- ----остПримечание: Сплавы №1 и 2 - прототипы, №3-10 - заявляемые.

Таблица 2
Способы термической обработки опробованных сплавов№ сплавовНагрев под закалкуРежим искусственного старения150080°С, 12 ч + 185°С, 10 ч + 110°С, 8 ч245090°С, 3 ч + 110°С, 48 ч + 90°С, 14 ч4, 652595°С, 12 ч + 180°С, 3 ч + 120°С, 15 ч7, 10515120°С, 3 ч + 155°С, 14 ч + 105°С, 20 ч5, 8535100°С, 12 ч + 130°С, 25 ч + 95°С, 18 ч3,9510105°С, 3 ч + 140°С, 25 ч + 100°С, 24 чПримечание: Способы №1 и 2 - прототипы, способы №3-10 - заявляемые

Таблица 3
Свойства известного и заявляемых сплавов в отожженном состоянии№ сплаваσ_в, МПаσ_0,2, МПаδ, %σ_0,2/σ_в132023617,50,74234025216,00,748, 1024214716,50,613, 922510022,00,445,723214118,00,614, 62188421,00,38Примечание: Сплавы и способы №1 и 2 - прототипы, сплавы и способы №3-10 - заявляемыеТаблица 4
Свойства известного и заявляемых сплавов, обработанных по известному и заявляемому способам№σ_в,σ_0,2,δ,К_С ^У, МПА√мсплаваМПаМПа%До нагреваПосле 85°С, 1000 ч144533010,065,561,0240531512,567,062,38, 1047535515,069,568,75, 746335016,570,368,94, 645834518,573,071,03, 945034019,075,374,8Примечание: Сплавы и способы №1 и 2 - прототипы, сплавы и способы №3-10 - заявляемые.

Изобретение относится к области металлургии сплавов на основе алюминия системы Al-Mg-Li-Cu, используемых в качестве конструкционного материала для авиакосмической техники и транспортного машиностроения в виде обшивки и внутреннего силового набора. Сплав содержит следующие компоненты, мас.%: литий 1,5-1,9, магний 1,2-3,5, медь 1,4-1,8, цинк 0,01-1,2, марганец 0,01-0,8, титан 0,01-0,25, кремний 0,005-0,8, церий 0,005-0,4, по крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей: скандий 0,01-0,3, цирконий 0,03-0,15, бериллий 0,001-0,2, алюминий остальное. Способ термической обработки данного сплава включает закалку, правку и искусственное старение по трехступенчатому режиму. Закалку производят с температуры 510-535°С. Первую ступень искусственного старения проводят при температуре 95-120°С. В частных воплощениях изобретения вторую ступень старения проводят при температуре 130-180°С в течение 3-25 ч, а третью ступень искусственного старения проводят при температуре 95-120°С в течение времени не менее 15 ч. Техническим результатом изобретения является разработка сплава и способа его термической обработки, позволяющих повысить прочность и термическую стабильность после нагрева при температуре 85°С в течение 1000 ч при сохранении высокой вязкости разрушения и технологической пластичности сплава при получении тонких листов методом рулонной прокатки. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 табл.

1. Сплав на основе алюминия системы Al-Mg-Li-Cu, содержащий литий, магний, медь, цинк, марганец и титан, отличающийся тем, что сплав дополнительно содержит кремний, церий и по крайней мере один элемент из группы, включающей скандий, цирконий и бериллий, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Литий1,5-1,9Магний1,2-3,5Медь1,4-1,8Цинк0,01-1,2Марганец0,01-0,8Титан0,01-0,25Кремний0,005-0,8Церий0,005-0,4

по крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей

Скандий0,01-0,3Цирконий0,03-0,15Бериллий0,001-0,2АлюминийОстальное