СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЛАСТИНЧАТОГО ИЗДЕЛИЯ ИЗ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА СЕРИИ 7XXX, ИМЕЮЩЕГО УЛУЧШЕННОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ УСТАЛОСТНОМУ РАЗРУШЕНИЮ Российский патент 2021 года по МПК C22F1/53 C22C21/10 

Настоящее изобретение относится к способу изготовления пластинчатого изделия из алюминиевого сплава серии 7ххх, имеющего улучшенное сопротивление усталостному разрушению. Пластинчатое изделие идеально подходит для применения в авиакосмическом машиностроении, например, для панелей и элементов обшивки крыльев, а также для других высокопрочных конечных изделий.

Уровень техники

Сплавы типа Al-Zn-Mg-(Cu) или серии АА7ххх использовались в конструкциях самолетов более 50 лет, и особенно в элементах крыла, например, среди прочего, применялись сплавы серии АА7055. Эти алюминиевые сплавы обладают необходимым балансом прочности, вязкости разрушения и коррозионной стойкости, и особенно хорошо подходят для авиакосмического машиностроения, например, в верхних панелях обшивки крыла. Это раскрыто, например, в патенте США №5221377. В этом патенте США раскрывается, что для получения таких высоких механических характеристик сплавы необходимо подвергнуть трехступенчатому процессу искусственного старения. Однако в этом патенте США не рассматривается свойство сопротивления усталостному разрушению сплавов АА7055.

Известно, что высокопрочные конструктивные компоненты, которые отличаются долговечностью и устойчивостью к повреждениям, а также сопротивлением усталостному разрушению, очень желательны для производителей самолетов. Долговечность и устойчивость к повреждениям могут привести к увеличению интервалов между осмотрами самолетов. Для самолета обычно требуются два типа осмотров: первоначальный осмотр и периодический осмотр в течение срока службы самолета. Каждый вид осмотра является очень дорогостоящим, поскольку для проведения осмотра самолет должен быть выведен из эксплуатации. Осмотры могут потребовать подробного визуального осмотра и обширных неразрушающих испытаний внешних и внутренних конструкций.

В патенте США №7097719 раскрыто, что сопротивление усталостному разрушению сплавов серии АА7055 может быть улучшено за счет использования оптимизированного состава сплава, позже зарегистрированного как сплав АА7255. Однако для достижения улучшенного сопротивления усталостному разрушению необходимо, чтобы сплавы АА7255 имели гораздо более жесткие верхние пределы уровней Si и Fe, чем сплав АА7055. В частности, в этом патенте США раскрывается, что изделия, изготовленные из сплава АА7255, имеющего более низкие уровни Si и Fe, чем АА7055 (т.е. концентрации Si и Fe ниже 0,06 мас. %, предпочтительно ниже 0,04 мас. %), демонстрируют лучшее сопротивление усталостному разрушению. В частности, в патенте США в разделе примеров раскрыто, что сплавы, содержащие менее 0,029 мас. % Si и менее 0,039 мас. % Fe (при сохранении содержания Cu, Mg, Zn и Zr в пределах диапазонов стандартного сплава АА7055), достигли повышения усталостной долговечности по сравнению с изделиями из стандартного сплава АА7055 при более высоком содержании Si и Fe. Соответственно, усталостная долговечность изделия из алюминиевого сплава АА7255 по сравнению с изделием из стандартного сплава АА7055 может быть улучшена. Такое улучшение увеличивает интервалы между осмотрами конструкции самолета. Однако поддержание содержания примесей Si и Fe на таком очень низком уровне увеличивает затраты на производимый алюминиевый сплав, так как необходимо использовать материалы с очень высокой степенью чистоты.

Поскольку усталостные характеристики, в частности сопротивление усталостному разрушению, являются важным техническим параметром для аэрокосмических материалов из алюминиевого сплава из-за циклических нагрузок, которые испытывает самолет при эксплуатации, существует необходимость в дальнейшем улучшении или дальнейшем повышении сопротивления усталостному разрушению сплавов серии АА7ххх, включая сплавы серии АА7055.

Таким образом, существует необходимость в сплавах типа Al-Zn-Mg-(Cu), имеющих желаемые свойства прочности, вязкости и коррозионной стойкости, а также высокое сопротивление усталостному разрушению. Также существует необходимость в конструктивных деталях самолета, которые демонстрируют высокое сопротивление усталостному разрушению.

