СПОСОБ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПЛАСТИЧНОСТИ ОБЪЕМНЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ ИЗ Al-Cu-Mg-Ag СПЛАВОВ
THERMOMECHANICAL PROCESSING FOR INCREASE IN DUCTILITY OF 3D SEMIS FROM Al-Cu-Mg-Ag ALLOYS

Изобретение относится к области металлургии алюминиевых сплавов, а именно к способу термомеханической обработки для повышения технологической пластичности полуфабрикатов из Al-Cu-Mg-Ag сплавов и дальнейшей формовки из них объемных деталей сложной формы, применяемых в авиакосмической технике и транспортном машиностроении.
Современные способы изготовления сложных высокоточных деталей в промышленности основаны на получении предварительных листовых или объемных заготовок и последующем процессе многоступенчатого сложного формообразования методами деформации давлением. Большинство высокопрочных алюминиевых сплавов, применяемых в авиастроении и транспортном машиностроении, являются термоупрочняемыми сплавами, имеющими сложную многофазную структуру, как в литом, так и в гомогенизированном состоянии. Часто технологические операции, включающие термическую и механическую обработку полуфабрикатов для изготовления требуемых деталей из данных сплавов, сопровождаются выделением в объеме заготовки высокой плотности дисперсных частиц различных фаз, что приводит к понижению технологической пластичности и, как следствие, увеличению длительности и числа операций процесса многоступенчатой формовки. Для повышения технологической пластичности данных сплавов необходимо проведение термомеханической обработки, включающей гомогенизационный отжиг для растворения грубых эвтектических включений, образовавшихся в процессе литья заготовок, и последующий гетерогенизационный отжиг для равномерного выделения частиц термодинамически стабильных фаз сферической формы по объему заготовки. Повысить пластичность объемных полуфабрикатов и решить проблему образования трещин можно разработав режим предварительной термомеханической обработки, включающей деформацию методом равноканального углового (РКУ) прессования, закалку и последующий гетерогенизационный отжиг.
Известен способ получения деформированных полуфабрикатов сложной формы из высокопрочных алюминиевых сплавов и изделий из таких полуфабрикатов (Патент РФ №2296811, МПК C22F 1/04, опубл. 10.04.2007), включающий следующие операции:
- отливка слитков,
- отжиг слитка при 400-420°C с выдержкой в течение 3 часов,
- обточка слитка,
- горячее прессование профилированной заготовки с коэффициентом распрессовки литого слитка 1,025-1,6,
- закалка заготовки,
- холодная деформация в три этапа: первый этап - правка растяжением,
второй этап - объемная гибка заготовки, третий этап - формовка изделия с локальной пластической деформацией сжатием со степенью деформации 1-15% в зонах сопряжения элементов заготовки;
- старение.
Известен способ получения тонкого листа для сверхпластической формовки из термоупрочняемых сплавов на основе алюминия системы Al-Mg-Li (SU №1529750, МПК C22F 1/04, опубл. 27.03.1996), включающий гомогенизацию слитков при 475-520°C в течение 3-8 ч, горячую прокатку, закалку с 490-520°C, гетерогенизационный отжиг при 385-410°C в течение 1-2 ч и холодную прокатку с промежуточными отжигами при 385-410°C в течение 5-30 минут через каждые 30-55% деформации, причем охлаждение после гетерогенизационного и промежуточных отжигов проводят со скоростью, равной 350-750°C/с.
Основным недостатком этих способов является низкая технологическая пластичность, что не позволяет проводить формовку объемных деталей из термоупрочняемых алюминиевых сплавов с высокой степенью деформации, достигающей ~30-40%.
Известен способ отжига катаных полуфабрикатов или изготавливаемых из них изделий из сплавов на основе алюминия (Патент РФ 2347006, МПК C22F 1/04, опубл. 20.02.2009). В данном изобретении отжиг проводят в две ступени, на первой из которых полуфабрикаты или изделия нагревают со скоростью более 100°C/ч до температуры в интервале с нижним пределом не ниже температуры начала рекристаллизации и верхним пределом не выше температуры равновесного солидуса алюминиевого сплава и выдержкой при этой температуре не более 60 мин. На второй ступени катаные полуфабрикаты или изделия подвергают отжигу при температуре в интервале с верхним пределом не выше температуры минимальной устойчивости твердого раствора алюминиевого сплава и нижним пределом не ниже температуры сольвуса зон Гинье-Престона с выдержкой при этой температуре в течение не более 10 ч. Однако этот способ не позволяет получить листы из термоупрочняемых алюминиевых сплавов с достаточно высокими показателями пластичности из-за малой выдержки на первой ступени отжига и, как следствие, не полной коагуляции интерметаллидных фаз.
