СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ Российский патент 2012 года по МПК C22C21/12 

Предлагаемое изобретение относится к области цветной металлургии сплавов на базе системы Al-Cu-Mg, используемых в качестве основного конструкционного материала для основных элементов планера (обшивок и стингеров низа крыла, обшивок фюзеляжа и др.) и может быть использовано в авиакосмической промышленности и транспортном машиностроении.

Известен сплав на основе алюминия следующего химического состава, мас.%:

Медь 3,8-4,5 Магний 1,2-1,6 Марганец 0,40-0,80 Титан 0,01-0,07 Никель 0,01-0,05 Водород 2,7·10^-5-5,0·10^-5 Алюминий Остальное

(патент РФ №2163941)

Недостатком известного сплава является пониженные значения сопротивления распространению трещин усталости, вязкости разрушения и усталостной долговечности.

Известен также сплав на основе алюминия следующего химического состава, мас.%:

Медь 3,0-4,2 Магний 1,0-2,2 Марганец 0,10-0,80 Титан 0,01-0,10 Цирконий 0,03-0,20 Ванадий 0,001-0,15 По крайней мере,   один элемент из группы:   Никель 0,001-0,25 Кобальт 0,001-0,25 Алюминий Остальное

(патент РФ №2210614)

Недостатком известного сплава является недостаточный уровень прочностных характеристик.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является сплав на основе алюминия следующего химического состава, мас.%:

Медь 3,0-4,0 Магний 0,4-1,1 Марганец ≤0,9 Цирконий ≤0,25 Серебро ≤0,8 Цинк ≤1,0 Железо ≤0,5 Кремний ≤0,5 Алюминий Остальное

Медь и магний присутствуют в сплаве в соотношении (Cu/Mg=3,6-4,5)

(патент РФ №2379366).

Недостатком известного сплава является недостаточно высокий уровень прочности при пониженных значениях характеристик трещиностойкости и усталостной долговечности.

Технической задачей изобретения является создание сплава на основе алюминия, сочетающего повышенный уровень прочности, трещиностойкости и усталостной долговечности.

Для решения поставленной технической задачи предлагается сплав на основе алюминия, содержащий медь, магний, марганец, цирконий, серебро, железо, кремний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит титан, скандий, кальций и, по крайней мере, один элемент из группы: никель, гафний при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Медь 3,50-4,50 Магний 1,20-1,60 Марганец 0,30-0,60 Цирконий 0,01-0,15 Серебро 0,01-0,50 Железо 0,01-0,12 Кремний 0,01-0,08 Титан 0,01-0,06 Скандий 0,01-0,20 Кальций 0,001-0,05 По крайней мере, один элемент   из группы, содержащей   Никель 0,005-0,05 Гафний 0,01-0,10

при этом суммарное содержание Fe+Si≤0,15 мас.%,

при отношении Fe/Si≥l,2

Алюминий Остальное

Введение скандия в присутствии марганца, циркония и серебра увеличивает плотность выделения вторичных дисперсных фаз различного стехиометрического состава, когерентности, морфологии и размера (Al₂₀Cu₃Mn₂, Al₃[Sc, Zr]), которые, помимо собственного эффекта упрочнения, способствуют созданию преимущественно нерекристаллизованной однородной структуры с повышенной прочностью, трещиностойкостью и долговечностью при переменных нагрузках. При искусственном старении указанные дисперсоиды дополнительно повышают прочность, положительно влияя на выделение из матрицы упрочняющих фаз: S (Al₂CuMg), Ω (Al₂(Cu, Ag)) и др.

Кальций взаимодействует с окисными пленами и водородом в жидком металле, снижает поверхностное натяжение, позволяет производить более эффективную фильтрацию и дегазацию и соответственно повышает степень чистоты сплава. Также кальций, образуя в расплаве мелкие интерметаллидные соединения с медью (CaCu₅), препятствует росту крупных развлетленных дендритных образований, способствуя модифицированию литой структуры.

Регламентация суммарного содержания Fe+Si≤0,15 мас.% при соотношении Fe/Si≥l,2 способствует повышению трещиностойкости и усталостной долговечности за счет ограничения объемной доли первичных грубых нерастворимых интерметаллидов кристаллизационного происхождения (Al₇Cu₂Fe, Al₁₅(Fe, Mn)₂Si₃, Mg₂Si и др.).

Дополнительное микролегирование как минимум одним элементом из группы никель, гафний способствует коагуляции и приданию компактной формы первичным нежелательным интерметаллидным фазам и повышению термостабильности твердого раствора, что способствует улучшению трещиностойкости, пластичности и коррозионной стойкости.

Установлено, что комплексное легирование вышеуказанными компонентами и регламентация содержания железа и кремния позволяют достигнуть в сплаве сочетание повышенного уровня прочности, трещиностойкости и усталостной долговечности.

