СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ Советский патент 1994 года по МПК C22C21/12 C22C21/16 

Изобретение относится к металлургии, в частности к высокопрочным свариваемым алюминиевым сплавам.

Известен сплав на основе алюминия, содержащий, мас.%:
Медь 2,0-5,5
Литий 0,8-8,5
Цирконий 0,03-0,3
Ванадий 0,01-0,15
Неодим 0,0002-0,1
Скандий 0,02-0,3
По крайней мере один элемент из группы
Бор 0,0002-0,05
Титан 0,01-0,15
Кадмий 0,02-0,25
Марганец 0,05-0,5
Алюминий Остальное
Этот сплав обладает высокой прочностью и пластичностью основного металла при комнатной температуре, но имеет неудовлетворительную свариваемость, а также повышенную чувствительность к концентраторам напряжений. Кроме того, уровень его прочностных свойств в значительной мере зависит от наличия холодной деформации между закалкой и старением.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому сплаву является сплав на основе алюминия (прототип), содержащий, мас.%:
Медь 1,4-6,0
Литий 1,0-4,0
Цирконий 0,02-0,3
Титан 0,01-0,15
Бор 0,0002-0,07
Церий 0,005-0,15
Железо 0,03-0,25
По крайней мере один элемент из группы
Неодим 0,0002-0,1
Скандий 0,01-0,35
Ванадий 0,01-0,15
Марганец 0,05-0,6
Магний 0,6-2,0
Алюминий Остальное
Такой сплав имеет хорошую свариваемость и высокую прочность при криогенных температурах, однако прочностные свойства этого сплава значительно зависят от наличия холодной пластической деформации между закалкой и старением, что ограничивает его применение для изделий сложной формы таких как листовые и объемные штамповки. Кроме, того при криогенных температурах сплав чувствителен к концентраторам напряжений, что ограничивает его применение в сложных конструкциях, работающих в области этих температур.

Целью изобретения является уменьшение чувствительности к концентраторам напряжений при криогенных температурах, а также чувствительности прочностных свойств к наличию холодной пластической деформации между закалкой и старением, что позволяет получать изделия сложной формы с высокими прочностными свойствами.

Указанная цель достигается тем, что сплав на основе алюминия, содержащий медь, литий, цирконий, церий, магний, и по крайней мере один элемент из группы скандий, марганец, титан, железо, дополнительно содержит индий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Медь 2,0-6,0
Литий 1,0-3,5
Цирконий 0,02-0,25
Церий 0,005-0,2
Магний 0,01-0,55
Индий 0,01-0,35
По крайней мере один элемент из группы
Скандий 0,01-0,35
Марганец 0,05-0,6
Титан 0,01-0,15
Железо 0,005-0,25
Алюминий Остальное
В сплаве уменьшение чувствительности к концентраторам напряжений при криогенной температуре и уменьшении чувствительности прочностных свойств к наличию холодной пластической деформации между закалкой и старением связано с тем, что в предлагаемом сплаве после закалки образуются гомогенно зарождающиеся комплексы состава InMgCe.

На этих комплексах при искусственном старении происходит зарождение упрочняющей фазы θ^l , в результате чего происходит их существенное измельчение и повышается равномерность распределения этой фазы. Это приводит к исчезновению зон, свободных от выделения вдоль большеугловых границ, а сами границы зерен в значительно меньшей степени декорированы выделениями фазы Т₁. В результате этих структурных изменений прочностные свойства сплава становятся нечувствительными к холодной пластической деформации между закалкой и старением и снижается чувствительность к концентраторам напряжений при криогенных температурах.

При снижении содержания компонентов ниже указанного нижнего предела при суммарном содержании магния и индия менее 0,05% (по массе) происходит падение прочностных характеристик, увеличивается чувствительность к концентрации напряжений и возрастает чувствительность материала к влиянию холодной деформации между закалкой и старением. При повышении содержания компонентов указанного верхнего предела при суммарном содержании магния и индия более 0,6% (по массе) происходит резкое снижение пластичности и увеличение чувствительности к концентраторам напряжений.

