Слоистый композиционный материал на алюминиевой основе Советский патент 1993 года по МПК B23K20/04 C22C21/00 

Изобретение относится к способам производства слоистых композиционных материалов на алюминиевой основе, предназначенных для изготовления сварных конструкций. Материал может быть использован в виде листов, плит, панелей и прочих слоистых полуфабрикатов в объектах судостроительной, авиационной, энергетической и других отраслей промышленности.

Цель изобретения - повышение механических свойств и работоспособности слоистого композиционного материала на алюминиевой основе в сварных конструкциях.

Поставленная цель достигается тем, что в слоистом композиционном материале толщина промежуточной прослойки АД 1 регламентируется в зависимости от толщины наружного слоя алюминиевого сплава, входящего в состав композиции, и составляет 2-6%.

Предложенное соотношение геометрических размеров прослойки из технически

чистого алюминия и слоя алюминиевого сплава в композиции позволяет повысить комплекс механических свойств ( статическую и усталостную прочность на растяжение, отрыв и сдвиг) не только основного слоистого материала, но и его сварных соединений благодаря достижению оптимального контактного взаимодействия слоев в процессе получения материала прокаткой, его сварки и эксплуатации в конструкциях. Контактное взаимодействие слоев определяется термодеформационным циклом воздействия в процессе прокатки и сварки, обуславливающим диффузное перераспределение легирующих элементов на границе раздела слоев и обеспечивающим упрочнение малопрочной прослойки при растяжении и отрыве в условиях временных и постоянных нагрузок. Контактное упрочнение зависит от механической податливости прослойки и возможности реализации через нее совместного деформирования слоев композиционного материала.

ел

с

00

о

о VI ю

со

Выбор относительной толщины прослойки из технически чистого алюминия марки АД1 в диапазоне 2-6 % от толщины наружного алюминиевого сплава, входящего в композицию, обусловлен тем, что при этих значениях реализуется комплекс оптимальных механических свойств слоистого материала и его сварных соединений. В рассмотрение приняты следующие соображения: оптимальный размер прослойки должен быть ограничен минимумом, который определяется размерами диффузной зоны легирующих элементов преимущественно из алюминиевого сплава в промежуточный слой с учетом влияния термодеформационного цикла сварки, т.е. толщина прослойки должна быть больше суммарной глубины проникновения в нее диффундирующих из соседних сплавов атомов, и максимумом - из условия достижения требуемой статической и усталостной прочности сварных соединений слоистого материала.

Как показали экспериментальные исследования, выполненные с привлечением микрорентгеноспектрального анализа, наибольшая глубина проникновения чистого алюминия имеет место при взаимодействии с ней наружного алюминиевого сплава любой системы легирования и составляет в основном материала (т.е. после прокатки и термообработки) 40-100 мкм, а в зоне термического влияния сварных соединений достигает 80-200 мкм. Дополнительное легирование металла прослойки цинком в количестве 1-1,5 % уменьшает на 20-50 % глубину проникновения в нее легирующих элементов.

Учитывая, что величина диффузной зоны алюминиевой прослойки как в композиции из однородных сплавов (например, алюминий-сталь, алюминий-титан и пр.), в процессе прокатки и сварки зависит от толщины наружного алюминиевого сплава, то признано целесообразным принять эту характеристику за базовую. В случае, если слоистая композиция является симметричной, т.е. плакирующий алюминиевый сплав находится с обеих сторон основы из более прочного сплава, в понятие толщина наружного слоя входит суммарная толщина обоих наружных слоев.

Нижняя граница регламентируемой толщины прослойки АД 1, равная 2 % от толщины наружного алюминиевого сплава, определяется минимально достигаемой в процессе прокатки и сварки слоистого материала ширины диффузной зоны. При меньших значениях прослойки проникновение легирующих элементов будет сквозным по

всей толщине, что приведет к ее упрочнению и снижению эффекта слоистости.

Верхняя - 6 % от толщины наружного алюминиевого сплава - обуславливается

минимально допустимой величиной прослойки, при которой в процессе эксплуатационных нагрузок имеет место ее контактное упрочнение и реализуется совместное деформирование слоев. При больших значениях прослойки снижается усталостная прочность сварных соединений слоистого материала до уровня свойств соединений из менее прочного сплава.

Сопоставительный анализ предлагае5 мого технического решения и прототипа по- казывает, что заявляемый материал отличается от известного тем, что вводимое соотношение толщины промежуточной прослойки из технически чистого алюминия и

0 наружного алюминиевого слоя объективно отражает протекающие процессы диффузионного взаимодействия на границах раздела контактирующих слоев и их совместного деформирования при изготовлении матери5 ала, его сварке и эксплуатации при циклических нагрузках.

