ЖАРОПРОЧНЫЙ ДЕФОРМИРУЕМЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО
HEAT RESISTANT DEFORMED ALLOY ON BASE OF ALUMINIUM AND ITEM MADE OF IT

Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым сплавам на основе алюминия, используемым в качестве конструкционного материала в греющихся деталях.
Известен жаропрочный деформируемый сплав на основе алюминия марки Д21 системы алюминий-медь-магний, предназначенный для использования в греющихся деталях летательных аппаратов и содержащий, мас.%:
медь
6,0-7,0
магний
0,25-0,45
марганец
0,4-0,8
титан
0,1-0,2
алюминий
остальное
(ОСТ 190048-90 «Сплавы алюминиевые деформируемые»).
Сплав рекомендовано использовать для основных нагруженных деталей летательного аппарата, подвергающихся эксплуатационному нагреву до температуры 175°С.
Недостатком этого сплава является низкая длительная прочность и невысокие характеристики трещиностойкости, что не позволяет использовать полуфабрикаты из этого сплава для изготовления высоконагруженных конструкционных деталей, подвергаемых знакопеременным нагрузкам, в которых высокая вероятность появления усталостных трещин может привести к разрушению.
Известен жаропрочный деформируемый сплав на основе алюминия, предназначенный для изготовления греющихся деталей летательных аппаратов и содержащий, мас.%:
медь
5,5-6,5
магний
0,2-0,35
марганец
0,4-0,8
титан
0,05-0,1
цирконий
0,06-0,2
ванадий
0,05-0,15
молибден
0,02-0,08
кремний
0,12-0,25
алюминий
остальное
молибден:ванадий
1:2
(RU №2048577, опубл. 20.11.1995 г.).
Сплав обладает средним уровнем прочностных свойств при комнатной и повышенных до 175-200°С температурах.
Недостатком этого сплава является невысокий уровень прочностных характеристик при комнатной и повышенных температурах, что ограничивает область применения этого сплава и позволяет изготовлять из него только детали с ограниченным уровнем эксплуатационных характеристик.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является жаропрочный деформируемый сплав на основе алюминия, предназначенный для изготовления греющихся деталей летательных аппаратов и содержащий, мас.%:
медь
4,4-5,4
магний
0,45-0,8
марганец
0,4-0,8
титан
0,03-0,15
цирконий
0,05-0,20
ванадий
0,05-0,15
молибден
0,01-0,15
кремний
0,03-0,25
серебро
0,4-0,8
германий
0,05-0,20
никель
0,01-0,50
железо
0,01-0,5
алюминий
остальное,
при этом сумма марганца, титана, циркония, ванадия и молибдена должна составлять 0,55-1,0 (RU №2226568, опубл. 10.04.2004 г.), прототип.
Горячепрессованные изделия из этого сплава в термически обработанном состоянии обладают более высоким уровнем прочностных характеристик при комнатной и повышенных до 200°С температурах благодаря выбранному составу и получению изделий с нерекристаллизованной структурой.
Недостатком сплава является получение в некоторых полуфабрикатах и изделиях после термической обработки неоднородной (смешанной) или полностью рекристаллизованной структуры. Это является следствием склонности сплава к рекристаллизации, если деформирование в процессе изготовления изделий, например, холоднокатаных листов, происходит при температуре ниже 300°С. Рекристаллизация в процессе упрочняющей термической обработки является негативным явлением, приводящим к снижению прочности. Изменение структуры от нерекристаллизованной до рекристаллизованной в термически обработанных полуфабрикатах и полученных из них изделий приводит к большому разбросу механических свойств и характеристик сопротивления деформации при повышенных температурах.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка сплава, обладающего повышенными прочностными характеристиками для всех видов полуфабрикатов и деталей в термически обработанном состоянии при комнатной и повышенных температурах при кратковременных и длительных нагрузках.
Для решения поставленной задачи предлагается жаропрочный деформируемый сплав на основе алюминия, содержащий, мас.%:
медь
4,4-5,4
магний
0,45-0,8
марганец
0,3-0,5
титан
0,03-0,10
цирконий
0,08-0,15
хром
0,05-0,15
скандий
0,08-0,15
кремний
0,03-0,25
серебро
0,4-0,8
германий
0,05-0,2
никель
0,01-0,5
железо
0,01-0,5
алюминий
остальное,
при этом сумма марганца, титана, циркония, хрома и скандия должна составлять 0,70-1,05 при соотношениях скандий/цирконий = 1-1,875 и никель/железо = 0,95-1,05 и изделие, выполненное из этого сплава.
