ВЫСОКОПРОЧНЫЙ ДЕФОРМИРУЕМЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ Российский патент 2016 года по МПК C22C21/12 

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии сплавов, в частности деформируемых термически упрочняемых алюминиевых сплавов системы Al-Cu-Mg-Ag, предназначенных для использования в качестве высокопрочных конструкционных материалов в авиационно-космической промышленности.

Жаропрочные алюминиевые сплавы системы Al-Cu-Mg, легированные серебром, широко используются в авиакосмической промышленности и машиностроении. Основное свое применение они нашли в качестве материалов для изготовления различных элементов силового набора и обшивки фюзеляжа, крыла, летательных аппаратов, силовых элементов конструкций в автомобильной промышленности. Данные сплавы характеризуются уникальным сочетанием прочностных характеристик и высокой вязкостью разрушения. Однако непрерывное усовершенствование используемых конструкций и стремление улучшить свойства материала с целью снижения расходов на эксплуатацию, обслуживание и ремонт, улучшения экономичности и характеристик изделия приводят к поиску новых сплавов, обеспечивающих необходимый комплекс свойств.

Известен высокопрочный сплав серии АА2000 на основе алюминия (US №5652063, опубл. 29.07.1997), следующего состава (мас. %):

Медь 4,85-5,3

Магний 0,5-1,0

Марганец 0,4-0,8

Серебро 0,2-0,8

Цирконий 0,05-0,25

Кремний ≤ 0,1

Железо ≤ 0,1

Предпочтительное соотношение Cu/Mg между 5 и 9 и наиболее предпочтительное между 6 и 7,5.

Также известен высокопрочный сплав системы Al-Cu-Mg для работы в интервале температур от 0°С до 250°С (US №4772342, опубл. 20.09.1988).

Химический состав данного изобретения (в мас.%):

Медь 5-7

Магний 0,3-0,8

Серебро 0,2-1

Марганец 0,3-1

Цирконий 0,1-0,25

Ванадий 0,05-0,15

Кремний <0,1

В состоянии Т6 указанный сплав имеет следующие характеристики прочности: при комнатной температуре предел текучести при растяжении составляет 510 МПа, при 200°С этот же показатель равен 400 МПа и при 250°С около 300 МПа. Предел ползучести при 180°С после 500 ч выдержки равен 250 МПа.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является сплав Al-Cu-Mg, подходящий для авиационно-космического применения (RU №2418876, опубл. 20.05.2011), следующего состава (мас. %):

Медь 4,1-5,5

Магний 0,30-1,6

Марганец 0,15-0,8

Титан 0,03-0,4

Хром 0,05-0,4

Серебро <0,7

Цирконий <0,2

Железо <0,20, предпочтительно <0,15

Кремний <0,20, предпочтительно <0,15

Остаток составляет алюминий и другие примеси или случайные элементы, каждый <0,05%, в сумме <0,15%.

Механические свойства сплава в состоянии Т3 при комнатной температуре равны: предел текучести при растяжении 328-334 МПа, предел прочности 441-466 МПа, удлинение до разрушения ~ 22%.

Cуществующие сплавы обладают достаточным уровнем механических свойств, однако для создания новых конструкций, отвечающих требованиям экономичности и эффективности, необходим материал, рабочие характеристики которого превосходят достигнутый уровень. Таким образом, существует необходимость в создании нового сплава, обладающего улучшенным комплексом надлежащих механических свойств.

Основной задачей предлагаемого изобретения является разработка алюминиевого сплава системы Al-Cu-Mg-Ag, обладающего повышенным по сравнению с существующими сплавами уровнем механических свойств (ударная вязкость, предел текучести условный, предел прочности, относительное удлинение после разрыва).

Задача решается за счет того, что в сплав на основе алюминия, содержащий медь, магний, марганец, серебро, титан, хром, цирконий, железо, кремний, дополнительно введены ванадий и цинк, а также снижено содержание железа и кремния, причем компоненты взяты в следующих соотношениях, мас. %:

Медь от более 5,0 до 5,5

Магний 0,2-0,8

Марганец 0,2-0,6

Серебро 0,4-0,8

Титан 0,05-0,2

Хром 0,02-0,1

Цирконий 0,05-0,2

Ванадий <0,1

Цинк <0,25

Железо <0,1

Кремний <0,1

Алюминий - остальное

Наличие меди, магния и серебра в сплаве обеспечивает образование дополнительной тонкодисперсной упрочняющей Ω-фазы, благодаря которой сплавы этой системы легирования обладают уникальным комплексом механических свойств, такие как высокая прочность, сопротивление ползучести и вязкость разрушения, значительная усталостная долговечность. Комплексное легирование переходными металлами, такими как марганец, титан, цирконий и ванадий, при относительно низком содержании каждого компонента позволяет повысить плотность дисперсных частиц и избежать появления первичных интерметаллидов при литье сплава.

