ВЫСОКОПРОЧНЫЙ ТЕРМОСТОЙКИЙ МЕЛКОЗЕРНИСТЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ Al-Cu-Mn-Mg-Sc-Nb-Hf И ИЗДЕЛИЕ ИЗ НЕГО Российский патент 2021 года по МПК C22C21/16 C22C21/06 

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к сплавам на основе алюминия, который может быть применен в аэрокосмической промышленности для изготовления поковок сложной формы.

Уровень техники

Из уровня техники известен сплав и изделие, выполненное из него [RU 2280705, опубл. 27.02.2006, бюл. №6, С22С 21/08], содержащие следующее соотношение компонентов, мас. %: магний 4,2-6,5; марганец 0,5-1,2; цинк до 0,2; хром до 0,2; титан до 0,15; кремний до 0,25; железо до 0,3; медь до 0,1; цирконий 0,05-0,3 по крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей скандий 0,05-0,3; бериллий 0,0001-0,01; иттрий 0,001-0,1; неодим 0,001-0,1; церий 0,001-0,1; алюминий остальное.

Недостатком данного сплава является то, что при высоком содержании магния, невозможна высокотемпературная обработка сплава, для получения пересыщенного твердого раствора. Температурные ограничения повышают также требования к технологии производства и снижают эффективность ряда задействованных элементов.

Известен сплав на основе алюминия, обладающий повышенной прочностью [2371503, опубл. 27.10.2009, бюл. №30, С22С 21/10], который содержит следующие компоненты, мас. %: цинк 10,0-11,0, магний 2,4-2,8, медь 1,0-1,2, цирконий 0,28-0,32, марганец 0,04-0,06, титан 0,012-0,018, хром 0,05-0,1, бериллий 0,0001-0,0003, серебро 0,24-0,3, вольфрам 0,02-0,03, гафний 0,002-0,003, алюминий - остальное.

Недостатком данного сплава является то, что для получения высокой прочности требуется операция закалка + искусственное старение при температуре 120-140°С. Сплав резко теряет свои свойства при температурах свыше 100°С, в связи с перестариванием.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является сплав 01570 [ГОСТ 4784-2019// [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://files.stroyinf.ru/Data2/1/4293728/4293728395.pdf., страница 12], имеющий химический состав (мас. %): до 0,3 Fe; 0,2 Si; 0,4-0,6 Mn; Ti 0,01-0,05; Cu 0,1; Mg 5,3-6,3; Zn 0,1, Sc 0,17-0,27 и Zr 0,05-0,15, Be 0,0002-0,005 ост. алюминий. Это термонеупрочняемый деформируемый сплав системы Al-Mg обладает хорошей пластичностью и повышенными прочностными характеристиками. Сплав хорошо соединяется точечной и шовной сваркой. Прочность сварного шва составляет 0,8-0,9 σ_в основного материала. Сплав 01570 нашел применение в аэрокосмической промышленности. Благодаря наличию скандия в химическом составе сплава условный диаметр зерна уже после кристаллизации слитка может быть уменьшен до 40 мкм. Дальнейшее измельчение структуры не представляется возможным, так как температура рекристаллизации этого сплава, выше температуры пережога и рекристаллизационный отжиг не может быть использован в качестве основного инструмента при измельчении микроструктуры. Измельчение микроструктуры в этом сплаве возможно только при применении интенсивной пластической деформации (ИПД). В отожженном состоянии предел прочности достигает 430 МПа при комнатной температуре, а предел текучести до 289 МПа. Однако, сплав резко теряет свои свойства в случае, если при производстве изделий заготовка нагревалась до температур свыше 400°С. Отсюда следует основной недостаток сплава - ограничение по температуре обработки.

Задачей изобретения является создание алюминиевого сплава, склонного к сверхпластичности за счет мелкозернистой структуры, которую можно получить наиболее экономичным способом, не прибегая к интенсивной пластической деформации (ИПД).

Технический результат, на который направлено изобретение заключается в увеличении технологической пластичности и повышении механических свойств алюминиевого сплава. Это достигается за счет получения наиболее мелкого зерна по сравнению с традиционной системой легирования. Сплав включает в себя мас. %: магний 0,8-1,2, медь 1,6-1,9, Mn 1-1.2, Hf 0.5-0.6, Nb 0.26-0.3, Sc 0.26-0.3, примеси, в том числе железо, кремний, марганец, хром, ванадий, не более 0,2, алюминий - остальное. Он имеет микроструктуру со средним размером зерна не более 80 мкм и наноразмерные частицы термостабильных фаз Al₃(Sc_xHf_1-x) и Al₃(Nb_yHf_1-y) с кристаллической решеткой L1₂, которые равномерно распределены по объему зерен и имеют сферическую форму с размером не более 20 нм.

