КРИОГЕННЫЙ ДЕФОРМИРУЕМЫЙ ТЕРМИЧЕСКИ НЕУПРОЧНЯЕМЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ Российский патент 2009 года по МПК C22C21/08 

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым термически неупрочняемым сплавам, предназначенным для использования в виде деформированных полуфабрикатов в качестве конструкционного материала преимущественно для сварных конструкций, работающих при криогенных температурах.

Известен криогенный деформируемый термически неупрочняемый свариваемый сплав на основе алюминия следующего химического состава (мас.%):

Магний4,45Марганец0,8Хром0,10АлюминийОстальное

(см. Ф.Г.Нельсон, Дж.Г.Кауфман, Е.Т.Уэндерер. В кн.: Механические свойства конструкционных материалов при низких температурах. М., Металлургия, 1983, с.176).

Однако существующий сплав имеет низкие прочностные свойства.

Известен криогенный деформируемый термически неупрочняемый свариваемый сплав на основе алюминия, предназначенный для использования в виде деформированных полуфабрикатов в качестве конструкционного материала (см. патент RU №2085607, М.Кл. С22С 21/06, 1997 год), следующего химического состава (мас.%) прототип:

Магний3,9-4,9Титан0,01-0,1Бериллий0,0001-0,005Цирконий0,05-0,15Скандий0,20-0,50Церий0,001-0,004АлюминийОстальное

Недостатком известного сплава является низкая прочность сварных соединений при криогенных температурах.

Предлагается криогенный деформируемый термически неупрочняемый сплав на основе алюминия, содержащий магний, титан, бериллий, цирконий, скандий и церий, который дополнительно содержит марганец, хром и группу элементов, включающую железо и кремний, при следующем соотношении компонентов (мас.%):

Магний4,1-4,9Титан0,01-0,04Бериллий0,0001-0,005Цирконий0,05-0,12Скандий0,17-0,30Церий0,0001-0,0009Марганец0,19-0,35Хром0,01-0,05Группа элементов, включающая железо и кремний0,06-0,25АлюминийОстальное

при этом величина отношения содержания железа к содержанию кремния должна быть не меньше единицы.

Предлагаемый сплав отличается от известного тем, что он дополнительно содержит марганец, хром и группу элементов, включающую железо и кремний, и компоненты взяты в следующем соотношении (мас.%):

Магний4,1-4,9Титан0,01-0,04Бериллий0,0001-0,005Цирконий0,05-0,12Скандий0,17-0,30Церий0,0001-0,0009Марганец0,19-0,35Хром0,01-0,05Группа элементов, включающая железо и кремний0,06-0,25АлюминийОстальное

при этом величина отношения содержания железа к содержанию кремния должна быть не меньше единицы.

Технический результат - повышение характеристик прочности сплава и, как следствие, повышение прочности сварных соединений при криогенных температурах, что позволит снизить вес и соответственно повысить характеристики весовой отдачи сварных конструкций летательных аппаратов, работающих на криогенном топливе.

При предлагаемом содержании и соотношении компонентов в предлагаемом сплаве за счет вторичных выделений мелкодисперсных интерметаллидов, содержащих в своем составе алюминий, скандий, цирконий и другие переходные металлы, входящие в состав сплава, и оптимизации морфологии первичных интерметаллидов кристаллизационного происхождения, содержащих, в основном, алюминий, железо и кремний, обеспечивается высокий уровень прочностных свойств сплава и сварных соединений. В то же время достаточно пластичная матрица, представляющая собой, главным образом, твердый раствор магния и марганца в алюминии, за счет высокого запаса пластичности сохраняет необходимый уровень пластических свойств и высокую работоспособность сплава и сварных соединений при криогенных температурах.

Пример

Получили предлагаемый сплав из шихты, состоящей из алюминия А99, магния МГ95, двойных лигатур алюминий-титан, алюминий-бериллий, алюминий-цирконий, алюминий-скандий, алюминий-церий, алюминий-марганец, алюминий-железо и силумина (составы 1, 2), а также состав 3 из шихты, состоящей из отходов составов 1 и 2.

Сплав готовили в электрической плавильной печи и методом полунепрерывного литья отливали плоские слитки сечением 90×220 мм. Составы предлагаемого сплава приведены в табл.1.

