Высокопрочный алюминиевый сплав системы Al-Zn-Mg-Cu и изделие, выполненное из него Российский патент 2023 года по МПК C22C21/10 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к деформируемым термически упрочняемым высокопрочным алюминиевым сплавам системы Al-Zn-Mg-Cu, предназначенным для применения в машиностроении и других отраслях промышленности в качестве конструкционного материала для высоконагруженных элементов, в частности для изделий атомной техники, в том числе деталей газовых центрифуг.

Известна серия современных распространенных высокопрочных алюминиевых сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu различного назначения, дополнительно легированных микродобавками различных переходных металлов для повышения прочности, пластичности, технологичности.

К ним относится алюминиевый сплав системы Al-Zn-Mg-Cu (RU 2553781 С1, 20.06.2015), имеющий следующий состав, масс.%:

цинк 8-10 магний 2,0-3,0 медь 1,6-2,6 скандий 0,12-0,25 цирконий 0,06-0,20 бериллий 0,0001-0,005 кобальт 0,05-0,15 никель 0,5-1,0 железо 0,45-0,95 алюминий остальное

при этом отношение содержания цинка к содержанию магния находится в пределах 3,1-4,1.

Сплав имеет недостаточно высокие характеристики конструкционной прочности и надежности, которые необходимы для высоконагруженных деталей газовых центрифуг, работающих длительно при постоянно действующих высоких напряжениях.

Известен алюминиевый сплав системы Al-Zn-Mg-Cu (RU 2514748 С1, 10.05.2014), имеющий следующий состав, масс.%:

цинк 6,0-8,0 магний 3,4-4,2 медь 0,8-1,3 скандий 0,07-0,15 ирконий 0,08-0,12 бериллий 0,0005-0,004 церий 0,01-0,15 титан 0,02-0,08 кремний 0,01-0,15 железо 0,01-0,15 водород 0,05-0,35 см³/100 г металла

неизбежные примеси из группы Mn, Cr, V, Mo, Li, Ag, K, Na, О не более 0,1 алюминий остальное, при этом соотношение между содержанием магния и цинка составляет от 0,53 до 0,57.

Недостатком данного сплава является существенное снижение уровня механических свойств при повышенных температурах.

Известен деформируемый сплав на основе алюминия (RU 2394113 С1, 10.07.2010), содержащий, масс.%:

цинк 2,5-4,0 магний 4,1-6,5 медь 0,2-1,0 железо до 0,25 кремний до 0,15 скандий 0,005-0,3 цирконий 0,005-0,25 никель и/или кобальт до 0,1 титан до 0,15 бор и/или углерод до 0,05

по крайней мере один элемент из группы:

гафний до 0,15 молибден до 0,15 церий до 0,15 марганец до 0,5 хром до 0,28 иттрий до 0,15 ванадий до 0,15 ниобий до 0,15 алюминий и неизбежные примеси остальное

причем отношение содержания Mg к содержанию Zn больше или равно 1,1.

Недостатком данного сплава является невысокий уровень прочностных характеристик (временное сопротивление σ_в не выше 580 МПа, условный предел текучести σ_0,1 не выше 520 МПа), что обусловлено выбранным диапазоном содержания таких элементов, как магний, цинк, медь. Также, в составе содержится бор, который не допускается в материалах для газовых центрифуг.

Наиболее близким аналогом является высокопрочный алюминиевый сплав системы Al-Zn-Mg-Cu (RU 2164541 С2, 27.03.2001), имеющий следующий состав, масс.%: цинк 8,0-9,0

магний 2,3-3,0 медь 2,0-2,6 цирконий 0,1-0,2 железо 0,05-0,3 кремний 0,03-0,15 бериллий 0,0001-0,002 водород (0,9-3,6) × 10^-5 алюминий остальное

при соотношении Fe/Si≥0,5.

Сплав имеет высокие прочностные характеристики, высокое сопротивление ползучести при умеренно повышенных температурах и многие годы успешно использовался в газовых центрифугах, однако имеет ограничения по характеристикам сопротивления ползучести и длительной прочности при температурах выше 40°С, что не позволяет применять его в деталях газовых центрифуг нового поколения (9+).