Раскрытие сущности изобретения

Целью настоящего изобретения является предоставление способа изготовления пластинчатого изделия из алюминиевого сплава серии 7ххх, имеющего высокое сопротивление усталостному разрушению по сравнению со сплавами серии 7ххх и, в частности, с пластинчатыми изделиями из алюминиевого сплава АА7055 аналогичных размеров и степени твердости, которые получены с помощью традиционных способов.

Другой целью настоящего изобретения является предоставление пластинчатого изделия из алюминиевого сплава, имеющего улучшенное сопротивление усталостному разрушению по сравнению с пластинчатыми изделиями из АА7055.

Еще одной целью является предоставление конструктивных элементов для авиакосмического применения, таких как верхние обшивки крыла, из пластинчатого изделия из алюминиевого сплава с улучшенным сопротивлением усталости.

Эти и другие цели и дополнительные преимущества выполняются или перевыполняются благодаря настоящему изобретению, в котором предлагается способ изготовления прокатного пластинчатого изделия из алюминиевого сплава, имеющего конечную толщину или конечный калибр менее 75 мм, предпочтительно менее 50 мм, идеально подходящего для использования в качестве пластинчатого изделия для аэрокосмического применения с улучшенным сопротивлением усталостному разрушению, причем способ включает следующие этапы, выполняемые в указанном порядке:

(a) литье слитка из алюминиевого сплава серии 7ххх, причем алюминиевый сплав содержит (в мас. %):

(b) гомогенизацию и/или предварительный нагрев отлитого слитка;

(c) горячую прокатку слитка с получением пластинчатого изделия за счет прокатки слитка за несколько проходов прокатки, причем, когда промежуточная толщина пластины составляет от 80 до 220 мм, предпочтительно от 100 до 200 мм, осуществляют по меньшей мере один проход горячей прокатки с высокой степенью обжатия с уменьшением толщины по меньшей мере на 25%;

(d) необязательно термообработку на твердый раствор и охлаждение до температуры окружающей среды, предпочтительно посредством закалки, пластинчатого изделия;

(e) необязательно растяжение пластинчатого изделия, подвергнутого термообработке на твердый раствор;

(f) необязательно искусственное старение пластинчатого изделия.

Термин «содержащий» в контексте алюминиевого сплава следует понимать в том смысле, что сплав может содержать дополнительные легирующие элементы, как для примера описано ниже.

Способ согласно настоящему изобретению может быть применен к широкому ряду алюминиевых сплавов серии 7ххх, характеризующихся следующим составом, в мас. %,

один или более элементов, выбранных из группы, состоящей из следующего:

остаток: алюминий и примеси. Как правило, такие примеси присутствуют в количестве каждая <0,05%, всего <0,15%.

В дополнительном варианте осуществления алюминиевый сплав имеет химический состав в пределах диапазонов серий АА7010, АА7040, АА7140, АА7449, АА7050, АА7150, АА7055, АА7255, АА7081, АА7181, АА7085, АА7185, АА7090, АА7099, АА7199 и их модификаций.

В конкретном варианте осуществления алюминиевый сплав имеет химический состав в пределах диапазонов серии АА7055.

Как будет описано ниже, если не указано иное, обозначения алюминиевых сплавов и обозначения степени твердости относятся к обозначениям Ассоциации производителей алюминия в стандартах и данных по алюминию и записях реестра, которые опубликованы Ассоциацией производителей алюминия в 2016 г. и хорошо известны специалисту в данной области техники.

Для любого описания составов сплавов или предпочтительных составов сплавов все ссылки на проценты даны в процентах по массе, если не указано иное.

Используемые в настоящем документе термины «≤» и «до» и «приблизительно до» явно предусматривают, помимо прочего, возможность нулевого массового процента конкретного легирующего компонента, к которому они относятся. Например, до 0,4% Cr может предусматривать сплав без Cr.

В способе согласно настоящему изобретению предпочтительно не выполняют этап холодной прокатки при прокатке пластинчатого изделия до конечного калибра (толщины), чтобы избежать по меньшей мере частичной перекристаллизации во время последующего этапа термообработки на твердый раствор, приводящей к отрицательному влиянию на баланс технических свойств в конечном пластинчатом изделии.

