Высокопрочные быстрозакристаллизованные алюминиевые сплавы систем Al-Zn-Mg и Al-Zn-Mg-Cu

БЫСТРАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ И ГРАНУЛИРОВАННЫЕ СПЛАВЫ

УДК 669.715:621.74

ВЫСОКОПРОЧНЫЕ БЫСТРОЗАКРИСТАЛЛИЗОВАННЫЕ АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ СИСТЕМ Al-Zn-Mg И Al-Zn-Mg-Cu

О.Е. Осинцев, докт. техн. наук

Рассмотрено применение метода быстрой кристаллизации к созданию высокопрочных термически упрочняемых алюминиевых сплавов систем Al-Zn-Mg и Al-Zn-Mg-Cu, которые по прочностным свойствам, коррозионной стойкости и основным характеристикам конструктивной прочности превосходят серийные сплавы этих систем легирования, получаемые по традиционной технологии. Проанализировано влияние легирующих компонентов на фазовый состав, структуру и свойства быстрозакристаллизованных сплавов. Сформулированы подходы к созданию новых быстрозакристаллизованных сплавов и показаны возможности их реализации на примере высокопрочных сплавов систем Al-Zn-Mg и Al-Zn-Mg-Cu.

Ключевые слова: алюминиевые сплавы, металлургия гранул, быстрая кристаллизация, легирующие компоненты, механические и коррозионные свойства.

High-Strength Rapidly Solidified Al-Zn-Mg and Al-Zn-Mg-Cu Aluminium Alloys. O.Ye. Osintsev, V.Yu. Konkevich.

Application of the rapid solidification technique with reference to creation of high-strength heat-treatable Al-Zn-Mg and Al-Zn-Mg-Cu aluminium alloys is discussed. These alloys are superior to commercial ones belonged to the same alloying systems and produced via the conventional technology in strength properties, corrosion resistance and main structural strength characteristics. The effect of alloying components on a phase composition, structure and properties of the rapidly solidified alloys is analysed. Approaches to creation of new rapidly solidified alloys are determined and possibilities of realization of the approaches as applied to high-strength Al-Zn-Mg and Al-Zn-Mg-Cu aluminium alloys are shown.

Key words: aluminium alloys, powder metallurgy, rapid solidification, alloying components, mechanical and corrosion properties.

Введение

Развитие авиакосмической техники, судостроения, автомобильной промышленности и других отраслей машиностроения требует использования в конструкциях качественно новых высокопрочных материалов, отличающихся высокими эксплуатационными свойствами. К таким материалам относятся деформируемые алюминиевые сплавы систем Д!-7п-М^ и Д!-7п-М^-Си.

Важную роль в сплавах этих систем играют небольшие добавки переходных металлов

(хром, марганец, цирконий, титан), в последние годы часто используют скандий. Переходные металлы (ПМ) улучшают многие свойства и являются, по существу, обязательными компонентами во всех промышленных сплавах данных систем легирования [1]. Повышению прочностных свойств этих сплавов может способствовать увеличение концентрации как основных легирующих компонентов, так и ПМ. Однако эти возможности ограничены при использовании традиционной технологии получения слитков методом непрерывного литья.

Значительный прогресс в области создания высокопрочных сплавов систем А1-7п-М^ и А1-7п-М^-Си связан с использованием метода быстрой кристаллизации при литье. Проведенные под руководством В. И. Добаткина, В.И. Елагина и ученых их школ исследования внесли большой научных вклад в теорию и практику получения быстрозакристаллизован-ных частиц и деформируемых полуфабрикатов из них, что позволило создать целый ряд новых гранулируемых сплавов [2-6].