Обоснование заявляемых количеств легирующих компонентов, обеспечивающих достижение заданной структуры, в данном сплаве приведено ниже.

Скандий (Sc). Добавлением скандия в алюминиевые сплавы достигается значительное измельчение зеренной микроструктуры, как при первичной кристаллизации, так и при рекристаллизации. Дополнительно дисперсные частицы Al₃Sc определенного диапазона размеров, сами повышают прочностные характеристики сплава. Частицы образуются на стадии термической обработки сплава в литом или деформированном состоянии.

Ниобий (Nb). Помимо того, что ниобий сам образует частички типа Al₃Nb, он еще и своим присутствием снижает необходимую концентрацию скандия, для получения требуемого, как модифицирующего эффекта, так и упрочняющего. При совместном легировании снижается требуемое количество скандия до 0,2%.

Гафний (Hf). Задача гафния в данном сплаве увеличить термостабильность частиц Al₃SC и Al₃Nb, при распаде пересыщенного твердого раствора, гафний выделяется на периферии частиц Al₃Sc и Al₃Nb, останавливая их дальнейший рост, в результате которого теряется эффективность этих частиц

Изобретение поясняется следующими фигурами:

на фиг. 1 - представлен общий вид микроструктуры сплава после литья, размер зерна 45 мкм,

на фиг. 2 - представлены изображения с просвечивающего микроскопа; а - светлое поле; б - микроэлектронограмма; в, г - темные поля, полученные в рефлексах [002]Al+[200]Al₃Sc+[200]Al₃Hf; [004] Al₃Hf+[116] Nb(CuAl); на (б) стрелками указаны рефлексы, в которых получены темные поля: 1 - (в), 2 - (г). Размер частиц Al₃Sc (фиг. 2, в) - (10-17) нм.

на фиг. 3 - показано изменение твердости, электропроводимости и размера зерна в процессе обработки.

Отливка может производиться в существующих промышленных агрегатах как непрерывного литья, так и литьем в кокиль. Диапазон скоростей охлаждения от 1°С/сек до 10°С/сек, от скорости охлаждения напрямую зависит размер зерна, при скоростях охлаждения 10°С/сек, средний размер зерна может быть уменьшен до 40 мкм. Для выравнивания химического состава внутри зерна рекомендуется проводить гомогенизацию при температуре 600°С при выдержке не менее 8 ч. Обработанную давлением заготовку, отжигают при температуре 300°С - 4 часа, в результате чего происходит распад пересыщенного раствора и образуются частицы структуры L12, которые в свою очередь блокируют рост границ зерен, сдерживая процесс рекристаллизации при температурах обработки алюминиевых сплавов (до 500°С). Обработанная заготовка имеет волокнистую структуру, которая при температуре свыше 540°С подвержена рекристаллизации, размер зерна при этом уменьшается в два раза по сравнению от размера зерна на предыдущей операции. Таким образом после двух циклов обработки, размер зерна достигает 10 мкм, а после 3-х циклов менее 10 мкм.

Для формирования мелкозернистой структуры, повышения механических свойств и получения высокой термостабильности упрочняющих частиц химический состав должен соответствовать следующему диапазону: магний 0,8-1,2, медь 1,6-1,9, Mn 1-1.2, Hf 0.5-0.6, Nb 0.26-0.3, Sc 0.26-0.3, примеси, в том числе железо, кремний, марганец, хром, ванадий, не более 0,2, алюминий - остальное.

Плавку проводили в индукционной печи средней частоты емкостью 10 кг. Масса отливаемого слитка составляла 3 кг. Шихтовые материалы загружаются в тигель и, поглощая электромагнитную энергию, плавятся.

В качестве шихты для приготовления плавок использовались следующие материалы:

- первичный алюминий высокой чистоты марки А95;

- чушковый Магний первичный марки МГ90;

- медь, дробленная марки M1;

- лигатура в виде слитка Al-Sc₂, Al-Nb₂, Al-Hf₂;

- легирующие таблетки марки Mn₉₀Al₁₀.

Все шихтовые материалы перед загрузкой в печь взвешивались на электронных весах МЕХЭЛЕКТРОН-М ВР4900 до 15 кг с погрешностью 5 г и на электронных весах МИДЛЕНА 251 до 500 г с погрешностью 0,1 г.

