Сплав системы Al-Mg с гетерогенной структурой для высокоскоростной сверхпластической формовки Российский патент 2022 года по МПК C22C21/06 

Изобретение относится к области алюминиевых сплавов с микрозеренной структурой, в частности к сплавам системы Al-Mg, которые могут быть использованы для изготовления методом сверхпластической формовки полуфабрикатов и изделий в различных отраслях промышленности.

Из множества разработанных в последние десятилетия сверхпластичных алюминиевых сплавов нашли реальное использование несколько сплавов, относящихся к системе Al-Mg. Сплав АА5083 (J.S. Vetrano, С.А. Lavender, С.Н. Hamilton*, М.Т. Smith and S.M. Bruemmer. Superplastic behavior in a commercial 5083 aluminum alloy. Scripta METALLURGICA Vol. 30, pp. 565-570, 1994) и Alnovi-1 (US 5540791 А, опубл. 30.07.1996 г.). Сплав Al-4.5% Mg-0.7% Mn (SW-5083) имеет оптимальную скорость сверхпластической деформации 10^-3 с^-1 (относительное удлинение 300-350%) при температурах 520-540D. Сплав Alnovi-1 (Al-4.5% Mg-0.7% Mn-0.12% Cr), производимый японской компанией UACJ Corporation, имеет оптимальную скорость сверхпластической деформации 2×10^-3 с^-1, относительное удлинение 350% при температурах 520-540°С, при скорости 10² с^-1 сплав имеет 200% удлинения.

Недостатками описанных выше сплавов является то, что их оптимальное значение скорости деформации находится около 10^-3 с^-1 при удлинении 300-350%. При скорости 10^-2 значения удлинения не превышает 200%, этого недостаточно, чтобы использовать лист для пневмоформовки. При скоростях 10^-3 с^-1 формовка одной средней по сложности детали займет от 15 до 45 мин. Повышение скорости деформации на порядок сократит время формовки до 5 минут. Для значимого повышения производительности сверхпластической листовой формовки требуются сплавы, имеющие скорость сверхпластической деформации порядка 10^-2 с^-1 при, соответственно, высоких значениях удлинения до разрушения.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по области применения и уровню механических и коррозионных свойств является сплав Alnovi-U (US 5181969 А, опубл. 26.01.1993 г.), имеющий состав А1 - 4.75% Mg - 1.42% Mn - 0.05% Fe - 0.03% Si. Состав сплава позволяет получать гетерогенную структуру с объемной долей частиц эвтектического происхождения 1,5-2%. Средний размер зерна в листах сплава равен 7-8 мкм. Сплав обладает высокой коррозионной стойкостью, предел текучести в отожженном состоянии равен 170 МПа, а относительное удлинение листов данного сплава при скорости сверхпластической деформации 10^-3 с^-1 составляет 350%, а при скорости 10^-2 с^-1 - 250%. Вышеописанный сплав относится к сплавам системы Al-Mg и предназначен для высокоскоростной сверхпластической формовки (10^-2 с^-1).

Недостатком данного сплава являются низкие относительные удлинения (250%) при высокоскоростной формовке. Такие удлинения позволяют получать детали не сложной конфигурации. Для получения деталей со сложным рельефом и глубокой вытяжкой необходимы относительные удлинения свыше 400%.

Задачей данного изобретения является повышение уровня показателей сверхпластичности за счет формирования однородной стабильной зеренной структуры и однородной деформации в процессе сверхпластической формовки, которые обеспечивают присутствие частиц различной дисперсности от 10 нм до 1 мкм при сохранении уровня механических свойств конечного изделия, имеющегося у аналогов.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение уровня прочностных свойств сплава (предел текучести 200-220 МПа) при сохранении высоких характеристик пластичности (15-20%) и обеспечении в получаемых полуфабрикатах гетерогенной структуры с объемной долей частиц эвтектического происхождения 4-6% и диапазон размера зерна 3-7 мкм.

Указанный технический результат достигается следующим образом.