Конечная толщина прокатного пластинчатого изделия составляет менее 75 мм, предпочтительно 50 мм, предпочтительно менее 45 мм, более предпочтительно менее 40 мм и наиболее предпочтительно менее 35 мм. В подходящих вариантах осуществления конечная толщина пластинчатого изделия составляет более 10 мм, предпочтительно более 12,5 мм, более предпочтительно более 15 мм и наиболее предпочтительно более 19 мм.

Алюминиевый сплав может быть предоставлен в виде прокатываемого слитка или сляба с помощью методик литья, известных в области литья изделий, например, литье DC (литье с прямым охлаждением), литье ЕМС (электромагнитное литье), литье EMS (литье с электромагнитным перемешиванием), и предпочтительно имеет толщину в диапазоне 300 мм или более, например 400 мм, 500 мм или 600 мм. Менее предпочтительно также могут использоваться слябы, полученные в результате непрерывного литья, например, на установках для ленточного литья или установках для литья в валках, которые, в частности, могут быть преимущественными при изготовлении конечных изделий меньшего калибра. Также можно использовать добавки, измельчающие зерна, например, содержащие титан и бор или титан и углерод, что хорошо известно в данной области техники. После литья прокатного материала из сплава, со слитка обычно удаляют поверхностный слой для удаления зон сегрегации возле литой поверхности слитка.

Затем прокатываемый слиток подвергают гомогенизации и/или предварительному нагреву.

В данной области техники известно, что термообработка с гомогенизацией преследует следующие цели: (i) растворить как можно больше грубых растворимых фаз, образующихся во время затвердевания, и (ii) уменьшить градиенты концентрации для упрощения этапа растворения. Обработка с предварительным нагревом также позволяет достичь некоторых из этих целей.

Обычно предварительный нагрев относится к нагреву слитка до заданной температуры и выдержке при этой температуре в течение заданного времени, за которым следует начало горячей прокатки приблизительно при этой температуре. Гомогенизация относится к циклу нагрева и охлаждения, применяемому к прокатываемому слитку, в котором конечная температура после гомогенизации равна температуре окружающей среды.

Обычную обработку с предварительным нагревом для сплавов серии АА7ххх, используемых в способе согласно настоящему изобретению, осуществляют при температуре от 400°С до 460°С с временем выдержки в диапазоне от 2 до 50 часов, обычно в течение 2-20 часов.

Сначала растворимые эвтектические фазы, такие как S-фаза, Т-фаза и М-фаза в материале сплава, растворяют с использованием стандартной промышленной практики. Это, как правило, осуществляют за счет нагрева материала до температуры менее 500°С, как правило, в диапазоне от 450°С до 490°С, поскольку S-фаза и эвтектическая фаза (фаза Al₂MgCu) имеют температуру плавления приблизительно 489°С в сплавах серии АА7ххх, а М-фаза (фаза MgZn₂) имеет температуру плавления приблизительно 478°С. Как известно в данной области техники, это может быть достигнуто обработкой с гомогенизацией в указанном диапазоне температур и охлаждением до температуры горячей прокатки, или после гомогенизации материал затем охлаждают и повторно нагревают перед горячей прокаткой. Обычный процесс гомогенизации также может быть выполнен за два или более этапов, если это необходимо, которые обычно осуществляются в диапазоне температур от 430°С до 490°С для сплавов серии АА7ххх. Например, в двухэтапном процессе первый этап осуществляют в диапазоне температур от 455°С до 465°С, а второй этап осуществляют в диапазоне температур от 470°С до 485°С для оптимизации процесса растворения различных фаз в зависимости от точного состава сплава.

Время выдержки при температуре гомогенизации согласно промышленной практике зависит от сплава, как хорошо известно специалисту, и обычно находится в диапазоне от 1 до 50 часов. Скорости нагрева, которые могут применяться, являются обычными в данной области техники.

Горячую прокатку слитка осуществляют за несколько проходов горячей прокатки, обычно в стане горячей прокатки. Количество проходов горячей прокатки, как правило, составляет от 15 до 35, предпочтительно от 20 до 29. После достижения горячекатаным пластинчатым изделием промежуточной толщины от 80 мм до 220 мм, предпочтительно от 100 мм до 200 мм, согласно способу применяют по меньшей мере один проход горячей прокатки с высокой степенью обжатия с уменьшением толщины по меньшей мере на приблизительно 25%, предпочтительно по меньшей мере на приблизительно 30% и наиболее предпочтительно по меньшей мере на приблизительно 35%. В подходящих вариантах осуществления уменьшение толщины на этом проходе с высокой степенью обжатия составляет менее 70%, предпочтительно менее 60%, более предпочтительно менее 50%. Термин «уменьшение толщины» в проходе прокатки, также называемый степенью обжатия, предпочтительно обозначает процентную долю, на которую уменьшается толщина пластины за один проход прокатки.

