ВЫСОКОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО Российский патент 2015 года по МПК C22C21/12 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к высокопрочным сплавам пониженной плотности с повышенной вязкостью разрушения на основе системы алюминий-медь-литий, и может быть использовано в авиакосмической отрасли промышленности в качестве конструкционного материала для силового набора изделий (лонжероны, балки, шпангоуты и др.).

Разработка новых алюминиевых сплавов пониженной плотности, повышенной прочности, вязкости разрушения, с высокими усталостными характеристиками, а также освоения промышленного металлургического производства полуфабрикатов из них является актуальной задачей.

Из предшествующего уровня техники (Патент РФ №2180930, опубл. 27.03.2002 г.) известен сплав на основе алюминия состава (масс.%):

Медь 3,0-3,5 Литий 1,5-1,8 Цирконий 0,05-0,12 Скандий 0,06-0,12 Кремний 0,02-0,15 Железо 0,02-0,2 Бериллий 0,0001-0,02

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

Магний 0,1-0,6 Цинк 0,02-1,0 Марганец 0,05-0,5 Германий 0,02-0,2 Церий 0,05-0,2 Иттрий 0,005-0,02 Титан 0,005-0,05 Алюминий Остальное,

при соотношении содержания меди и лития 1,9-2,3.

Недостатками этого сплава являются недостаточно высокие прочностные свойства и ударопрочность, что не позволяет использовать его в изделиях нового поколения для сварных топливных баков, конструктивных элементов, работающих в особо нагруженных зонах или подвергающихся высоким ударным нагрузкам.

Из уровня техники (Патент РФ №2163940, 10.03.2001 г.) известен сплав на основе алюминия состава (масс.%):

Медь 2,5-3,5 Литий 1,5-1,95 Цирконий 0,05-0,15 Скандий 0,01-0,15 Кальций 0,001-0,05 Хром 0,01-0,3 Водород 1,5·10^-5-5,0·10^-5

по крайней мере, один элемент из группы, включающей:

Магний 0,01-0,6 Титан 0,005-0,009 Бор 0,0002-0,007 Марганец 0,005-0,6 Ванадий 0,01-0,15 Церий 0,005-0,2 Железо 0,01-0,5

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

Цинк 0,01-0,8 Олово 0,0005-0,1 Никель 0,005-0,15 Бериллий 0,0001-0,2 Натрий 0,0003-0,001 Алюминий Остальное

Недостатками этого сплава являются недостаточно высокие прочностные свойства при высоких характеристиках вязкости разрушения, что не позволяет использовать его в особо нагруженных зонах изделий нового поколения.

Известен также (см. Патент US 8118950 В2, 21.02.2012 г.) сплав на основе алюминия состава (масс.%):

Медь 3,4-4,2 Литий 0,9-1,4 Магний 0,1-0,6 Серебро 0,3-0,7 Цинк 0,2-0,8 Марганец 0,1-0,6 Цирконий 0,05-0,15 Алюминий Остальное

Недостатком этого сплава являются недостаточно высокие прочностные свойства при высоких характеристиках вязкости разрушения, что также не позволяет использовать его в особо нагруженных зонах изделий нового поколения.

Известен также (см. (Патент US 7229509, 12.06.2007 г.) сплав на основе алюминия состава (мас.%):

Медь 2,5-5,5 Литий 0,1-2,5 Магний 0,2-1,0 Марганец 0,2-0,8 Серебро 0,2-0,8

и, по крайней мере, один элемент, выбранный из группы, включающей цирконий, хром, титан, гафний, скандий или ванадий в количестве ≤0,4 масс.%,

Алюминий остальное

Этот сплав, имея высокие прочностные свойства, обладает пониженными значениями трещиностойкости, что затрудняет его использование в особо нагруженных зонах изделий нового поколения.

Из уровня техники (см. Патент FR 2938553, 31.12.2010 г.) известен сплав на основе алюминия состава (масс.%):

Медь 2,0-3,5 Литий 1,4-1,8 Магний 0,1-1,0 Марганец 0,2-0,6 Серебро 0,1-0,5 Цирконий 0,05-0,18

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

Хром 0,05-0,3 Скандий 0,05-0,3 Гафний 0,05-0,5 Титан 0,01-0,15 Алюминий Остальное

Этот сплав, имея высокие прочностные свойства, обладает пониженными значениями трещиностойкости, что также затрудняет его использование в особо нагруженных зонах изделий нового поколения.