Примеры осуществления:

Из сплавов, химический состав которых приведен в таблице 1, отливали полунепрерывным методом с охлаждением водой плоские слитки сечением 25×150×280 мм. Плавка выполнялась в электрической печи. После двухступенчатой гомогенизации слитки прокатывали вгорячую при температуре 360-420°C до толщины 6 мм, отжигали и прокатывали вхолодную до 2 мм. Холоднокатаные листы закаливали с температуры 485-500°C (выдержка 15-30 мин) в холодной (20-25°C) воде и подвергали правке растяжением со степенью деформации 1-4%.

Комплекс механических и усталостных свойств изучали на образцах, вырезанных из листов в состоянии Т (закалка, правка, естественное старение).

Механические свойства листов при растяжении (σ_в, σ_0.2, относительное удлинение 5) определяли по ГОСТ 1497-84 на образцах с шириной рабочей части 10-15 мм.

Скорость роста трещины усталости (dl/dN) определяли по ОСТ1 90268-84 на пластинах размером 200×600 мм с центральной прорезью при ΔK=31 МПа√M при следующих условиях усталостного нагружения: σ_max=100 МПа, R=0,1; f=5 Гц.

Вязкость разрушения (K_c ^y) 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=5 Гц, R=0,1, K_t=2,6.

Полученные результаты, приведенные в таблице 2, показывают, что предложенный сплав по сравнению с известным сплавом обладает улучшенными характеристиками прочности (на 7-13%), трещиностойкости (на 5-25%) и усталостной долговечности (15-35%).

Применение предлагаемого сплава с улучшенными характеристиками прочности, трещиностойкости и усталостной долговечности позволит повысить ресурс и надежность элементов конструкции перспективных самолетов.

Таблица 1 Химический состав предлагаемого сплава и сплава-прототипа, мас.% Сплав Cu Mg Mn Zr Ag Fe Si Ti Sc Ca Hf Ni Zn Al 1 3,5 1,2 0,30 0,10 0,40 0,08 0,04 0,04 0,12 0,02 0,01 0,005 - ост. 2 4,2 1,4 0,50 0,04 0,40 0,06 0,03 0,05 0,20 0,05 - - - ост. 3 4,5 1,5 0,60 0,11 0,50 0,06 0,02 0,04 0,14 0,05 0,05 - - ост. 4 4,0 1,3 0,30 0,15 0,30 0,12 0,08 0,01 0,01 0,001 - 0,02 - ост. 5 4,2 1,4 0,40 0,05 0,10 0,09 0,05 0,03 0,08 0,03 - - - ост. 6 4,3 1,6 0,50 0,01 0,01 0,01 0,01 0,06 0,10 0,05 0,10 0,05 - ост. прототип 3,6 0,90 0,30 0,12 0,48 0,15 0,10 - - - - - 0,10 ост.

Таблица 2 Механические свойства листов из предлагаемого сплава и сплава-прототипа Сплав Предел прочности σ_в, МПа Предел текучести σ_0.2, МПа Относительное удлинение δ, % Трешиностойкость МЦУ долговечность, кцикл Вязкость разрушения K_c ^y, МПа√м Скорость роста трещин усталости dl/dN, мм/кцикл 1 470 310 25 74 1,5 140 2 480 330 23 73 1,6 145 3 485 340 24 75 1,5 150 4 460 320 20 71 1,7 120 5 465 315 23 74 1,6 130 6 470 330 21 73 1,5 140 Прототип 430 300 18 65 2,1 100

Предлагаемое изобретение относится к области цветной металлургии и может быть использовано в авиакосмической промышленности и транспортном машиностроении. Сплав содержит следующие компоненты, мас.%: медь 3,50-4,50, магний 1,20-1,60, марганец 0,30-0,60, цирконий 0,01-0,15, серебро 0,01-0,50, железо 0,01-0,12, кремний 0,01-0,08, титан 0,01-0,06, скандий 0,01-0,20, кальций 0,001-0,05, по крайней мере, один элемент из группы, содержащей никель 0,005-0,05, гафний 0,01-0,10, при этом суммарное содержание Fe+Si≤0,15, при отношении Fe/Si≥1,2, алюминий - остальное. Технической задачей изобретения является создание сплава на основе алюминия с высоким уровнем прочности, трещиностойкости и усталостной долговечности. Применение предлагаемого сплава с улучшенными характеристиками позволит повысить ресурс и надежность элементов конструкции перспективных самолетов. 2 табл.

Сплав на основе алюминия, содержащий медь, магний, марганец, цирконий, серебро, железо, кремний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит титан, скандий, кальций и, по крайней мере, один элемент из группы: никель, гафний при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Медь 3,50-4,50 Магний 1,20-1,60 Марганец 0,30-0,60 Цирконий 0,01-0,15 Серебро 0,01-0,50 Железо 0,01-0,12 Кремний 0,01-0,08 Титан 0,01-0,06 Скандий 0,01-0,20 Кальций 0,001-0,05