Такой по меньшей мере один проход горячей прокатки с высокой степенью обжатия не осуществляют в обычных промышленных методиках горячей прокатки при изготовлении пластинчатых изделий из сплавов серии 7ххх. Таким образом, проходы горячей прокатки от 80 мм до 220 мм согласно не имеющему ограничительного характера примеру настоящего изобретения могут быть описаны следующим образом: (если смотреть на промежуточную толщину пластины): 203 мм - 190 мм - 177 мм - 167 мм - 117 мм - 102 мм - 92 мм. Проход горячей прокатки с высокой степенью обжатия от 167 мм до 117 мм соответствует уменьшению толщины приблизительно на 30%. Для пластин из алюминиевого сплава, полученных с помощью традиционного процесса горячей прокатки, уменьшение толщины при каждом проходе горячей прокатки, как правило, составляет от 9% до 18%, когда промежуточная толщина составляет от 80 мм до 220 мм. Соответственно, проходы горячей прокатки от 80 мм до 220 мм согласно примерам традиционного способа могут быть описаны следующим образом (если смотреть на промежуточную толщину пластины): 203 мм - 188 мм - 166 мм - 144 мм - 124 мм -104 мм - 92 мм. Соответственно, способ согласно настоящему изобретению включает этап горячей прокатки, на котором осуществляют по меньшей мере один проход горячей прокатки с высокой степенью обжатия. Этот проход с высокой степенью обжатия характеризуется уменьшением толщины по меньшей мере на приблизительно 25%, предпочтительно по меньшей мере на приблизительно 30% и наиболее предпочтительно по меньшей мере на приблизительно 35%.

Проходы горячей прокатки в способе согласно настоящему изобретению до и после прохода с высокой степенью обжатия имеют степень обжатия, которая сравнима со степенью обжатия проходов горячей прокатки в традиционном способе горячей прокатки. Соответственно, каждый проход горячей прокатки до и после прохода горячей прокатки с высокой степенью обжатия может характеризоваться уменьшением толщины от 8% до 18%. Поскольку значения уменьшения толщины варьируют в зависимости от толщины пластины, например, в толстых пластинах с толщиной более 300 мм или в тонких пластинах с толщиной менее 30 мм, особенностью заявляемого способа является то, что этап с высокой степенью обжатия осуществляют, когда промежуточная толщина пластинчатого изделия достигает значения от 220 мм до 80 мм, предпочтительно от 200 мм до 100 мм, наиболее предпочтительно от 200 мм до 120 мм. Эта толщина выбирается так, чтобы обеспечить постоянную высокую деформацию/сдвиг по всей толщине пластинчатого изделия. Для пластинчатых изделий с толщиной более 220 мм сложнее обеспечить постоянную деформацию по всей пластине. Как правило, в пластинчатых изделиях большей толщины деформация в центре (половина толщины) пластинчатого изделия будет меньше, чем в положении на четверть толщины или подповерхностной области.

Предпочтительно осуществляют один проход горячей прокатки с высокой степенью обжатия. В альтернативном варианте осуществления осуществляют два прохода горячей прокатки с высокой степенью обжатия. Если применяют один проход горячей прокатки с высокой степенью обжатия, этот проход горячей прокатки с высокой степенью обжатия предпочтительно представляет собой один из последних семи или восьми проходов из множества проходов горячей прокатки.

Перед началом процесса горячей прокатки прокатываемый слиток предварительно нагревают до температуры, обычной в данной области техники и известной специалисту, например от 390°С до 480°С, предпочтительно от 400°С до 460°С, наиболее предпочтительно от 400°С до 430°С, например до 410°С. Соответственно, можно поддерживать температуру на входе в стан горячей прокатки более 380°С, предпочтительно более 390°С. Максимальная температура для проходов горячей прокатки составляет не более 450°С, поскольку было замечено, что выше этой температуры может произойти укрупнение S-фазы и что существует риск начала плавления.