Наиболее близким аналогом по химическому составу к предлагаемому сплаву, принятому за прототип (см. Патент РФ №2237098, 27.09.2004 г.), является сплав на основе алюминия системы алюминий-медь-литий следующего химического состава (масс.%):

Медь 3,2-4,5 Литий 1,0-1,7 Магний 0,01-0,5 Серебро 0,15-1,5 Железо 0,02-0,5 Кремний 0,01-0,3

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

Цирконий 0,02-0,25 Скандий 0,02-0,25 Марганец 0,003-0,5 Цинк 0,001-0,5 Алюминий Остальное

Этот сплав является высокопрочным, высокомодульным, пониженной плотности, коррозионностойким, сваривается всеми видами сварки, технологичен при литье и обработке давлением. Недостатком этого сплава является недостаточно высокая вязкость разрушения массивных полуфабрикатов при высокой прочности, что не позволяет его использовать в особо нагруженных зонах изделий нового поколения.

Технической задачей изобретения является создание сплава пониженной плотности на основе алюминия и изделия из него, обладающего высокими механическими свойствами.

Техническим результатом изобретения является создание сплава пониженной плотности на основе алюминия и изделия из него, обладающего высокими прочностными свойствами и вязкостью разрушения.

Для достижения заявленного технического результата предложен сплав на основе алюминия, содержащий медь, литий, магний, серебро, цирконий, железо, кремний и, по крайней мере, один элемент, выбранный из группы, включающей скандий, марганец, титан, церий, кальций, при следующем соотношении компонентов (масс.%):

Медь 3,5-4,5 Литий 0,9-1,5 Магний 0,01-0,6 Серебро 0,05-0,7 Цинк 0,05-0,8 Цирконий 0,01-0,2 Железо 0,01-0,1 Кремний 0,01-0,1

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

Скандий 0,01-0,2 Марганец 0,01-0,5 Титан 0,01-0,2 Церий 0,05-0,2 Кальций 0,001-0,25 Алюминий Остальное

Предпочтительно, соотношение содержания меди к литию составляет 2,5-4,0.

Повышенные характеристики статической прочности обеспечиваются большим количеством дисперсных частиц: серебро и магний в небольших количествах, задерживая диффузию меди, стимулируют выделение при старении большего числа частиц стабильной фазы T₁ в дисперсной форме и располагаются в ее периферийной зоне. Серебро также усиливает выделение дисперсных упрочняющих Ω'-фаз при искусственном старении, что обеспечивает высокий уровень прочностных свойств.

Цирконий и скандий, являясь модифицирующими добавками, обеспечивают получение мелкозернистой структуры в слитке, задерживают процессы рекристаллизации при получении полуфабрикатов и улучшают свариваемость, повышают устойчивость к коррозии. За счет их введения обеспечивается получение полигонизованной структуры в горячедеформированных полуфабрикатах и, как следствие этого, повышение механических свойств. Кальций является модификатором литой структуры, задерживает процессы рекристаллизации, повышает технологичность при холодной деформации.

Введение в сплав небольших добавок РЗМ позволяет получить повышенную прочность, пластичность, а в некоторых случаях жаропрочность полуфабрикатов. Многие из этих элементов являются модификаторами литой структуры и антирекристаллизаторами (Sc, Се и др.). Температурный интервал растворения РЗМ в алюминиевом расплаве 600-730°C, что позволяет без дополнительных усилий - в чистом виде - вводить РЗМ в расплав, т.к. температурный интервал проведения плавки алюминиевых сплавов 700-750°C.

Введение марганца и/или цинка, а также титана при наличии циркония, скандия и серебра приводит к более равномерному распределению избыточных вторичных растворимых фаз по сечению зерна. Кроме того, наличие большого количества дисперсоидных фаз, образованных цирконием и скандием в присутствии серебра, обеспечивает формирование в полуфабрикатах зон с мелкозернистой рекристаллизованной структурой по механизму непрерывной рекристаллизации, подобной полигонизованной, что обеспечивает структурное упрочнение и высокие характеристики вязкости.

Таким образом, совокупность элементов в сплаве в указанных количествах позволяет получать высокие характеристики прочности и вязкости разрушения полуфабрикатов.

Указанное соотношение концентраций меди к литию обеспечивает дополнительные преимущества: пониженную плотность сплава, хорошую свариваемость, технологичность и требуемый уровень механических свойств.