Предложенный сплав и выполненное из него изделие отличается от прототипа тем, что сплав дополнительно содержит хром и скандий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
медь
4,4-5,4
магний
0,45-0,80
марганец
0,3-0,5
титан
0,03-0,10
цирконий
0,08-0,15
хром
0,05-0,15
скандий
0,08-0,15
кремний
0,03-0,25
серебро
0,4-0,8
германий
0,05-0,20
никель
0,01-0,50
железо
0,01-0,50
алюминий
остальное,
при этом сумма марганца, титана, циркония, хрома и скандия должна составлять 0,70-1,05 при соотношениях скандий/цирконий = 1-1,875 и никель/железо = 0,95-1,05.
Полуфабрикаты и изделия из предлагаемого сплава имеют однородную по всему объему полуфабриката нерекристаллизованную структуру и соответственно высокие прочностные характеристики как при комнатной, так и при повышенной температуре. Однородность структуры обеспечивает малый разброс свойств.
Предлагаемый химический состав сплава обеспечивает высокое сопротивление рекристаллизации и соответственно высокую термическую стабильность деформированной структуры. Это позволяет использовать интенсивную пластическую деформацию для получения полуфабрикатов и изделий с устойчивой субмикрокристаллической структурой, которая сохраняется при высокотемпературных нагревах под закалку.
3
Повышенная термическая стабильность деформированной структуры изделия из предлагаемого сплава обусловлена присутствием переходных металлов (марганца, титана, циркония, хрома и скандия). Полуфабрикаты из предлагаемого сплава имеют высокую плотность дисперсоида из мелких включений наиболее эффективных алюминидов переходных металлов. Добавка скандия образует дисперсные вторичные частицы AlSc, которые стабилизируются частично растворяющимися в них Zr, Ti, Cr. Добавка Mn образует свой дисперсоид в другом размерном диапазоне, дополнительно стабилизируя нерекристаллизованную структуру изделия.
Это позволяет обеспечить высокое сопротивление рекристаллизации после горячего и теплого деформирования, в том числе при применении равноканального углового прессования или холодной прокатки. Нерекристаллизованная субмелкозернистая структура, устойчивая к огрублению при температуре эксплуатации, позволяет получить повышенную длительную прочность и тем самым повышает срок службы изделий - и, как следствие, повышение срока службы летательных аппаратов.
Пример осуществления.
Приготовили в электрической печи плавки сплавов приведенного в таблице 1 состава, из которых отлили полунепрерывным методом слитки диаметром 107 мм. Слитки из сплава-прототипа и предлагаемого сплава после гомогенизации и механической обработки на диаметр 95 мм при температуре 400°С осадили по образующей на размер 40×177×200 мм. Полученные заготовки подвергли при температуре 300°С равноканальному угловому прессованию (РКУП) в три прохода через матрицу сечением 40×177 мм и затем при комнатной температуре их прокатали на лист толщиной 2 мм. Полученные листы подвергли упрочняющей термической обработке: закалка в воде после нагрева продолжительностью 20 мин при температуре 525°С и искусственное старение по режиму 190°С - 6 ч.
B
0,2
1000
175
Полученный материал с нерекристаллизованной субмелкокристаллической структурой подвергли испытаниям с определением временного сопротивления σ, предела текучести σ, относительного удлинения δ, длительной прочности σ  за 1000 ч при 175°С. При этом механические свойства на растяжение определяли при комнатной температуре и при 175°С. Результаты испытаний приведены в таблице 2.
Данные таблицы 2 показывают, что предлагаемый сплав имеет по сравнению с прототипом повышенные на 30-50 МПа прочностные характеристики при комнатной и повышенных температурах и более высокую длительную прочность.
В предложенном сплаве отсутствуют имеющиеся в прототипе ванадий и молибден, которые заменены на более эффективные элементы-антирекристаллизаторы хром и скандий.
Таким образом, термически упрочняемые полуфабрикаты и изделия с субмикроскопической структурой из предлагаемого сплава обладают уникальным сочетанием служебных характеристик при комнатной и повышенной температурах.
Таблица 1.
Химический состав сплавов (масс.%)
Сплав
Cu
Mg
Mn
Ti
Zr
V
Mo
Cr
Sc
Si
Ag
Ge
Ni
Fe
Al
Предлагаемый
5,0
0,6
0,4
0,06
0,12
-
-
0,1
0,12
0,2
0,55
0,13
0,08
0,07
ост
Прототип
4,9
0,6
0,58
0,04
0,10
0,05
0,03
-
-
0,2
0,50
0,14
0,10
0,11
ост
Таблица 2.
Механические свойства изделий в продольном направлении
Сплав
Свойства при 20°С
Свойства при 175°С
σ<sub>1000</sub> <sup>175</sup>, МПа
σ<sub>B</sub>, МПа
σ<sub>0,2</sub>, МПа
δ, %
σ<sub>B</sub>, МПа
σ<sub>0,2</sub>, МПа
5,%
Предлагаемый
550
490
10
425
390
10
225
Прототип
500
440
9
380
360
11
200