Высокопрочные свариваемые сплавы системы А!-2п-М|

На основе сплавов системы Al-Zn-Mg разработана целая группа высокопрочных свариваемых термически упрочняемых сплавов [1, 7]. В них различают две группы легирующих компонентов. Это, прежде всего, основные компоненты - цинк и магний*, которые определяют систему легирования, образуют фазы-упрочнители при термической обработке, определяют природу сплавов и общий уровень механических и технологических свойств. Исключительно важную роль в сплавах выполняет вторая группа компонентов - переходные металлы: марганец, хром, цирконий, титан и скандий. Эти компоненты являются сильными антирекристалли-заторами, способствуют структурному упрочнению, ответственны за проявление пресс-эффекта во многих полуфабрикатах. Они улучшают многие технологические свойства, повышают характеристики конструктивной прочности и, по существу, определяют облик современных высокопрочных алюминиевых сплавов [1, 7].

К достоинствам этих сплавов относится хорошая свариваемость, высокая устойчивость твердого раствора цинка и магния в алюминии, которая проявляется в так называемой самозакаливаемости, то есть способности закаливаться при охлаждении на воздухе, вследствие чего свойства сварных соединений после старения приближаются к свойствам основного материала. Сплавы имеют высокую общую коррозионную стой-

*В высокопрочных свариваемых сплавах системы А!-Zn-Mg возможно также присутствие небольших количеств меди.

кость, отличаются высокой технологичностью при производстве деформированных полуфабрикатов^].

Однако при работе со сплавами системы Al-Zn-Mg следует иметь в виду, что в определенных условиях они проявляют повышенную чувствительность к коррозионному растрескиванию (КР) под напряжением. Стойкость против КР зависит от многих факторов, но главным, определяющим - является суммарное содержание цинка и магния: чем выше сумма цинка и магния, тем сильнее подвержены сплавы коррозии под напряжением [7]. Поэтому в промышленных свариваемых сплавах на основе системы Al-Zn-Mg, полученных по стандартной технологии, суммарное содержание цинка и магния не превышает 6-6,5 %.

Анализ комплекса физико-механических и технологических свойств показывает, что система Al-Zn-Mg является весьма перспективной для разработки термически упрочняемых свариваемых сплавов. Существующие отечественные сплавы 1915,1935 и их зарубежные аналоги 7004, 7005, AlZnMg1 и др. хорошо свариваются, обладают высокой коррозионной стойкостью, упрочняются термической обработкой, высокотехнологичны. Однако прочностные характеристики как основного металла, так и сварного соединения, зачастую недостаточно высоки для применения в силовых конструкциях. Так, для профилей из сплава 1915 (режим старения Т1) ав=370-390 МПа; а02=310-330 МПа; для листов а =350-370 МПа; а =270-

в 0,2

300 МПа [1, 7]. Это связано с относительно низким содержанием цинка и магния в сплаве (до 5,8 % мас.). Попытки повысить прочность полуфабрикатов за счет увеличения содержания (Zn+Mg) в сплавах до 6,5-7,0 % мас. не дали положительных результатов, так как при изготовлении сварных конструкций сплавы показывали значительную склонность к коррозии под напряжением. Не решает проблемы и введение в состав повышенного количества меди, поскольку она, повышая стойкость против КР, ухудшает свариваемость и общую коррозионную стойкость.

Другим способом повышения уровня прочности свойств и стойкости сплавов системы

Al-Zn-Mg против КР под напряжением является увеличение содержания ПМ. Однако возможность повышения их концентрации в сплавах данной системы ограничена при получении массивных слитков методом непрерывного литья. При такой технологии литья в структуре сплава получают, как правило, крупные первичные алюминиды ПМ, и из таких слитков не удается изготовить качественные деформированные полуфабрикаты. Исключение в этом смысле представляет скандий, который в условиях кристаллизации слитков может образовывать пересыщенный твердый раствор и способствовать заметному повышению прочности. Однако применение скандия существенно удорожает сплав.

Дальнейшие усилия в области создания высокопрочных алюминиевых сплавов на основе систем Al-Zn-Mg и Al-Zn-Mg-Cu связаны с получением литой заготовки с высокими скоростями охлаждения при кристаллизации (порядка 103-104 К/с), что на несколько порядков выше скоростей кристаллизации при полунепрерывном литье [24]. Технология быстрой кристаллизации позволила исключить ряд специфических недостатков, свойственных сплавам, выплавляемым по обычной технологии.