Пример осуществления

Цилиндрические слитки диаметром 70 мм из сплавов четырех составов были отлиты полунепрерывным методом.

Гомогенизированные по режиму 520°C 20 ч слитки нагревали перед ковкой в электропечи, затем изготавливали поковки толщиной 60 мм. Поковки закаливали в воде после выдержки при температуре 530°C в течение 30 мин и искусственно старили при температуре 160°C в течение 10-20 ч.

Упомянутые режимы были применены ко всем четырем сплавам с химическим составом, указанным в таблице 1.

Результаты испытания механических свойств поковок в состоянии Т1 (закалка + искусственное старение) приведены в таблице 2, из которой следует, что предложенный сплав обладает наилучшим сочетанием высокой прочности и вязкости разрушения изделий из этого сплава (например, полуфабрикатов).

Сопоставление полученных свойств показывает, что применение полуфабрикатов из предложенного сплава для силового набора позволит повысить весовую эффективность изделий за счет повышенной удельной прочности, трещиностойкость при сохранении высокого уровня прочностных свойств.

Таблица 1 Химический состав поковок из опробованных композиций предложенного и известного сплавов Сплав № состава сплава Cu Li Mg Ag Zr Sc Се Ti Fe Si Mn Zn Ca Al Предложенный 1 4,2 1,5 0,6 0,5 0,15 0,05 - - 0,05 0,03 0,01 0,25 0,25 ост 2 3,6 0,9 0,01 0,7 0,2 0,01 0,05 0,01 0,01 0,01 0,5 0,8 0,001 ост 3 4,5 1,2 0,3 0,05 0,1 - 0,2 0,1 0,05 0,03 0,25 0,25 0,1 ост 4 3,5 1,4 0,5 0,5 0,01 0,2 - 0,2 0,05 0,03 - 0,05 0,1 ост Известный - 3,6 1,2 0,3 0,5 0,1 0,1 - - 0,1 0,1 0,1 - - ост

Таблица 2 Свойства поковок из предложенного и известного сплавов в состоянии Т1 Сплав № сплава Предел прочности, σ_B, МПа Предел текучести σ_0,2, МПа Относительное удлинение δ, % Вязкость разрушения К_1С, МПа√м Предложенный 1 600 560 9,0 40,0 2 580 550 9,0 40,0 3 560 540 8,5 41,0 4 560 540 9,0 40,0 Известный - 580 550 8 23,0

Изобретение относится к области металлургии, в частности к высокопрочным сплавам пониженной плотности с повышенной вязкостью разрушения на основе системы алюминий-медь-литий, и может быть использовано для изготовления элементов конструкций в авиакосмической промышленности, таких как лонжероны, балки, шпангоуты и т.д. Сплав содержит, мас.%: медь 3,5-4,5, литий 0,9-1,5, магний 0,01-0,6, серебро 0,05-0,7, цинк 0,05-0,8, цирконий 0,01-0,2, железо 0,01-0,1, кремний 0,01-0,1, марганец 0,01-0,5, кальций 0,001-0,25, по крайней мере, один элемент, выбранный из группы, включающей скандий 0,01-0,2, титан 0,01-0,2, церий 0,05-0,2, алюминий - остальное. Предпочтительно, соотношение содержания меди к литию составляет 2,5-4,0. Техническим результатом изобретения является создание сплава пониженной плотности на основе алюминия и изделия из него, обладающего высокими прочностными свойствами и вязкостью разрушения. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 пр., 2 табл.

1. Высокопрочный сплав на основе алюминия, содержащий медь, литий, магний, серебро, цинк, цирконий, железо, кремний, марганец, кальций и, по крайней мере, один элемент, выбранный из группы, включающей скандий, титан, церий, отличающийся тем, что указанные компоненты находятся в следующем соотношении, мас.%:
Медь 3,5-4,5 Литий 0,9-1,5 Магний 0,01-0,6 Серебро 0,05-0,7 Цинк 0,05-0,8 Цирконий 0,01-0,2 Железо 0,01-0,1 Кремний 0,01-0,1 Марганец 0,01-0,5 Кальций 0,001-0,25

2. Высокопрочный сплав на основе алюминия по п. 1, отличающийся тем, что соотношение содержания меди к литию составляет 2,5-4,0.

3. Изделие, выполненное из высокопрочного сплава на основе алюминия, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п. 1 или 2.