Было обнаружено, что в случае изготовления пластинчатого изделия, имеющего конечную толщину менее 50 мм, скорость деформации во время процесса горячей прокатки также имеет влияние на свойства конечного пластинчатого изделия. Таким образом, скорость деформации во время по меньшей мере одного прохода с высокой степенью обжатия в подходящем варианте осуществления способа предпочтительно ниже <1 с-1, предпочтительно ≤0,8 с-1. Считается, что этот интенсивный сдвиг вызывает разрушение составляющих частиц, например, интерметаллидов с высоким содержанием Fe.

Скорость деформации во время горячей прокатки на проход прокатки может быть описана с помощью следующей формулы:

где

скорость деформации (в с^-1),

h₀ толщина пластины на входе (в мм),

h₁ толщина пластины на выходе (в мм),

v₁ скорость прокатки рабочих валков (в мм/с),

R радиус рабочих валков (в мм).

Скорость деформации представляет собой изменение напряжения (деформации) материала относительно времени. Иногда ее также называют «скоростью распространения механических напряжений». Эта формула демонстрирует, что на скорость деформации влияет не только толщина на входе и толщина на выходе пластины из алюминиевого сплава, но также скорость прокатки рабочих валков.

Для традиционных методик горячей прокатки в производственных масштабах скорость деформации каждого прохода прокатки, как правило, равна 2 с^-1 или более. Как уже было упомянуто выше, согласно варианту осуществления способа согласно настоящему изобретению во время прохода с высокой степенью обжатия скорость деформации снижается до <1 с^-1, предпочтительно до ≤0,8 с^-1. За счет использования низкой скорости деформации можно достичь более интенсивного сдвига в материале пластины.

Кроме того, пластинчатое изделие из алюминиевого сплава, изготовленное согласно настоящему изобретению, может быть, при необходимости, подвергнуто термообработке на твердый раствор (SHT), охлаждению, предпочтительно посредством закалки, растяжению и искусственному старению после этапа горячей прокатки до конечного калибра. Если осуществляют термообработку на твердый раствор (SHT), пластинчатое изделие должно быть нагрето, аналогично как для термообработки с гомогенизацией перед горячей прокаткой, до температуры, как правило, в диапазоне от 430°С до 490°С, для превращения всех или по существу всех частей растворимого цинка, магния и меди в раствор. После истечения заданного времени выдержки при повышенной температуре пластинчатое изделие следует быстро охладить или закалить, чтобы завершить процедуру термообработки на твердый раствор. Такую закалку предпочтительно осуществляют посредством закалки в воде, например, посредством погружения в воду или водяных струй.

После охлаждения до температуры окружающей среды пластинчатые изделия могут быть дополнительно подвергнуты холодной деформации посредством растяжения в диапазоне от 0,5% до 8% от исходной длины для снятия остаточных напряжений в них и улучшения ровности изделия. Предпочтительно растяжение находится в диапазоне от 0,5% до 5%, более предпочтительно от 1% до 3%.

В предпочтительном варианте осуществления пластинчатые изделия, полученные согласно настоящему изобретению, подвергают искусственному старению. Все методики старения, которые известны в данной области техники и которые могут быть впоследствии разработаны, могут применяться к изделиям из сплава серии АА7000, полученным с помощью способа согласно настоящему изобретению, для обеспечения необходимой прочности и других технических свойств.

В конкретном предпочтительном варианте осуществления пластинчатое изделие подвергают искусственному старению до достижения степени твердости Т7, предпочтительно до достижения степени твердости Т79 или Т77. Искусственное старение можно осуществлять за один этап или за несколько этапов. Предпочтительно осуществляют двухэтапную процедуру старения.

Желаемый конструкционный профиль затем получают в результате механической обработки из этих пластинчатых секций, подвергнутых тепловой обработке, чаще после искусственного старения, например, цельный лонжерон крыла.