Возможность улучшения свойств алюминиевых сплавов обусловлена тем, что условия быстрой скорости охлаждения при кристаллизации позволяют:

- значительно увеличить растворимость переходных металлов (хрома, марганца, циркония, титана и др.) в алюминиевом твердом растворе;

- ввести в состав сплава такие элементы, легирование которыми невозможно при традиционном методе изготовления материала из слитков;

- образовывать новые метастабильные упрочняющие фазы и создавать дополнительные механизмы упрочнения материала.

Это обстоятельство открывает возможность разработки новых быстрозакристалли-зованных сплавов повышенной прочности на основе систем Al-Zn-Mg и Al-Zn-Mg-Cu с дополнительным легированием ПМ в большем количестве, чем это применяется в существующих сплавах, получаемых из слитков.

Повышенная прочность быстрозакристалли-зованных сплавов по сравнению с прочностью сплавов, изготавливаемых из слитка, определяется сочетанием двух механизмов упрочнения:

- дисперсионного твердения, связанного с образованием зон ГП и выделением дисперсных метастабильных упрочняющих цинк-магниевых фаз в результате закалки и старения полуфабрикатов;

- упрочнения за счет образования дисперсных алюминидов переходных металлов непосредственно в процессе быстрой кристаллизации расплава или выделения их из пересыщенного твердого раствора при последующей обработке гранул (порошков) во время изготовления полуфабрикатов [9].

Рост упрочнения по первому механизму, по сравнению с традиционными сплавами, изготавливаемыми из слитка, определяется тем, что для сплавов системы Al-Zn-Mg использование метода гранульной металлургии с быстрой кристаллизацией расплава позволило довести суммарное содержание цинка и магния до 8-9 % мас. Высокая степень упрочнения по второму механизму определяется тем, что, например, содержание такого труднорастворимого в алюминии тугоплавкого металла, как цирконий, удается довести до 0,7-1,0 % мас., то есть в 4-5 раз больше, чем в сплавах данной системы, изготовленных по обычной технологии из слитков полунепрерывного литья.

Таким образом, с использованием дополнительных возможностей легирования, которые открывает высокоскоростная кристаллизация, был разработан гранулируемый сплав 01949 [5, 10]. По прочностным свойствам сплав 01949 значительно превосходит промышленные термически упрочняемые свариваемые сплавы, такие как 1915,1201 и 1420. Аналогов за рубежом у сплава 01949 нет. Листы из сплава 01949 толщиной 2 мм после старения на максимальную прочность по режиму Т1 (120 °С, 20 ч) имеют ав=580-600 МПа, а02=520-550 МПа, 5=7-10 %, после ступенчатого смягчающего режима старения Т2 (100 °С,16 ч+160 °С, 8 ч) - ав=520-540 МПа, а02=480-500 МПа, 5=10-12 %, что значительно выше, чем у стандартных свари-

ваемых алюминиевых сплавов. Таким образом, сплав 01949 практически является самым прочным свариваемым алюминиевым сплавом. Он хорошо зарекомендовал себя в условиях металлургического производства и при изготовлении сварных конструкций, обладает высокой коррозионной стойкостью, хорошей свариваемостью. При стандартных испытаниях на КР акр>350 МПа. Проведенные совместно с сотрудниками Института электросварки им. Е.О. Патона всесторонние исследования свариваемости показали, что при аргонодуговой и электронно-лучевой сварке удается получить качественные плотные соединения с высоким (до 0,8-0,85) коэффициентом прочности.

Высокопрочные сплавы

системы Д!-2п-М|-Си

Другой важной группой конструкционных материалов на основе алюминия являются сплавы четырехкомпонентной системы Д!-Zn-Mg-Cu. Поскольку медь повышает стойкость против КР под напряжением, суммарное содержание цинка и магния в этих сплавах значительно выше, чем в сплавах тройной системы. На основе системы Д!-Zп-Mg-Си разработаны самые высокопрочные термически упрочняемые конструкционные алюминиевые сплавы [1]. Они относятся к категории несвариваемых сплавов.