Пример осуществления.

Для проведения работы отливали плоские слитки сечение 45 х 300 мм, химический состав которых приведен в табл. 1. Сплав 1 соответствует сплаву, принятому в качестве прототипа, сплавы 2-14 соответствуют предлагаемому сплаву, при этом сплавы 2 и 3 содержат компоненты по нижнему пределу их содержания в сплаве с учетом минимального суммарного содержания магния и индия, сплавы 4 и 5 - по верхнему пределу их содержания в сплаве с учетом максимального содержания магния и индия. Сплавы 6-14 имеют промежуточные значения по содержанию компонентов в сплаве, сплавы 5-20 - контрольные. Плавление шихты, рафинирование и литье слитков проводили при 710-730^оС. Слитки гомогенезировали при 525^оС 12 ч, затем механически обрабатывали и прокатывали при 450^оС на лист толщиной 6 мм. Термическую обработку листов проводили по двум вариантам: закалка с температуры 530^оС в воду, холодная деформация растяжением с остаточной деформации 2%, старение при 160^оС в течение 25 ч, закалка с температуры 530^оС в воду, старение при 160^оС в течение 25 ч.

Механические свойства листов термообработка по II варианту при криогенной температуре (-196^оС) приведены в табл. 2, там же приведен предел прочности σ_в^н образцов с надрезом и отношение σ_в^н/σ_в , характеризующее чувствительность материала к концентраторам напряжений.

В табл. 3 приведены механически свойства листов, термообработанных по двум вариантам. При комнатной температуре из анализа приведенных данных видно, что предлагаемый сплав имеет в 1,5-1,7 раза больше отношение σ_в^н/σ_e (соответственно меньшую чувствительность к концентраторам напряжений при криогенной температуре), чем известный сплав при сохранении высоких значений прочности (табл. 2 и 3). Кроме того, на уровень прочностных свойств предлагаемого сплава холодная пластическая деформация между закалкой и старением не оказывает влияния (табл. 3), а в известном сплаве при отсутствии указанной деформации уровень прочностных свойств снижается на 6-10 кгс/мм².

Таким образом, использование предлагаемого сплава на сложных по геометрии и нагрузке конструкций, работающих при криогенных температурах, позволяет повысить их надежность и снизить массу ориентировочно на 10-12%.

Сплав предназначен для применения в качестве конструкционного материала. Сплав содержит, мас.%: медь 2-6, литий 1,0-3,5, цирконий 0,02-0,25, церий 0,005-0,2, магний 0,01-0,55, индий 0,01-0,35, по крайней мере один металл, выбранный из группы, содержащей скандий 0,01-0,35, марганец 0,05-0,6, титан 0,01-0,15, железо 0,005-0,25, алюминий остальное, при суммарном содержании магния и индия 0,05-0,6. Свойства сплава следующие: чувствительность материала к концетраторам напряжения при -196°С равна 0,85-0,93, предел прочности при -196°С равен 70-74 кгс/мм² , предел текучести 59.5-63.0 кгс/мм² , относительное удлинение 13-16, 3 табл.

СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ, содержащий медь, литий, цирконий, церий, магний и по крайней мере один металл, выбранный из группы, содержащей скандий, марганец, титан и железо, отличающийся тем, что, с целью уменьшения чувствительности к концентраторам напряжений при криогенных температурах, а также чувствительности прочностных свойств к наличию холодной пластической деформации между закалкой и старением, он дополнительно содержит индий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Медь 2,0 - 6,0
Литий 1,0 - 3,5
Цирконий 0,02 - 0,25
Церий 0,005 - 0,2
Магний 0,01 - 0,55
Индий 0,01 - 0,35
по крайней мере один металл, выбранный из группы, содержащей:
Скандий 0,01 - 0,35
Марганец 0,05 - 0,6
Титан 0,01 - 0,15
Железо 0,005 - 0,25
Алюминий Остальное
причем суммарное содержание магния и индия составляет 0,05 - 0,6.