Сплав с гетерогенной структурой системы Al-Mg для высокоскоростной сверхпластической формовки, содержащий магний, железо, марганец, хром, цирконий, алюминий и примеси, отличающийся тем, что он дополнительно содержит цинк, церий и скандий при следующем соотношении компонентов, мас. %:

магний 4,5-5,5 цинк 0,1-1,0 церий 0,6-1,2 железо 0,5-0,9 марганец 0,1-0,7 хром 0,05-0,2 цирконий 0,1-0,30 скандий 0,05-0,3 примесные элементы до 0,2 алюминий остальное

Кроме того, примесные элементы содержатся в сплаве в следующем соотношении, мас. %:

кремний до 0,16 титан до 0,1 медь до 0,01

Благодаря своему составу предложенный сплав системы Al-Mg имеет гетерогенную структуру с бимодальным распределением частиц по размеру. Листы из предложенного сплава способны к высокоскоростной сверхпластической деформации: при температурах (420-540)°С и в широком диапазоне скоростей деформации (0.002-0.03) с^-1 с относительным удлинением 300-600% в зависимости от условий деформации.

Сплав легирован (4,5-5,5) % магния и (0,1-1,0) % цинка для обеспечения твердорастворного упрочнения, формирования мелкого зерна, равномерного распределения дисперсоидов и хорошего сопротивления коррозионному растрескиванию.

Железо и церий при литье образуют эвтектические фазы с размером около 1 мкм для проявления эффекта «particle stimulated nucleation» (PSN эффект) или формирования частиц, стимулирующих зарождение новых зерен. При деформационной обработке вокруг частиц накапливаются дефекты и искажения в решетке, что, при нагреве, приводит к формированию большого числа центров зарождения новых зерен при рекристаллизации. Чем выше плотность таких частиц в сплаве, тем больше мест зарождения новых зерен, соответственно, меньше средний размер зерна.

Марганец, хром, цирконий и скандий необходимы для образования дисперсоидов алюминидов данных элементов. Они эффективно сдерживают статическую рекристаллизацию, повышая ее температуру, а в рекристаллизованном состоянии эффективно сдерживают миграцию границ рекристаллизованных зерен. Согласно теории Зинера, чем меньше размер дисперсоидов и больше их плотность выделения, тем значительнее эффект.

Легирование сплава данными элементами приводит к формированию гетерогенной структуры с крупными частицами эвтектического происхождения с объемной долей 4-6% и квазикристаллическими полукогерентными дисперсоидами марганцовистой фазы и/или когерентными дисперсоидами Al₃(Sc, Zr) со структурой фазы L1₂, выделившимися при гомогенизационном отжиге, с объемной долей 0,3-1%. Данные частицы позволяют сформировать микрозеренную стабильную при нагреве структуру. Размер рекристаллизованных зерен после отжига холоднокатаных листов при 540°С, имитирующего нагрев и выдержку при температуре сверхпластической деформации варьируется в интервале 3-7 мкм.

Способ получения листов из указанного сплава состоит из получения литых заготовок в водоохлаждаемых медных изложницах методом полунепрерывного/наполнительного литья с скоростями охлаждения 3-15 К/с, гомогенизационного отжига (первая ступень 360-400°С в течение 24 часов, вторая ступень - 420-500°С, 3 часа, горячей прокатки (степень деформации 55-85%) и холодной прокатки (степень деформации 50-80%).

Особенностью данного режима получения листов является двухстадийный гомогенизационный отжиг. Первая низкотемпературная ступень гомогенизационного отжига позволяет выделить из алюминиевого твердого раствора квазикристаллические полукогерентные дисперсоиды марганцовистой фазы, с растворенными в ней хромом и железом, что делает ее термически стабильной. Наличие таких дисперсоидов приводит к формированию более мелкого равноосного зерна перед сверхпластической формовкой и, как следствие, к понижению напряжения течения и увеличению максимального удлинения. Вторая высокотемпературная ступень приводит к фрагментации и сферодизации частиц эвтектического происхождения, что снижает повышает технологическую пластичность сплава и снижает возможность преждевременного разрушения материала при сверхпластической формовке.