Техническим результатом изобретения является сплав, обладающий улучшенными механическими прочностными характеристиками, который может быть использован при производстве полуфабрикатов в виде катаных плит и листов, поковок и прессованных прутков.

Примеры осуществления

Пример 1

Были отлиты два сплава: по прототипу и предлагаемого химического состава (табл.1). Сплавы были гомогенизированы при 525°С в течение 24 ч. Далее следовала горячая прокатка при 420°С до суммарной степени деформации ~ 80%, холодная прокатка со степенью деформации ~ 70% и закалка заготовок с 510°С (выдержка 1 ч) в холодную воду. Затем полученные полуфабрикаты выдерживались при комнатной температуре в течение 4 часов, после чего следовало предрастяжение листов на 2% деформации и естественное старение в течение 5 дней (состояние Т3).

В таблице 1 представлен химический состав предлагаемого сплава и прототипа, а результаты сравнения механических испытаний на растяжение по ГОСТ 1497-84 при комнатной температуре представлены в таблице 2 (состояние Т3). Образцы вырезались вдоль направления прокатки.

Таблица 1

  Cu Mg Mn Ag Ti Zr Zn V Cr Fe Si Al Прототип 5.1 0.58 0.3 0.2 0.1 <0.01 - - <0.004 <0.06 <0.04 Ост. Предлагаемый сплав 4.7 0.5 0.35 0.5 0.15 0.14 0.2 0.05 0.04 <0.04 <0.03 Ост.

Таблица 2

Прототип Предлагаемый сплав σ_0.2, MПa σ_в, МПa δ, % σ_0.2, MПa σ_в, МПa δ, % 335 466 22,6 360 490 20

В таблице 2: σ_0.2 - предел текучести условный; σ_в - предел прочности; δ, % - относительное удлинение после разрыва.

Как видно из таблицы 2, механические свойства предлагаемого сплава существенно выше, чем прототипа. Это позволяет применять предлагаемое изобретение при практическом производстве различных полуфабрикатов, таких как поковки, плиты, листы, свариваемые детали.

Пример 2

Предлагаемый сплав с содержанием легирующих элементов, как указано в таблице 1, был получен методом литья, затем слиток гомогенизировали при 525°С в течение 24 ч. Далее из полученной заготовки вырезали прутки, которые подвергали равноканальному угловому прессованию при 400°С до суммарной степени деформации ~ 2. Затем полученную заготовку закаливали в воду с температуры 520°С, выдержка 1 ч, и подвергали холодной прокатке до суммарной степени деформации ~ 20% и искусственному старению при 190°С в течение 2 ч (состояние Т82). Образцы для механических испытаний вырезались вдоль и поперек направления прокатки, результаты испытаний при комнатной температуре приведены в таблице 3. Механические испытания на растяжение проводились по ГОСТ 1497-84, на определение ударной вязкости − по ГОСТ 9454-78, тип образца KCV.

Механические свойства предлагаемого сплава в состоянии Т82 при комнатной температуре приведены в таблице 3.

Таблица 3

Номер образца σ_0.2, MПa σ_в, МПa δ, % Ударная вязкость, Дж/см² 1 490 540 10.5 33.5 2 495 535 10.0 34.0

Таким образом, предлагаемый химический состав сплава обладает уникальным комплексом механических свойств, таких как: высокая прочность, сопротивление ползучести и вязкость разрушения, значительная усталостная долговечность. Значительно улучшенные характеристики алюминиевого сплава позволят изготавливать детали для авиационно-космической промышленности. Сплав может быть обработан до изделий различных форм, например лист, плита, кованое изделие, экструдированный пруток, может быть без покрытия или может иметь покрытие с целью дополнительного улучшения коррозионных свойств.

Изобретение относится к области металлургии сплавов, в частности деформируемых термически упрочняемых алюминиевых сплавов системы Al-Cu-Mg-Ag, предназначенных для использования в качестве высокопрочных конструкционных материалов в авиационно-космической промышленности. Сплав содержит, мас. %: медь 4,0-5,5, магний 0,2-0,8, марганец 0,2-0,6, серебро 0,4-0,8, титан 0,05-0,2, хром 0,02-0,1, цирконий 0,05-0,2, ванадий <0,1, цинк <0,25, железо <0,1, кремний <0,1, алюминий - остальное. Техническим результатом изобретения является повышение уровня прочностных свойств алюминиевого сплава. 2 пр., 3 табл.

Высокопрочный деформируемый сплав на основе алюминия, содержащий медь, магний, марганец, серебро, титан, хром, цирконий, железо и кремний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит ванадий и цинк при следующем соотношении компонентов, мас. %:
медь от более 5,0 до 5,5 магний 0,2-0,8 марганец 0,2-0,6 серебро 0,4-0,8 титан 0,05-0,2 хром 0,02-0,1 цирконий 0,05-0,2 ванадий <0,1 цинк <0,25 железо <0,1 кремний <0,1 алюминий остальное