Преимущество настоящего изобретения заключается в том, что изделие из алюминиевого сплава демонстрирует улучшенное сопротивление усталостному разрушению без необходимости в поддержании содержания железа и кремния на чрезвычайно низком уровне. Согласно данным из уровня техники, в целом считается, что Fe и Si отрицательно влияют на сопротивление усталостному разрушению. Однако пластинчатые изделия из алюминиевого сплава, изготовленные с помощью способа по настоящему изобретению, намного более устойчивы к присутствию Fe и Si, и при этом по-прежнему обеспечивают необходимый баланс свойств, в том числе высокое сопротивление усталостному разрушению. В варианте осуществления сплав может содержать более 0,05%, предпочтительно более 0,06% Fe. В варианте осуществления он может содержать более 0,05%, предпочтительно более 0,06% Si. В дополнительном предпочтительном варианте осуществления содержание каждого из Fe и Si равно 0,07 мас. % или более. В другом варианте осуществления содержание Si составляет от 0,06% до 0,10%, а содержание Fe находится в диапазоне от 0,06% до 0,15%. Соответственно, например, в заявляемом способе может использоваться доступный в продаже алюминиевый сплав АА7055.

В других вариантах осуществления Fe и Si поддерживают на очень низких уровнях для достижения дополнительного улучшения свойств. Например, содержание Fe может поддерживаться на уровне менее 0,05%, предпочтительно менее 0,03%, а содержание Si может быть на уровне менее 0,05%, предпочтительно менее 0,03%.

Пластинчатое изделие из сплава серии АА7000, изготовленное согласно настоящему изобретению, может использоваться в качестве конструктивного элемента для авиакосмического применения, среди прочего в качестве элемента каркаса фюзеляжа, верхней пластины крыла, нижней пластины крыла, толстой пластины для механически обработанных деталей, тонкого листа для стрингеров, элемента лонжерона, элемента нервюры, элемента балки пола и элемента переборки.

В конкретном варианте осуществления пластинчатое изделие из алюминиевого сплава используется в качестве панели или элемента крыла, более конкретно в качестве верхней панели или элемента крыла.

Соответственно, пластинчатое изделие, изготовленное согласно настоящему изобретению, обеспечивает улучшенные свойства по сравнению с пластинчатым изделием, изготовленным согласно традиционным стандартным способам для алюминиевых сплавов этого типа, имеющих, в ином случае, те же размеры и обработанные до той же степени твердости.

Краткое описание чертежей

Варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны в качестве не имеющих ограничительного характера примеров, а также будут предоставлены сравнительные примеры из уровня техники.

На фиг. 1 представлен график зависимости максимального результирующего напряжения от числа циклов до разрушения для пластин, полученных с помощью способа по настоящему изобретению, и пластин, полученных с помощью традиционных способов.

На фиг. 2 представлен график, на котором показана средняя логарифмическая усталостная долговечность пластин, полученных с помощью способа по настоящему изобретению, и пластин, полученных с помощью традиционных способов, причем линии, соединяющие точки данных, соответствуют средним значениям.

Пример осуществления изобретения

Прокатываемые слитки были получены литьем DC из алюминиевого сплава АА7055 с составом, приведенным в таблице 1.

Прокатываемые слитки имели толщину приблизительно 400 мм. Гомогенизацию слитков осуществляли в двухэтапной процедуре гомогенизации при температуре 465°С (первый этап) и 475°С (второй этап) с последующим охлаждением до температуры окружающей среды. После удаления поверхностного слоя слитки предварительно нагревали до 410°С для горячей прокатки. Горячую прокатку осуществляли на стане горячей прокатки, рабочие валки которого имеют радиус приблизительно 575 мм. Партии А и В обрабатывали в соответствии с настоящим изобретением, т.е. обе партии подвергали проходу с высокой степенью обжатия во время процесса горячей прокатки. Во время прохода прокатки с высокой степенью обжатия партия А подверглась уменьшению толщины на приблизительно 30% (с 167 мм до 117 мм), а партия В подверглась уменьшению толщины на приблизительно 28% (с 165 мм до 118 мм). Скорость прокатки во время этого прохода с высокой степенью обжатия составляла приблизительно 25 м/мин, что дает скорость деформации приблизительно 0,53 с^-1. Партии С, D и Е обрабатывали согласно традиционному способу горячей прокатки (уменьшение толщины от 9% до 18% для каждого прохода горячей прокатки от 220 мм до 80 мм). Скорость прокатки во время стандартных проходов горячей прокатки составляла приблизительно 105 м/мин, что дало скорость деформации от 1,61 с^-1 (толщина на входе 188 мм) до 2,27 с^-1 (толщина на входе 123 мм). Пластина А была подвергнута 27 проходам горячей прокатки, причем проход с высокой степенью обжатия был проходом номер 19. Пластина В была подвергнута 25 проходам горячей прокатки, причем проход с высокой степенью обжатия был проходом номер 17.