Полученные по разработанной технологии листы из предложенного сплава с химическим составом Al-(4.5-5.5)% Mg-(0.1-1.0)% Zn-(0.6-1.2)% Ce-(0.5-0.9)% Fe-(0.1-0.7)% Mn-(0.05-0.2)% Cr-(0.10-0.30)% Zr-(до 0.4)% Sc проявляют высокоскоростную сверхпластичность в интервале температур 420-540°С: при скорости деформации 10^-2 с^-1 относительное удлинение до разрушения составляет не менее 350%. По результатам испытаний со скачковым повышением скорости деформации оптимальный диапазон скоростей 5×10^-3 - 10^-2 с^-1 при показателе скоростной чувствительности m=0.55-0.60. Листы из предложенного сплава в широком диапазоне скоростей деформации (0.002-0.03) с^-1 имеют относительные удлинения 300-600% в зависимости от условий деформации.

Механические свойства листов из разработанного сплава в отожженном состоянии при комнатной температуре: предел текучести 200-220 МПа, предел прочности 330-350 МПа и относительное удлинение (15-20)%. Значения, которые не снижаются после теста на общую коррозию по ГОСТ Р 9.905-2007.

Пример 1

Химический состав сплава приведен в таблице 1 (Образец 1). Слиток получали со скоростью охлаждения 3 К/с. Листы получали по технологии, описанной выше. Конечная толщина листа составила 1,2 мм.

После отжига холоднокатаного листа при 540°С, имитирующего нагрев и выдержку при температуре сверхпластической деформации средний размер зерна составил 4.7±0.3 мкм.

Показатели сверхпластичности:

• удлинение 400% и напряжение течения 15 МПа при скорости деформации 1 × 10^-2 1/с и температуре 540°С;

• удлинение 200% и напряжение течения 25 МПа при скорости деформации 1×10^-1 1/с и температуре 540°С.

Механические свойства образцов были определены при комнатной температуре: предел текучести 200 МПа, предел прочности на разрыв 330 МПа, а относительное удлинение 22%.

Пример 2

Химический состав сплава приведен в таблице 1 (Образец 2). Слиток получали со скоростью охлаждения 15 К/с. Листы получали по технологии, описанной выше. Конечная толщина листа составила 1,2 мм.

После отжига холоднокатаного листа при 540°С, имитирующего нагрев и выдержку при температуре сверхпластической деформации средний размер зерна составил 4.5±.2 мкм.

Показатели сверхпластичности:

• удлинение 400% и напряжение течения 12,5 МПа при скорости деформации 1×10^-2 1/с и температуре 540°С;

• удлинение 620% и напряжение течения 7 МПа при скорости деформации 2×10^-3 1/с и температуре 540°С.

Механические свойства образцов были определены при комнатной температуре: предел текучести 200 МПа, предел прочности на разрыв 320 МПа, а относительное удлинение 20%.

Пример 3

Химический состав сплава приведен в таблице 1 (Образец 3). Слиток получали со скоростью охлаждения 3 К/с. Листы получали по технологии, описанной выше. Конечная толщина листа составила 1,2 мм.

После отжига холоднокатаного листа при 540°С, имитирующего нагрев и выдержку при температуре сверхпластической деформации средний размер зерна составил 5.8±0.2 мкм.

Показатели сверхпластичности:

• удлинение 380% и напряжение течения 13 МПа при скорости деформации 1 × 10^-2 1/с и температуре 540°С;

• удлинение 300% и напряжение течения 24 МПа при скорости деформации 1×10^-2 1/с и температуре 500°С.

Механические свойства образцов были определены при комнатной температуре: предел текучести 195 МПа, предел прочности на разрыв 320 МПа, а относительное удлинение 20%.

Пример 4

Химический состав сплава приведен в таблице 1 (Образец 4). Слиток получали со скоростью охлаждения 3 К/с. Листы получали по технологии, описанной выше. Конечная толщина листа составила 1,2 мм.