Новизна определяется введением экспериментально обоснованной зависимости указанных величин, существенность отли0 чий подтверждается оптимальностью конструирования (компактирования) слоистого материала на алюминиевой основе с точки зроения достижения максимального комплекса свойств основного материала и его

5 сварных соединений. Усталостная долговечность сварных соединений слоистого композиционного материала из алюминиевых сплавов, выполненного по предлагаемому решению, повышается в 3-6 раз по

0 сравнению с прототипом (фиг.1, кривая 1). Аналогичные зависимости получены и для композиции алюминий-сталь. Так сварные соединения биметалла сплав 1561-сталь 10ХСНД толщиной 10 мм, изготовленного

5 по предлагаемому решению (сгпр 0,2 мм, что соответствует 4 % от толщины алюминиевого сплава 1561) имеют усталостную прочность на базе 2.10 циклов нагруже- ния на 20-30 % выше по сравнению с про0 тотипом.

Примерами слоистого композиционного материала на алюминиевой основе с использованием промежуточной прослойки из технически чистого алюминия, выполненно5 го по предлагаемому решению, является трехслойная композиция из алюминиевых сплавов марок 1561 и 1985, взятых в соотношении 1:2:1, полученная методом совместной горячей прокатки с суммарным обжатием 50-80 %, и двухслойная из апюминиевого сплава 1561 и стали 10ХСНД в Соотношении, близком 1:1, полученная путем однокомпонентной деформации со сте- пенью обжатия 30-60 %. Толщина слоистого материала составляла 10 мм, в том числе наружного слоя алюминиевого сплава - 5 мм. Толщина прослойки и в заявляемом материале составляла 100-300 мкм и находилась в диапазоне (2-6) % от толщины наружного алюминиевого слоя. Сварные пластины изготовлены ручной аргонодуго- рой сваркой неплавящимся электродом. Макрошлифы поперечных сечений подтверждают получение качественных сварных соединений слоистого материала обоих типов без расслоений и трещин по металлу малопрочной промежуточной прослойки (фиг.З, 4).

На фиг.З показаны макро- и микроструктура сварных соединений слоистого композиционного материала из алюминиевых сплавов марок 1561 и 1985 (Еамиар 5 мм;

OHp 120 мкм;

о.

7.

пр нар

2,4 %); на фиг.4 - из

алюминиевого сплава марки 1561 и стали марки 10ХСНД( ОА|нар 5мм; оьр 250мкм;

5 %). инар

Сравнительные испытания стыковых соединений слоистого композиционного материала, проведенные в условия статического и переменного нагружения, показывает, что механические свойства композиций, выполненных по предлагаемому решению, на (20-40) % выше по сравнению с прототипом (табл.).

Использование предлагаемых слоистых композиционных материалов из алюминиевых сплавов наиболее эффективно для изго0

5

0

5

товления циклически нагруженных сварных узлов судостроительных корпусных конструкций. При этом технико-экономические преимущества заключаются в снижении металлоемкости за счет повышения прочностных характеристик материала и увеличение эксплуатационного ресурса благодаря повышению усталостной прочности сварных соединений. Экономический эффект, приведенный к 1 т сварных конструкций, изготовленных из этого материала, составляет 0,5 тыс./руб., что соответствует 40 % экономии от применения сплава марки 1561.

Слоистый композиционный материал на основе алюминиевого сплава 1561 и низколегированной стали 10ХСНД незаменим как биметаллический переходник при изготовлении конструкций, соединяющих палубу и надстройку в судах различного водоизмещения. -Годовой экономический эффект от внедрения в заказах только на заводе Северная верфь составит 54,6 тыс.руб.

Формула изобретения Слоистый композиционный материал на алюминиевой основе, содержащий промежуточную прослойку из технически чистого алюминия, отличающийся тем, что, с целью повышения его механических свойств и эксплуатационной стойкости путем обеспечения условий оптимального

контактного взаимодействия слоев, промежуточная прослойка выполнена толщиной, равной 2-6 % толщины слоя алюминиевой основы.

Использование: судостроение. Сущность изобретения: толщина прослойки из технически чистого алюминия в слоистом композиционном материале на алюминиевой основе, полученном прокаткой, выбирается из условия оптимального контактного взаимодействия слоев и составляет (2-6) % от толщины наружного слоя из алюминиевого сплава. 4 ил., 1 табл.

Результаты испытаний слоистого композиционного материала на алюминиевой основе в

исходном состоянии и после сварки

Примечание:

Приведены средние значения результатов испытаний 5-8 образцов каждого типа.

Продолжение таблицы