СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК C22C21/00 C22C1/03 

Изобретение относится к области металлургии сплавов на основе алюминия, в частности сплавов системы Al-Li-Mg-Be, используемых в качестве конструкционного материала для стрингеров, панелей и других деталей в авиакосмической технике, судостроении и наземном транспортном машиностроении, в том числе и в сварных трубчатых конструкциях.

Известны алюминиевые сплавы системы Al-Li-Mg-Be, которые характеризуются пониженной плотностью и относительно высокой прочностью, но обладают низкой пластичностью.

Например, известен порошковый сплав системы Al-Li-Be, имеющий следующий химический состав, мас.%:

Литий 1-4 Бериллий 2-20 Алюминий Остальное

В качестве оптимального в патенте США предложен сплав с 10% Be и 3% Li.

Способ получения этого сплава включает: расплавление алюминия и бериллия электродуговой плавкой в небольшом углублении в медном охлаждаемом поддоне, находящемся в камере с атмосферой аргона с получением промежуточной заготовки Al-Ве сплава в виде таблетки по 20 г. Расплавление повторяли по 3-5 раз для получения сплава с гомогенным распределением бериллия в алюминии. Ввод лития осуществлялся размещением элементарного лития при подведении тока к верхней стороне дисков в месте образования дуги, что исключило потери лития за счет испарения. Эту расплавленную массу перемешивали в течение нескольких минут перед кристаллизацией сплава Al-Li-Be, и затем таблетки переплавляли три раза. Вновь расплавляли и направляли на быстро вращающийся водоохлаждаемый медный диск с целью получения гранул порошка Al-Li-Be. Полученный порошок Al-Li-Be компактировали в заготовку и прессовали в полосу (патент США №4.557.770).

Недостатком сплава и способа его получения является низкая пластичность сплава в термоупрочненном состоянии, вызванная большой ликвацией (до 70%) бериллия по объему заготовки, и сложность осуществления в промышленности. Изделия, полученные из этого сплава, используются только в ракетной технике и не могут использоваться в гражданской авиации.

Известен сплав на основе алюминия, имеющий следующий химический состав, мас.%:

Цинк 6-8 Магний 1,2-4,0 Медь 1,5-4,0 Серебро 0,03-1,0 Мишметалл 0,03-5,0 Титан 0,005-0,2 Алюминий остальное

Сплав получают индукционной плавкой в вакуумных печах путем расплавления шихтовых материалов, за исключением магния и цинка, до 1000°С, введения лигатур Al-Mg и Al-Zn, рафинирования и слива в изложницу при 800-850°С.

(Заявка Японии №2915490)

Сплав обладает достаточно высокой прочностью при использовании в качестве материала сварных конструкций.

Недостатком сплава является малая пластичность, что не позволяет его использовать в получении деформированных полуфабрикатов.

Известен сплав на основе алюминия, имеющий следующий химический состав, мас.%:

Литий 1-4 Магний 0,05-1,8 Медь 0,05-2,5 Бериллий 0,005-20 Цирконий 0,01-1,0 Алюминий Остальное

Сплав получают плавлением в вакуумных индукционных печах. Литий и магний вводят в виде лигатуры Al-Li и Al-Mg, при 1100°С перед сливом расплава (патент Японии №64-76479).

Сплав по прочности и удлинению превышает алюминиевые сплавы США серии 7000 и пригоден для изготовления деталей летательных аппаратов.

Недостатком сплава и способа его получения является то, что в нем не достигается оптимальное сочетание прочности и жесткости с пластичностью в термоупрочненном состоянии, что не позволяет использовать его в качестве панелей и других силовых деталей самолетов гражданской авиации.

Наиболее близким по составу и назначению к предлагаемому изобретению является сплав, имеющий следующий химический состав, мас.%:

Литий 1,5-3,0 Магний 1,5-2,5 Бериллий 1,5-4,5 Медь 0,2-0,7 Цирконий 0,05-0,3 Железо 0,01-0,1 Никель 0,01-0,1 по крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей Ниобий 0,01-0,1 Скандий 0,01-0,3 Тантал 0,001-0,01 Алюминий Остальное (Патент Р.Ф. №2208655)

Способом получения данного алюминиевого сплава системы Al-Li-Mg-Be является способ, включающий расплавление шихтовых материалов в вакуумной индукционной печи (ВИП) с подачей гелия в ВИП и слив расплава в атмосфере гелия в изложницу (Патент РФ №2208655).