Задачей предложенного изобретения является разработка нового высокопрочного алюминиевого сплава системы Al-Zn-Mg-Cu для высоконагруженных элементов конструкций изделий атомной техники, в том числе деталей газовых центрифуг, обеспечивающего увеличение их производительности и надежности в процессе длительной эксплуатации.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение кратковременной прочности (временного сопротивления σ_В, условного предела текучести σ_0,2) при температурах 20-70°С, а также длительной прочности сплава при температуре 60°С при высоких напряжениях (560-600 МПа).

Технический результат достигается за счет того, что предлагаемый деформируемый и термически упрочняемый высокопрочный сплав на основе алюминия содержит цинк, магний, медь, цирконий, железо, кремний, марганец, по меньшей мере один элемент из группы, содержащей никель, ниобий и кобальт, при необходимости, по меньшей мере один элемент из группы, включающей скандий, титан и бериллий, при следующем соотношении компонентов, масс.%:

цинк 8,5-10,5 магний 2,2-3,7 медь 1,2-2,8 цирконий 0,10-0,14 железо 0,10-0,30 кремний 0,05-0,15 марганец 0,15-0,60

по меньшей мере один элемент из группы:

никель 0,15-0,30 ниобий 0,01-0,05 и кобальт 0,10-0,30

при необходимости, по меньшей мере один элемент из группы, включающей скандий, титан и бериллий:

скандий 0,05-0,25 титан до 0,05 и бериллий 0,0001-0,002 алюминий остальное

Предпочтительное соотношение содержания цинка к магнию составляет >2,5. Предпочтительное соотношение содержания железа к кремнию составляет ≥1,5. Предпочтительно, чтобы сплав одновременно содержал ниобий и кобальт, предпочтительное суммарное содержание которых составляет не менее 0,15 масс.%. Предпочтительно, чтобы сплав одновременно содержал никель и скандий.

Также предложено изделие из данного деформируемого и термически упрочняемого высокопрочного сплава на основе алюминия.

За счет высокого содержания цинка и магния в структуре сплава в процессе искусственного старения выделяется основная упрочняющая фаза -η(MgZn₂), что обеспечивает высокие прочностные характеристики (предел прочности и текучести), при этом предпочтительное соотношение цинка к магнию составляет более 2,5.

Дополнительное упрочнение сплава достигается за счет легирования медью, которая входит как в твердый раствор, так и в состав фазы (Al₂CuMg).

Цирконий вводится в качестве антирекристаллизатора и образует полукогерентные дисперсоиды ZrAb, тем самым обеспечивая повышение прочности, пластичности и циклической долговечности. Количество циркония должно быть ограничено (до 0,14 масс.%) ввиду появления нежелательных грубых частиц интерметаллидов.

Легирование предлагаемого сплава марганцем обеспечивает дополнительное как твердорастворное упрочнение, так и дисперсионное (MgZr)Al₆), что способствует повышению прочности.

Присадка бериллия от 0,0001 до 0,002 масс.% обеспечивает повышенную технологичность при литье за счет образования защитной пленки, исключающей окисление и выгорание магния и других легкоплавких элементов в процессе плавки и литья слитков.

Введение по крайней мере одного элемента из группы, включающей кобальт, ниобий, никель, приводит к повышению характеристик кратковременной и длительной прочности при повышенной температуре. Совместное введение ниобия и кобальта при суммарном содержании не менее 0,15 масс. % позволяет обеспечить наилучшее сочетание высокой прочности при сохранении пластичности за счет твердорастворного упрочнения и формирования в структуре фаз Co₂Al₉. Кроме того, никель при наличии железа обеспечивает образование нерастворимых тугоплавких вторичных фаз FeNiAl₂, а также при наличии марганца-образование фазы Mn₃NiAl₆, что приводит к повышению характеристик длительной прочности за счет торможения процессов движения дислокаций.

С целью модификации структуры слитков и обеспечения после деформации в полуфабрикатах нерекристаллизованной структуры в него может быть дополнительно введен скандий, который образует с алюминием соединения, являющиеся центрами кристаллизации при литье, обеспечивая мелкозернистую структуру в слитках.

При совместном введении скандия с цирконием при гомогенизации и закалке образуются дисперсные частицы Al₃(ScZr) и за счет дисперсионного твердения, а также за счет получения нерекристаллизованной структуры происходит дополнительное упрочнение сплава, при этом повышаются предел прочности и текучести, увеличивается пластичность.