Пластины А, С и Е имели конечную толщину 19 мм после процесса горячей прокатки, а пластины В и D имели конечную толщину 25,4 мм после процесса горячей прокатки. После горячей прокатки все пластины с конечной толщиной были подвергнуты термообработке на твердый раствор при температуре приблизительно 470°С, закалке и растяжению на приблизительно 2%. Применяли этап искусственного старения с доведением пластинчатых изделий до состояния Т7951.

Испытание на усталость выполняли согласно стандарту DIN EN 6072 с использованием испытательного образца с одним отверстием, имеющего коэффициент концентрации результирующих напряжений Kt, равный 2,3. Испытательные образцы имели длину 150 мм, ширину 30 мм и толщину 3 мм с одним отверстием диаметром 10 мм. Отверстие было раззенковано до глубины 0,3 мм с каждой стороны. Испытательные образцы подвергали осевому напряжению с коэффициентом напряжения (минимальная нагрузка/максимальная нагрузка) R=0,1. Частота испытаний составляла 25 Гц, причем испытания выполняли на воздухе с высокой влажностью (RH ≥ 90%). Отдельные результаты этих испытаний показаны в таблице 2 и на фиг. 1 и 2. Линии на фиг. 2 представляют собой интерполяцию по вычисленным средним логарифмическим точкам данных.

На фиг. 1 изображено, что благодаря способу по настоящему изобретению можно существенно повысить усталостную долговечность и, таким образом, сопротивление усталостному разрушению по сравнению с пластинами из сплава АА7055, полученными с помощью традиционных способов. Например, при приложенном напряжении в рабочем сечении 175 МПа, пластина А имеет долговечность 470421 цикл, что представляет собой улучшение долговечности в 3,2 раза по сравнению со сплавом АА7055, т.е. сплавами С и Е, которые имеют долговечность 142655 циклов. Соответственно, в сплавах, полученных с помощью способа по настоящему изобретению и имеющих конечную толщину 19 мм, долговечность 200000 циклов (см. логарифмическую среднюю кривую на фиг. 2) соответствует максимальному результирующему напряжению приблизительно 210 МПа для настоящего изобретения по сравнению с 175 МПа в сплаве 7055, полученном согласно традиционному стандартному процессу. Это представляет улучшение более чем на 20%, которое производитель самолетов может использовать для увеличения расчетных напряжений самолета, тем самым снижая массу, при сохранении того же интервала между осмотрами самолета.

На фиг. 2 показано среднее логарифмическое партий А и В, изготовленных с помощью способа согласно настоящему изобретению, по сравнению со средним логарифмическим партий С, D и Е, изготовленных с помощью традиционного способа, из одного и того сплава, представленного на фиг. 1, причем линии показывают интерполяцию по вычисленным логарифмическим средним точкам данных. Глядя на эту фигуру становится очевидно, что способ по настоящему изобретению ведет к улучшению усталостной долговечности по сравнению с традиционными способами при использовании того же состава сплава.

Настоящее изобретение не ограничивается описанными ранее вариантами осуществления, которые могут широко варьироваться в пределах объема настоящего изобретения, определенного следующей приложенной формулой изобретения.

Изобретение относится к способу изготовления пластинчатого изделия из алюминиевого сплава серии 7ххх и может быть использовано в авиакосмическом машиностроении, в частности для панелей и элементов обшивки крыльев. Способ изготовления пластинчатого изделия из алюминиевого сплава серии 7ххх включает литье слитка, гомогенизацию и/или предварительный нагрев отлитого слитка, горячую прокатку с получением пластинчатого изделия толщиной менее 75 мм за несколько проходов, при этом, когда промежуточная толщина пластины составляет от 80 до 220 мм, осуществляют по меньшей мере один проход горячей прокатки с высокой степенью обжатия с уменьшением толщины по меньшей мере на 25%, при этом скорость деформации во время по меньшей мере одного прохода горячей прокатки с высокой степенью обжатия составляет < 1 с^-1. Дополнительно способ включает термообработку на твердый раствор пластинчатого изделия, охлаждение, предпочтительно посредством закалки, необязательно растяжение пластинчатого изделия, подвергнутого термообработке на твердый раствор и охлаждению, и искусственное старение пластинчатого изделия, подвергнутого термообработке на твердый раствор и охлаждению. Изобретение направлено на повышение сопротивления усталостному разрушению. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