Химический состав известных сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu (В95, В95пч, В95оч, 1933, В96Ц и др.) оптимизирован исходя из их назначения и условий эксплуатации, что определяет технологические и эксплуатационные особенности каждого из них. Поэтому они несколько отличаются по уровню легиро-ванности основными компонентами, а также

содержанием переходных металлов и количеством примесей железа и кремния. Близкие по составу к отечественным сплавы системы Al-Zn-Mg-Cu имеются в стандартах США, Германии, Японии и Франции [11].

Из рассматриваемой группы материалов наиболее высокопрочным является сплав В96Ц. Он содержит максимальное, по сравнению с другими сплавами, количество основных компонентов и дополнительно легирован цирконием.

Попытки дальнейшего увеличения прочностных свойств сплавов системы Д!-Zп-Mg-Си, изготовляемых по традиционной технологии из слитка, не дали положительных результатов вследствие того, что повышение уровня легирования основными компонентами приводит к снижению технологичности при литье и горячей деформации. Поэтому дальнейшие исследования по повышению прочности алюминиевых сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu связаны с использованием металлургии гранул.

В настоящее время в России, США и других странах в промышленном масштабе успешно применяют полуфабрикаты из нескольких высокопрочных быстрозакристаллизованных алюминиевых сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu.

Химический состав отечественных быстро-закристаллизованных сплавов 01959,01969 и 01979 приведен в табл. 1.

Как следует из табл. 1, сплавы отличаются друг от друга не только суммарным содержанием основных компонентов, но и переходных металлов (циркония, титана, хрома, кобальта, никеля).

При разработке быстрозакристаллизованных сплавов 01959, 01969, 01979 на основе системы Al-Zn-Mg-Cu использованы те же

Таблица 1 Химический состав сплавов 01959, 01969, 01979 [3]

Сплав* Суммарное содержание основных компонентов (Zn+Mg+Cu), % мас. Суммарное содержание переходных металлов, % мас.

01959 01969 01979 * Al - ос 8,6-10,9 11,0-13,5 12,2-15,7 нова. 0,8-2,15 1,15-2,4 1,2-2,2

принципы легирования, которые были реализованы при создании высокопрочного свариваемого сплава на основе системы Al-Zn-Mg. Причем, что касается переходных металлов, то в этом случае был использован принцип комплексного легирования растворимыми (из группы Zr, Сг, Т ) и нерастворимыми ( Ы1, Со) металлами.

Цирконий играет важнейшую роль в повышении прочностных свойств, коррозионной стойкости и других характеристик сплавов. Это связано с тем, что в условиях быстрой кристаллизации цирконий образует в сплавах пересыщенный твердый раствор с концентрацией, в несколько раз превышающей равновесную. При изготовлении деформированных полуфабрикатов из гранул во время технологических нагревов (нагревы при ком-пактировании гранул, под горячую деформацию, под закалку и т.д.) происходит распад пересыщенного цирконием алюминиевого твердого раствора с выделением очень дисперсных (~50 нм), когерентных матрице частиц метастабильной фазы Al3Zr с кубической решеткой И2 и с периодом, близким периоду решетки алюминиевой матрицы. Присутствие в структуре дисперсных алюминидов циркония Al3Zr и является фактором упрочнения сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu и улучшения других свойств.

Метод быстрой кристаллизации позволил ввести в сплавы системы Al-Zn-Mg-Cu металлы УИ^ группы (кобальт и никель), которыми стандартные сплавы не легируют. Эти элементы образуют дисперсные алюминиды типа AlgCo2 и Alg(Co,Ni)2 уже непосредственно в процессе кристаллизации расплава во вре-

мя гранулирования. Размер частиц алюминидов этих фаз составляет примерно 0,10,3 мкм. Легирование данными компонентами способствует росту прочности за счет увеличения эффекта старения с сохранением при этом хороших пластических характеристик сплавов.