Технической задачей настоящего изобретения является получение сплава, обладающего повышенной пластичностью в термоупрочненном состоянии и теплопроводностью при 300°С, при сохранении высокой прочности, повышенной жесткости, высокой весовой эффективности материала. Изделия из сплава предлагается использовать в народном хозяйстве, в частности, в гражданской авиации в качестве свариваемых трубчатых полуфабрикатов.

Для достижения поставленной задачи предлагается:

Сплав на основе алюминия, содержащий литий, магний, бериллий, медь, цирконий, железо, никель и алюминий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит серебро, кремний, окись бериллия при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Литий 1,5-3,0 Магний 1,7-2,8 Бериллий 2-5 Медь 0,3-0,9 Цирконий 0,05-0,3 Железо 0,01-0,1 Никель 0,01-0,1 Серебро 0,01-0,3 Кремний 0,01-0,1 Окись бериллия 0,1-0,5 Алюминий Остальное

Способ получения сплава на основе алюминия, включающий расплавление шихтовых материалов в вакуумной индукционной печи с подачей гелия и слив расплава в атмосфере гелия в изложницу, отличающийся тем, что расплавляют шихтовые материалы для получения сплава предлагаемого состава, причем магний и литий вводят в расплав в виде лигатуры Al-Li и Al-Mg после подачи гелия, перед сливом расплав подогревают с одновременным электромагнитным перемешиванием, а бериллий вводят в струю сливаемого расплава в виде порошка с размером частиц не более 250 меш.

Введение серебра, кремния, а также наличие в сплаве окиси бериллия обеспечивает повышение прочностных свойств, свариваемости при одновременном повышении пластичности. Повышение этих свойств обеспечивается не только количественным и качественным составом предлагаемого сплава, но и суспензионным способом его получения. Введение порошка бериллия размером до 250 меш в струю сливаемого расплава способствует получению более мелкой кристаллической структуры, т.к. значительно возрастает количество дополнительных центров кристаллизации слитка при скорости кристаллизации, приближенной к сверхбыстрой кристаллизации.

Цирконий и серебро в количестве до 0,3% являются не только модифицирующей добавкой при отливке слитков, но и обеспечивают структурное упрочнение в деформируемых полуфабрикатах в результате формирования полигонизованной структуры при наличии железа и никеля в указанном количестве. Они улучшают также показатели теплопроводности данного материала при 300°С, что благоприятно сказывается на прочностных свойствах сварного шва.

Количественный и качественный состав и способ получения предлагаемого сплава позволяют:

- значительно увеличить количество дополнительных центров кристаллизации слитка;

- приблизить скорость кристаллизации слитка к скорости сверхбыстрой кристаллизации;

- получить более мелкие размеры зерен отливаемого материала и способствуют повышению прочностных свойств и пластичности деформируемых полуфабрикатов;

- улучшить показатели теплопроводности материала при 300°С;

- возрасти уровню прочностных свойств сварного соединения материала;

- уменьшить пересыщенный твердый раствор за счет дополнительного выделения дисперсной фазы δ¹(Al₃Li), равномерно распределенной в объеме матрицы сплава;

- предотвратить выделение δ¹(Al₃Li) фазы в процессе низкотемпературного нагрева при 85°С за 1000 час;

- предотвратить выделение по границам зерен стабильных фаз и образование приграничных зон, свободных от выделения δ¹(Al₃Li) фазы.

Примеры осуществления:

В промышленных условиях были отлиты сплавы, химический состав которых приведен в табл.1, температура ликвидус 850°С.

Пример 1. В тигель вакуумной индукционной печи загружали шихтовые материалы (кроме Li, Mg и Be) и расплавляли их, подавали гелий, вводили лигатуры Al-Mg, Al-Li в атмосфере гелия, подогревали расплав с одновременным электромагнитным перемешиванием и затем проводили слив расплава и ввод в струю сливаемого расплава порошка Be с размером частиц 250 меш.

Пример 2 (получение слитка состава 3 табл.1). В тигель ВИП загружали шихтовые материалы (кроме Li, Mg и Be) и расплавляли их в вакууме, вводили лигатуры Al-Mg, Al-Li в атмосфере гелия, подогревали расплав с одновременным электромагнитным перемешиванием и затем проводили слив расплава и ввод в струю сливаемого расплава порошка Be с размером частиц 200 меш.

У полученных слитков отрезали литниковую часть, разрезали слитки вдоль на три части и обтачивали до заготовок ⌀35 мм и длиной 70 мм, из которых выдавливали на прессе прутки ⌀12 мм. Полученные из прутков образцы для механических свойств проходили термоупрочнение.