Слитки гомогенизировали, подвергали механической обработке, после чего на стане горячей прокатки при 400°С прокатывали до толщины 7,5 мм, затем на стане холодной прокатки - до толщины 3 мм. Холоднокатаные заготовки отжигали в электрической печи с воздушной циркуляцией и правили на роликоправильной машине.

Часть полученных таким образом отожженных листов толщиной 3 мм подвергали автоматической аргоно-дуговой сварке вольфрамовым электродом с присадочной проволокой того же состава, что и основной металл. Сварной шов располагали вдоль волокна. Материалом для испытаний служили отожженные листы толщиной 3 мм и сварные пластины. Из листов и сварных пластин вырезали стандартные поперечные образцы, которые испытывали на растяжение при криогенных температурах. Определяли механические свойства листов: предел прочности σ_в, предел текучести σ_0,2, относительное удлинение δ, а также предел прочности сварных соединений с усилением шва σ_в ^св. Также проводили испытания сплава-прототипа (состав 4, табл.1). Результаты испытаний приведены в табл.2.

Как видно из табл.2, предлагаемый сплав и его сварные соединения имеют прочность на 3-15 МПа выше, чем у известного сплава при сохранении пластичности. Это позволит на 3-5% снизить вес криогенных сварных конструкций, изготавливаемых из предлагаемого сплава.

Применение предлагаемого сплава в космической технике позволит создать надежные и высокотехнологичные сварные конструкции летательных аппаратов, работающих на высокоэффективном и экологически чистом криогенном топливе. При изготовлении сварных конструкций предлагаемый сплав может использоваться также в качестве присадочного материала для сварки плавлением.

Таблица 1Сплав№ составаХимический состав, мас.%МагнийТитанБериллийЦирконийСкандийЦерийМарганецХромЖелезоКремнийFe/SiАлюминийПредлагаемый14,10,010,00010,050,170,00010,190,010,030,031Остальное24,90,040,0050,120,300,00090,350,050,150,11,5Остальное34,50,020,0010,080,240,00050,30,030,060,051,2ОстальноеПрототип44,40,10,0030,10,40,003-----ОстальноеПримечание: Fe/Si - отношение содержания железа к содержанию кремния

Таблица 2Сплав№ составаТемпература испытанийМеханические свойства отожженных листовПрочность сварных соединенийσ_в, МПаσ_0,2, МПаδ, %σ_в ^св, МПаПредлагаемый177К4803483645020К62441838480277К4903503445420К63042536488377К4853503545020К62842037485Прототип477К4753453444520К62141536475Примечание: σ_в - предел прочности, σ_0,2 - предел текучести, δ - относительное удлинение, σ_в ^св - предел прочности сварного образца с усилением шва.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым термически неупрочняемым сплавам, предназначенным для использования в виде деформированных полуфабрикатов в качестве конструкционного материала преимущественно для сварных конструкций космической техники, работающих при криогенных температурах. Сплав содержит следующие компоненты, мас.%: магний 4,1-4,9, титан 0,01-0,04, бериллий 0,0001-0,005, цирконий 0,05-0,12, скандий 0,17-0,30, церий 0,0001-0,0009, марганец 0,19-0,35, хром 0,01-0,05, группа элементов, содержащая железо и кремний - 0,06-0,25, алюминий - остальное, при этом величина отношения содержания железа к содержанию кремния должна быть не меньше единицы. Получают сплав, обладающий повышенными характеристиками прочности, а также прочности сварных соединений при криогенных температурах, что позволяет снизить вес сварных конструкций, изготавливаемых из предлагаемого сплава. 2 табл.

Криогенный деформируемый термически неупрочняемый сплав на основе алюминия, содержащий магний, титан, бериллий, цирконий, скандий и церий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит марганец, хром и группу элементов, включающую железо и кремний, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

магний4,1-4,9титан0,01-0,04бериллий0,0001-0,005цирконий0,05-0,12скандий0,17-0,30церий0,0001-0,0009марганец0,19-0,35хром0,01-0,05группа элементов, содержащая железо и кремний0,06-0,25алюминийостальное

при этом величина отношения содержания железа к содержанию кремния должна быть не меньше единицы.