После отжига холоднокатаного листа при 500°С, имитирующего нагрев и выдержку при температуре сверхпластической деформации зеренная структура остается нерекристаллизованной.

Показатели сверхпластичности:

• удлинение 350% и напряжение течения 23 МПа при скорости деформации 1 × 10^-2 1/с и температуре 500°С;

• удлинение 350% и напряжение течения 28 МПа при скорости деформации 8×10^-3 1/с и температуре 460°С.

Механические свойства образцов были определены при комнатной температуре: предел текучести 220 МПа, предел прочности на разрыв 350 МПа, а относительное удлинение 15%.

Пример 5

Химический состав сплава приведен в таблице 1 (Образец 5). Слиток получали со скоростью охлаждения 15 К/с. Листы получали по технологии, описанной выше. Конечная толщина листа составила 1,2 мм.

После отжига холоднокатаного листа при 500°С, имитирующего нагрев и выдержку при температуре сверхпластической деформации зеренная структура остается нерекристаллизованной.

Показатели сверхпластичности:

• удлинение 400% и напряжение течения 17 МПа при скорости деформации 1 × 10^-2 1/с и температуре 520°С;

• удлинение 500% и напряжение течения 12 МПа при скорости деформации 5×10^-3 1/с и температуре 500°С.

Механические свойства образцов были определены при комнатной температуре: предел текучести 215 МПа, предел прочности на разрыв 335 МПа, а относительное удлинение 18%.

Пример 6

Химический состав сплава приведен в таблице 1 (Образец 6). Слиток получали со скоростью охлаждения 3 К/с. Листы получали по технологии, описанной выше. Конечная толщина листа составила 1,2 мм.

После отжига холоднокатаного листа при 500°С, имитирующего нагрев и выдержку при температуре сверхпластической деформации зеренная структура остается частично нерекристаллизованной.

Показатели сверхпластичности:

• удлинение 350% и напряжение течения 20 МПа при скорости деформации 1 × 10^-2 1/с и температуре 500°С;

• удлинение 550% и напряжение течения 15 МПа при скорости деформации 1 × 10^-2 1/с и температуре 520°С.

Механические свойства образцов были определены при комнатной температуре: предел текучести 220 МПа, предел прочности на разрыв 350 МПа, а относительное удлинение 16%.

Изобретение относится к области алюминиевых сплавов с микрозеренной структурой, в частности к сплавам системы Al-Mg, которые могут быть использованы для изготовления методом сверхпластической формовки полуфабрикатов и изделий в различных отраслях промышленности. Сплав с гетерогенной структурой системы Al-Mg для высокоскоростной сверхпластической формовки содержит, мас.%: магний 4,5-5,5, цинк 0,1-1,0, церий 0,6-1,2, железо 0,5-0,9, марганец 0,1-0,7, хром 0,05-0,2, цирконий 0,10-0,30, скандий 0,05-0,3, примесные элементы до 0,2, алюминий - остальное. Изобретение направлено на повышение уровня прочностных свойств сплава при сохранении высоких характеристик пластичности за счет обеспечения в получаемых полуфабрикатах гетерогенной структуры с объемной долей частиц эвтектического происхождения 4-6% и размером зерна 3-7 мкм. 1 з.п. ф-лы, 6 пр., 1 табл.

1. Сплав с гетерогенной структурой системы Al-Mg для высокоскоростной сверхпластической формовки, содержащий магний, железо марганец, хром, цирконий, алюминий и примеси, отличающийся тем, что он дополнительно содержит цинк, церий и скандий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

магний 4,5-5,5 цинк 0,1-1,0 церий 0,6-1,2 железо 0,5-0,9 марганец 0,1-0,7 хром 0,05-0,2 цирконий 0,10-0,30 скандий 0,05-0,3 примесные элементы до 0,2 алюминий остальное

2. Сплав по п. 1, в котором примесные элементы содержатся в следующем соотношении, мас.%:

кремний до 0,16 титан до 0,1 медь до 0,01