Загрузка шихтовых материалов в печь производилась вручную. В первую очередь производилась загрузка первичного алюминия высокой чистоты и его плавление. После расплавления загруженной шихты и достижения температуры 730°С производилось снятие шлака с поверхности расплава. Далее расплав нагревался до температуры 780-800°С и производилась присадка лигатур Al-Sc₂, Al-Nb₂, Al-Hf₂ порциями по 300 г с последующим перемешиванием и выдержкой расплава в течение 5 мин и нагревом расплава до температуры присадки следующей порции. После присадки всей рассчитанной лигатуры расплав охлаждался до температуры 740°С и производилась присадка легирующих компонентов (Mg, Mn) по расчету. Далее производилось перемешивание расплава в течение 3-х минут с последующим нагревом расплава до температуры 740°С и отбор пробы на экспресс-анализ химического состава плавки. Результаты химического состава всех опытных плавок представлены в таблице 1. Температура литья 720-740°С.

Перед сливом расплава в кокиль, производилось рафинирование расплава карналлитовым флюсом из расчета 2 г на 1 кг загруженной шихты. Далее с поверхности расплава снимался шлак, и производился слив металла в кокиль из конструкционной стали, предварительно разогретый до температуры 300°С. Разливка металла производилась равномерной струей в течение 40 сек. После кристаллизации слиток извлекался из кокиля охлаждался в воде и отправлялся на исследования. Гомогенизацию проводили при 600°С - 8 часов в муфельной печи THERM CONCEPT КМ 70/06/А. После гомогенизации проводили гетерогенизационный отжиг при 300°С - 4 часа для выделения частиц структуры L12. Далее производили деформационную обработку на лабораторном стане К220-75/300, слиток нагревался до температуры 380°С и подвергался прокатке по два прохода, с суммарной степенью деформации 60%. Вышеприведенный цикл был повторен еще 3 раза, и размер зерна составил 8 мкм. После прокатки полученные полосы отжигались при температуре 540°С в течение 2-х часов.

Из полученных заготовок были изготовлены образцы для исследований микроструктуры, механических свойств, электропроводности и микротвердости. Зеренную микроструктуру изучали на оптическом микроскопе с подсчетом размера зерна методом секущих. Эксперименты показали последовательное уменьшение размера зерна с каждым переходом, 71 мкм - 53 мкм - 27 мкм - 16 мкм - 8 мкм, соответственно.

Частицы наноразмерных термостабильных фаз структуры L1₂ определялись методом просвечивающей электронной микроскопии на микроскопе фирмы Jeol JEM 2100. В отливке до гомогенизации их размер не превышал 5 нм, после гомогенизации размер частиц колебался в интервале 10-17 нм, после гетерогенизационного отжига размер не превышает 20 нм.

Механические испытания образцов осуществляли в соответствии с требованиями ГОСТ 1497-84 «Металлы. Методы испытаний на растяжение». Прочностные характеристики сплава не уступают характеристикам высокопрочного сплава АМг6, а именно предел прочности 276 МПа, предел текучести 161 МПа, относительное удлинение 12,8%.

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к сплавам на основе алюминия, которые могут быть использованы в аэрокосмической промышленности для изготовления поковок сложной формы. Высокопрочный термостойкий мелкозернистый сплав системы Al-Cu-Mn-Mg-Sc-Nb-Hf содержит, мас. %: Mg 0,8-1,2, Cu 1,6-1,9, Mn 1-1,2, Hf 0,5-0,6, Nb 0,26-0,3, Sc 0,26-0,3, примеси, в том числе железо, кремний, хром, ванадий, не более 0,2, алюминий - остальное, при этом сплав имеет микроструктуру со средним размером зерна не более 80 мкм и наноразмерными частицами термостабильных фаз Al₃(Sc_xHf_1-x) и Al₃(Nb_yHf_1-y) с кристаллической решеткой L12, которые равномерно распределены по объему зерен и имеют сферическую форму с размером не более 20 нм. Изобретение направлено на увеличение технологической пластичности и повышение механических свойств алюминиевого сплава. 2 н.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.

1. Высокопрочный термостойкий мелкозернистый сплав системы Al-Cu-Mn-Mg-Sc-Nb-Hf, содержащий, мас. %: Mg 0,8-1,2, Cu 1,6-1,9, Mn 1-1,2, Hf 0,5-0,6, Nb 0,26-0,3, Sc 0,26-0,3, примеси, в том числе железо, кремний, хром, ванадий, не более 0,2, алюминий - остальное, при этом сплав имеет микроструктуру со средним размером зерна не более 80 мкм и наноразмерными частицами термостабильных фаз Al₃(Sc_xHf_1-x) и Al₃(Nb_yHf_1-y) с кристаллической решеткой L12, которые равномерно распределены по объему зерен и имеют сферическую форму с размером не более 20 нм.

2. Кованое изделие сложной формы для аэрокосмической промышленности, выполненное из высокопрочного термостойкого мелкозернистого сплава системы Al-Cu-Mn-Mg-Sc-Nb-Hf, отличающееся тем, что оно изготовлено из сплава по п. 1.