1. Способ изготовления пластинчатого изделия из алюминиевого сплава серии 7ххх, причем способ включает следующие этапы:

(a) литье слитка из алюминиевого сплава серии 7ххх, причем алюминиевый сплав, в мас. %:

Zn 5-9 Mg 1-3 Cu 0-3 Fe до 0,20 Si до 0,15 Zr до 0,5, предпочтительно 0,03-0,20 Алюминй и примеси остальное

(b) гомогенизацию и/или предварительный нагрев отлитого слитка;

(c) горячую прокатку слитка с получением пластинчатого изделия за счет прокатки слитка за несколько проходов прокатки, отличающийся тем, что, когда промежуточная толщина пластины составляет от 80 до 220 мм, осуществляют по меньшей мере один проход горячей прокатки с высокой степенью обжатия с уменьшением толщины по меньшей мере на 25%, при этом скорость деформации во время по меньшей мере одного прохода горячей прокатки с высокой степенью обжатия составляет < 1 с^-1,

причем пластинчатое изделие имеет конечную толщину менее 75 мм, предпочтительно менее 50 мм.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что способ дополнительно включает следующие этапы:

(d) термообработка на твердый раствор пластинчатого изделия;

(e) охлаждение, предпочтительно посредством закалки, пластинчатого изделия, подвергнутого термообработке на твердый раствор;

(f) необязательно растяжение пластинчатого изделия, подвергнутого термообработке на твердый раствор и охлаждению, и

(g) искусственное старение пластинчатого изделия, подвергнутого термообработке на твердый раствор и охлаждению.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что проход горячей прокатки с высокой степенью обжатия осуществляют с уменьшением толщины по меньшей мере на 30%, предпочтительно по меньшей мере на 35%.

4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что скорость деформации во время прохода горячей прокатки с высокой степенью обжатия составляет ≤0,8 с^-1.

5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что промежуточная толщина пластины до прохода горячей прокатки с высокой степенью обжатия составляет от 100 мм до 200 мм, предпочтительно от 120 мм до 200 мм.

6. Способ по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что содержание Si и/или содержание Fe в алюминиевом сплаве равно 0,05 мас. % или более.

7. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что алюминиевый сплав содержит, мас.%:

Zn 5-9, предпочтительно 5,5-8,5 Mg 1-3 Cu 0-3, предпочтительно 0,3-3 Si до 0,15, предпочтительно до 0,10 Fe до 0,20, предпочтительно до 0,15

один или более элементов, выбранных из группы, состоящей из следующего:

Ti до 0,3 Cr до 0,4 Sc до 0,5 Hf до 0,3 Mn до 0,4 V до 0,4 Ag до 0,5 Алюминий и примеси остальное

8. Способ по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что алюминиевый сплав имеет состав, соответствующий АА7055.

9. Способ по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что конечная толщина пластинчатого изделия составляет менее 45 мм, предпочтительно менее 40 мм и более предпочтительно менее 35 мм.

10. Способ по любому из пп. 1-9, отличающийся тем, что конечная толщина пластинчатого изделия составляет более 10 мм, предпочтительно более 12,5 мм, более предпочтительно более 15 мм и наиболее предпочтительно более 19 мм.

11. Способ по любому из пп. 1-10, отличающийся тем, что на этапе (с) способа температура на входе в стан горячей прокатки составляет более 380°С, предпочтительно более 390°С.

12. Способ по любому из пп. 2-11, отличающийся тем, что пластинчатое изделие подвергают искусственному старению до достижения степени твердости Т7, предпочтительно до достижения степени твердости Т79 или Т77.

13. Пластинчатое изделие из алюминиевого сплава, отличающееся тем, что оно изготовлено посредством способа по любому из пп. 1-12.

14. Конструктивный элемент для авиакосмического применения, изготовленный из пластинчатого изделия из алюминиевого сплава, полученного с помощью способа по любому из пп. 1-12.

15. Применение пластинчатого изделия из алюминиевого сплава, изготовленного по любому из пп. 1-12, для изготовления конструктивного элемента для авиакосмического применения.