Таким образом, благодаря комплексному легированию сплавов различными группами переходных металлов, а также за счет увеличения суммарного содержания основных компонентов (прежде всего цинка и магния) были разработаны высокопрочные быстро-закристаллизованные сплавы 01959, 01969 и 01979 на основе системы Al-Zn-Mg-Cu.

Как показывают данные табл. 2, по прочностным свойствам сплавы 01959, 01969, 01979 значительно превосходят стандартный сплав В95 системы Al-Zn-Mg-Cu, а характеристики конструкционной прочности у них близки. Причем по малоцикловой усталости (МЦУ) быстрозакристаллизованные сплавы превосходят стандартный сплав В95, а по скорости распространения трещины при испытаниях на усталость (СРТУ) и вязкости разрушения (К ) несколько уступают ему.

Сплавы 01979, 01969 и 01959 по коррозионной стойкости превосходят стандартные сплавы системы Al-Zn-Mg-Cu. Об этом свидетельствуют данные, представленные в табл. 3: сплав 01969 по стойкости против коррозионного растрескивания под напряжением (а ) и по характеристикам расслаивающей (РСК) и межкристаллитной (МКК) коррозии существенно превосходит стандартный сплав В95.

Полуфабрикаты из высокопрочных быст-розакристаллизованных сплавов подвергают

Таблица 2

Механические свойства прессованных полуфабрикатов из быстрозакристаллизованных сплавов 01959, 01969, 01979 и стандартного сплава В95 [3]

Сплав* а , МПа в' а0,2, МПа 5, % МЦУ, кциклы при а =160 МПа тах СРТУ, мм/кциклы при АК, МПа К, ,

15,5 25,9

01959 620 590 12 150 0,9 1,7 50

01969 690 660 8 120 1,21 2,7 47

01979 800 750 5 - - - -

В95 530 450 12 90 0,5 1,4 57

* Все сплавы подвергались закалке и старению по режиму Т2.

Таблица 3

Характеристики коррозионной стойкости сплавов 01969 и В95 в состоянии Т1 [3]

Сплав Полуфабрикат о , МПа кр' РСК,баллы МКК, мм Скорость коррозии А^, г/м2

01969 В95 Профили, листы Листы >350 250 4-6 6-8 Отсутствует 0,20 0,02

закале с 470 °С с охлаждением в воде и искусственному старению по режимам Т1 и Т2. Режим Т1 обеспечивает получение максимальной прочности при удовлетворительной коррозионной стойкости и конструкционной прочности, режим Т2 позволяет получить несколько меньшую прочность, но более высокие коррозионную стойкость и характеристики конструкционной прочности. Указанный комплекс свойств позволяет использовать полуфабрикаты из быстрозакристаллизован-ных сплавов для изделий авиакосмического назначения [3]. Сплав 01959 имеет меньшее содержание основных компонентов и переходных металлов, чем сплавы 01969 и 01979 (см. табл. 1). Поэтому по прочностным свойствам он несколько уступает этим сплавам, однако характеристики конструкционной прочности, которые определяют длительность и надежность работы материала в конструкциях, у сплава 01959 существенно выше. Полуфабрикаты из сплава 01959 могут быть рекомендованы для изделий повышенного ресурса, в частности прессованные профили из сплава 01959 применяются в самолетах, разработанных конструкторским бюро «Антонов». Из всех гранулируемых сплавов могут быть изготовлены прессованные, катаные и штампованные полуфабрикаты.

Первые зарубежные работы по созданию высокопрочных быстрозакристаллизованных сплавов на основе системы Al-Zn-Mg-Cu относятся к началу 70-х годов прошлого века [12, 13]. Они привели к созданию фирмой Alcoa (США) двух порошковых быстрозакрис-таллизованных сплавов 7090 и 7091 для производства штамповок, прессованных и катаных полуфабрикатов. Эти сплавы дополнительно легированы кобальтом: 0,4 и 1,5 %

в сплавах 7091 и 7090 соответственно. Сплавы выпускаются серийно [14], и полуфабрикаты из них прошли летные испытания на военных и гражданских самолетах. В высокопрочных быстрозакристаллизованных сплавах системы А1-7п-М^-Си второго поколения в качестве переходных металлов введены 7г и N (сплав CW67), 7г и Со (сплав МР61), Сг, 7г и Со (сплав 7064). Сплав МР61 благодаря присутствию в составе Со и 7г обладает удачным сочетанием прочности, пластичности с хорошим сопротивление КР и расслаивающей коррозии. Опытные партии прессованных профилей из сплава МР61 были использованы для изготовления сидений в самолете Боинг-727 наряду со сплавом 7090 [14].