Также в качестве модификатора структуры слитка в сплав может быть дополнительно введен титан (не более 0,05 масс.%) с целью повышения технологической пластичности слитка при деформации.

Пример осуществления

В условиях опытного производства методом полунепрерывного литья были отлиты круглые слитки диаметром 110 мм различных химических составов (приведены в таблице 1), проведен их гомогенизационный отжиг. Затем была проведена резка, обточка и прессование слитков с коэффициентом вытяжки >15 на полосу размером 8×45 мм. После прессования проводили закалку и искусственное старение по режиму Т1.

Механические свойства при растяжении прессованных полос (минимальные и максимальные значения) в продольном и поперечном направлении при температурах испытаний 20°С, 60°С и 70°С приведены в таблице 2. Испытания на растяжение проводили на круглых образцах при температуре 20°С по ГОСТ 1497, а при повышенной температуре в соответствии с ГОСТ 9651. Длительную прочность сплавов определяли по ГОСТ 10145 на цилиндрических образцах №20К, вырезанных в поперечном направлении, при температуре 60°С при разных напряжениях в диапазоне 560-600 МПа (таблица 3).

Как видно из сравнения механических характеристик полос, представленных в таблице 2, предлагаемый сплав при температурах испытаний 20°С и 60-70°С обладает на -5-10% повышенным временным сопротивлением и пределом текучести в сравнении с прототипом. При дополнительном введении скандия в сплав прочностные характеристики при 20-70°С в поперечном направлении повышаются на 20-40 МПа.

Из таблицы 3 видно, что при испытаниях на длительную прочность при температуре 60°С образцы из предлагаемого сплава выдержали 1000 часов при напряжениях 580-590 МПа, в отличие от прототипа, длительная прочность которого составила 325-530 часов при данных напряжениях.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к деформируемым термически упрочняемым высокопрочным алюминиевым сплавам, используемым в качестве конструкционного материала для высоконагруженных элементов. Деформируемый и термически упрочняемый высокопрочный сплав на основе алюминия содержит, мас.%: цинк 8,5-10,5, магний 2,2-3,7, медь 1,2-2,8, цирконий 0,10-0,14, железо 0,10-0,30, кремний 0,05-0,15, марганец 0,15-0,60, по меньшей мере один элемент из группы: никель 0,15-0,30, ниобий 0,01-0,05 и кобальт 0,10-0,30, при необходимости, по меньшей мере один элемент из группы: скандий 0,05-0,25, титан до 0,05 и бериллий 0,0001-0,002, алюминий - остальное. Обеспечивается повышение кратковременной прочности при температурах 20-70°С, а также длительной прочности сплава при температуре 60°С при высоких напряжениях. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 3 табл., 9 пр.

1. Деформируемый и термически упрочняемый высокопрочный сплав на основе алюминия, содержащий цинк, магний, медь, цирконий, железо, кремний, марганец, по меньшей мере один элемент из группы, содержащей никель, ниобий и кобальт, при необходимости, по меньшей мере один элемент из группы, включающей скандий, титан и бериллий, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

цинк 8,5-10,5 магний 2,2-3,7 медь 1,2-2,8 цирконий 0,10-0,14 железо 0,10-0,30 кремний 0,05-0,15 марганец 0,15-0,60

по меньшей мере один элемент из группы:

никель 0,15-0,30 ниобий 0,01-0,05 и кобальт 0,10-0,30

при необходимости, по меньшей мере один элемент из группы, включающей скандий, титан и бериллий:

скандий 0,05-0,25 титан до 0,05 и бериллий 0,0001-0,002 алюминий остальное

2. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что соотношение содержания цинка к магнию составляет >2,5.

3. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что соотношение содержания железа к кремнию составляет ≥1,5.

4. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что он одновременно содержит ниобий и кобальт.

5. Сплав по п. 4, отличающийся тем, что суммарное содержание ниобия и кобальта составляет не менее 0,15 мас.%.

6. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что он одновременно содержит никель и скандий.

7. Изделие из деформируемого и термически упрочняемого высокопрочного сплава на основе алюминия, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по любому из пп. 1-6.