Задачей изобретения является разработка способа термомеханической обработки термоупрочняемых алюминиевых сплавов системы Al-Cu-Mg-Ag, который обеспечивает получение технического результата - повышение технологической пластичности полуфабрикатов, позволяющей проводить формовку объемных заготовок из данных сплавов с высокой степенью деформации, достигающей ~30-40%.
Заявляемый технический результат достигается за счет того, что способ включает следующие операции:
- отливка слитков;
- гомогенизационный отжиг слитков при температурах 450-510°C в течение 2-24 часов. Обеспечивает растворение грубых эвтектических включений и распределение легирующих элементов по объему слитков;
- механическая обработка слитка для проведения РКУ прессования (токарная обработка, фрезерная обработка заготовок);
- РКУ прессование при 380-450°C в 1-2 прохода прессования до истинной степени деформации (ε) ~1…2 с последующим охлаждением с температуры деформации заготовок на воздухе. РКУ прессование проводится с целью устранения дефектов литья;
- нагрев полуфабрикатов до 500-530°C, выдержка при заданной температуре в течение 1-5 часов и последующая закалка в воду. При данной операции происходят процессы структурных превращений, такие как формирование пересыщенного твердого раствора, рекристаллизация и другие;
- гетерогенизационный отжиг, включающий в себя нагрев заготовок до 400-450°C, выдержку при этой температуре в течение 3-5 часов, контролируемое охлаждение со скоростью не более 50°C/ч до температуры 200-380°C, последующее охлаждение внутри выключенной печи до 25-100°C, продолжительностью не более 12 часов. Гетерогенизационный отжиг приводит к распаду пересыщенного твердого раствора и выделению наноразмерных частиц интерметаллидных фаз размером около 150-300 нм.
В результате обработки по предложенному способу обеспечивается получение термоупрочняемых Al-Cu-Mg-Ag сплавов со структурой, которая позволяет проводить формовку объемных полуфабрикатов из данных сплавов со степенями деформации, достигающими ~30-40%, не приводящую к образованию дефектов деформации получаемых изделий (трещины, разрывы, задиры и т.д.).
Примеры осуществления.
Пример 1. Из литого и гомогенизированного алюминиевого сплава следующего химического состава: медь 4,35% (здесь и далее химический состав указан в массовых процентах), магний 0,46%, серебро 0,63%, марганец 0,36%, титан 0,12%, алюминий - остальное, методом механической обработки получили заготовки для последующей термомеханической обработки. Гомогенизационный отжиг осуществляли при t=505±5°C в течение 24 часов с последующим охлаждением отливок внутри выключенной печи до ~100°С. Дальнейшую термомеханическую обработку проводили по схеме: деформация методом РКУ прессования при t=400±10°C в 2 прохода до получения истинной степени деформации ~2; нагрев до 525±5°C, выдержка при заданной температуре 1 час; закалка в воду; гетерогенизационный отжиг заготовок до t=430±5°C, выдержка в течение 3 часов; контролируемое охлаждение со скоростью ~10°C/ч до t=370±5°C и окончательное охлаждение заготовок внутри выключенной печи до температуры t=100°C.
Пример 2. Отличающийся от примера 1 тем, что после гетерогенизационного отжига заготовок контролируемое охлаждение со скоростью ~10°C/ч проводили до 280±5°C, далее выдерживали заготовки при заданной температуре 2 часа и охлаждали внутри выключенной печи до ~100°C.
Из полученных полуфабрикатов были вырезаны образцы для испытания механических свойств при комнатной температуре. В таблице 1 приведены результаты испытаний.
Таблица 1
Механические свойства на растяжение полуфабрикатов из термоупрочняемого Al-Cu-Mg-Ag сплава (скорость деформирования - 5,6×10<sup>-3</sup> с<sup>-1</sup>).
Способ термообработки
Предел текучести σ<sub>0,2</sub>, МПа
Предел прочности σ<sub>B</sub>, МПа
Относительное удлинение до разрушения δ, %
После гомогенизационного отжига
195
335
15
Пример 1
105
200
30
Пример 2
75
190
42
Как видно из полученных данных, предлагаемый способ термомеханической обработки позволяет повысить технологическую пластичность объемных полуфабрикатов из Al-Cu-Mg-Ag сплавов до ~30-40%.