В табл.2 приведены свойства предлагаемого сплава и сплава-прототипа.

Как видно из табл.2, предлагаемый сплав обладает заметными преимуществами по сравнению со сплавом-прототипом. Пределы прочности, текучести, пластичности и модуля упругости предлагаемого сплава выше соответствующих значений у известного сплава на 10; 12; 27 и 5% соответственно. Теплопроводность сплава при 300°С выше на 20%, чем у сплава-прототипа, что значительно повышает прочность сварных соединений. Сплав существенно превосходит прототип по удельным прочностным свойствам.

Таким образом, применение заявленного сплава и способа его получения в виде прессованных профилей, панелей, плит и труб в конструкциях авиационной техники гражданской авиации позволяет повысить надежность и ресурс эксплуатации в общеклиматических условиях, позволяет получать трубы с повышенными свойствами сварных соединений.

Таблица 1 Химический состав исследованных сплавов Сплав Состав       Состав сплавов мас.%       Li Mg Be ВеО Cu Zr Ag Fe Ni Si Al Предложенный 1 1,5 2,0 2,0 0,5 0,3 0,05 0,02 0,01 0,1 0.1 ост 2 2,0 1,7 3,0 0,08 0,55 0,2 0,3 0,1 0,01 0.01 ост 3 2,78 2,19 2,50 0,1 0,46 0,1 0,03 0,05 0,05 0,03 ост 4 3,0 2,8 5,0 0,4 0,9 0,3 0,01 0,08 0,08 0,08 ост Прототип 5 2,7 2,1 2,5 - 0,4 0,1 - 0,01 0,03 - ост

Таблица 2 Механические свойства исследованных сплавов Сплав Состав γ, г/см³ σ_в σ_0,2 δ, % Е, ГПа λ³⁰⁰ Вт^.м/град       МПа       Предложенный 1 2,58 503 385 16,0 85,0 91,0 2 2,57 495 360 17,0 87,0 92,0 3 2,55 510 415 18,0 87,0 95,0 4 2,57 485 405 14,0 89,0 93,0 Прототип 5 2,55 465 310 12,0 85,0 75,0

Изобретение относится к области металлургии сплавов на основе алюминия, в частности сплавов системы Al-Li-Mg-Be, используемых в качестве конструкционного материала для стрингеров, панелей и других деталей в авиакосмической технике, гражданской авиации, судостроении и наземном транспортном машиностроении, в том числе и в сварных конструкциях. Сплав имеет следующий химический состав, мас.%: литий 1,5-3,0, магний 1,7-2,8, бериллий 2,0-5,0, медь 0,3-0,9, цирконий 0,05-0,3, железо 0,01-0,1, никель 0,01-0,1, серебро 0,01-0,3, кремний 0,01-0,1, окись бериллия 0,1-0,5, алюминий остальное. Способ получения указанного сплава на основе алюминия включает расплавление шихтовых материалов в вакуумной индукционной печи с подачей гелия, после подачи гелия магний и литий вводят в расплав в виде лигатуры Al-Mg и Al-Li. Затем расплав подогревают с одновременным электромагнитным перемешиванием и осуществляют слив расплава в атмосфере гелия в изложницу, при этом бериллий вводят в струю сливаемого расплава в виде порошка с размером частиц не более 250 меш. Получают сплав, обладающий повышенной пластичностью в термоупрочненном состоянии и теплопроводностью при сохранении высокой прочности, повышенной жесткости и высокой весовой эффективности материала. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.

1. Сплав на основе алюминия, содержащий литий, магний, бериллий, медь, цирконий, железо, никель и алюминий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит серебро, кремний, окись бериллия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Литий 1,5-3,0 Магний 1,7-2,8 Бериллий 2,0-5,0 Медь 0,3-0,9 Цирконий 0,05-0,3 Железо 0,01-0,1 Никель 0,01-0,1 Серебро 0,01-0,3 Кремний 0,01-0,1 Окись бериллия 0,1-0,5 Алюминий Остальное

2. Способ получения сплава на основе алюминия, включающий расплавление шихтовых материалов в вакуумной индукционной печи с подачей гелия и слив расплава в атмосфере гелия в изложницу, отличающийся тем, что расплавляют шихтовые материалы для получения сплава по п.1, причем магний и литий вводят в расплав в виде лигатуры Al-Mg и Al-Li после подачи гелия, перед сливом расплав подогревают с одновременным электромагнитным перемешиванием, а бериллий вводят в струю сливаемого расплава в виде порошка с размером частиц не более 250 меш.