Заключение

Комплексное легирование растворимыми ^г, Сг, И) и нерастворимыми (У111А группы) переходными металлами в сочетании с повышенной концентрацией основных легирующих компонентов позволило создать группу новых высокопрочных гранулируемых термически упрочняемых сплавов на основе систем Al-Zn-Mg и Al-Zn-Mg-Cu, которые по прочностным свойствам, коррозионной стойкости и по ряду характеристик конструкционной прочности превосходят существующие серийные высокопрочные алюминиевые сплавы.

Среди разработанных сплавов можно отметить самый прочный свариваемый сплав 01949 (предел прочности при статическом растяжении до 600 МПа, коэффициент прочности сварного соединения до 0,85) и самый прочный алюминиевый сплав 01979 (предел прочности при статическом растяжении до 800 МПа, относительное удлинение ~5 %).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Алюминиевые сплавы. Промышленные алюминиевые сплавы: Справ. изд./Отв. ред. Ф.И. Квасов, И.Н. Фридляндер. - М.: Металлургия, 1984. - 558 с.

2. Добаткин В.И., Елагин В.И. Гранулируемые алюминиевые сплавы. - М.: Металлургия, 1981. - 175 с.

3. Добаткин В.И., Елагин В.И., Федоров В.М.

Быстрозакристаллизованные алюминиевые сплавы. - М.: ВИЛС, 1995. - 341 с.

4. Бондарев Б.И., Шмаков Ю.В. Технология производства быстрозакристаллизованных алюминиевых сплавов. - М.: ВИЛС, 1997. -231с.

5. Осинцев О.Е., Конкевич В.Ю., Капуткин Е.Я.

Структура и свойства основного металла и сварных соединений высокопрочного гранулируемого сплава 01949//Материаловедение. 1997. № 4. а 13-18.

6. Конкевич В.Ю., Лебедева Т.И., Курбатов В.П., Осинцев О.Е. Перспективы использования высокопрочных гранулируемых алюминиевых сплавов в автомобилях нового поколе-ния//Технология легких сплавов. 1997. № 4. а 13-15.

7. Елагин В.И., Захаров В.В., Дриц А.М. Структура и свойства сплавов системы Al-Zn-Mg. - М.: Металургия, 1982. - 224 с.

8. Алюминиевые сплавы. Производство полуфабрикатов из алюминиевых сплавов: Справ. изд./Отв. ред. А.Ф. Белов, Ф.И. Квасов. - М.: Металлургия, 1985. - 352 с.

9. Осинцев О.Е. Механизм упрочнения высокопрочных быстрозакристаллизованных сплавов системы Al-Zn-Mg//Материаловедение. 1998. № 5. C. 30-36.

10. Федорова Л.В., Осинцев О.Е., Соколов А.С., Федоров В.М. Свариваемый высокопрочный алюминиевый сплав//Авиационная промышленность. 1993. № 3-4. C. 43-47.

11. Международный транслятор современных сталей и сплавов. Т. 3/Под. ред. Вс. Крешенбау-ма. - М.: Наука и техника, 1992. - 638 с.

12. Lyle J.P., Cebulak W.S.//Metallurgicae Engineering Quaterly. 1974. V. 1. P. 52-63.

13. Cebulak W.S., Johnson E.W., Marcus N.//Jnter national of Metallurgy and Powder Technology. 1976. V. 12. P. 299.

14. Aluminum. Properties and physical metallurgy/ Edited by J.E. Hatsh, ASM, Ohio, 1984. - 358 p.