СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
ALLOY ON BASIS OF ALUMINIUM AND METHOD OF ITS RECEIVING

Изобретение относится к области металлургии сплавов на основе алюминия, в частности сплавов системы Al-Li-Mg-Be, используемых в качестве конструкционного материала для стрингеров, панелей и других деталей в авиакосмической технике, судостроении и наземном транспортном машиностроении, в том числе и в сварных трубчатых конструкциях.
Известны алюминиевые сплавы системы Al-Li-Mg-Be, которые характеризуются пониженной плотностью и относительно высокой прочностью, но обладают низкой пластичностью.
Например, известен порошковый сплав системы Al-Li-Be, имеющий следующий химический состав, мас.%:
Литий
1-4
Бериллий
2-20
Алюминий
Остальное
В качестве оптимального в патенте США предложен сплав с 10% Be и 3% Li.
Способ получения этого сплава включает: расплавление алюминия и бериллия электродуговой плавкой в небольшом углублении в медном охлаждаемом поддоне, находящемся в камере с атмосферой аргона с получением промежуточной заготовки Al-Ве сплава в виде таблетки по 20 г. Расплавление повторяли по 3-5 раз для получения сплава с гомогенным распределением бериллия в алюминии. Ввод лития осуществлялся размещением элементарного лития при подведении тока к верхней стороне дисков в месте образования дуги, что исключило потери лития за счет испарения. Эту расплавленную массу перемешивали в течение нескольких минут перед кристаллизацией сплава Al-Li-Be, и затем таблетки переплавляли три раза. Вновь расплавляли и направляли на быстро вращающийся водоохлаждаемый медный диск с целью получения гранул порошка Al-Li-Be. Полученный порошок Al-Li-Be компактировали в заготовку и прессовали в полосу (патент США №4.557.770).
Недостатком сплава и способа его получения является низкая пластичность сплава в термоупрочненном состоянии, вызванная большой ликвацией (до 70%) бериллия по объему заготовки, и сложность осуществления в промышленности. Изделия, полученные из этого сплава, используются только в ракетной технике и не могут использоваться в гражданской авиации.
Известен сплав на основе алюминия, имеющий следующий химический состав, мас.%:
Цинк
6-8
Магний
1,2-4,0
Медь
1,5-4,0
Серебро
0,03-1,0
Мишметалл
0,03-5,0
Титан
0,005-0,2
Алюминий
остальное
Сплав получают индукционной плавкой в вакуумных печах путем расплавления шихтовых материалов, за исключением магния и цинка, до 1000°С, введения лигатур Al-Mg и Al-Zn, рафинирования и слива в изложницу при 800-850°С.
(Заявка Японии №2915490)
Сплав обладает достаточно высокой прочностью при использовании в качестве материала сварных конструкций.
Недостатком сплава является малая пластичность, что не позволяет его использовать в получении деформированных полуфабрикатов.
Известен сплав на основе алюминия, имеющий следующий химический состав, мас.%:
Литий
1-4
Магний
0,05-1,8
Медь
0,05-2,5
Бериллий
0,005-20
Цирконий
0,01-1,0
Алюминий
Остальное
Сплав получают плавлением в вакуумных индукционных печах. Литий и магний вводят в виде лигатуры Al-Li и Al-Mg, при 1100°С перед сливом расплава (патент Японии №64-76479).
Сплав по прочности и удлинению превышает алюминиевые сплавы США серии 7000 и пригоден для изготовления деталей летательных аппаратов.
Недостатком сплава и способа его получения является то, что в нем не достигается оптимальное сочетание прочности и жесткости с пластичностью в термоупрочненном состоянии, что не позволяет использовать его в качестве панелей и других силовых деталей самолетов гражданской авиации.
Наиболее близким по составу и назначению к предлагаемому изобретению является сплав, имеющий следующий химический состав, мас.%:
Литий
1,5-3,0
Магний
1,5-2,5
Бериллий
1,5-4,5
Медь
0,2-0,7
Цирконий
0,05-0,3
Железо
0,01-0,1
Никель
0,01-0,1
по крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей
Ниобий
0,01-0,1
Скандий
0,01-0,3
Тантал
0,001-0,01
Алюминий
Остальное
(Патент Р.Ф. №2208655)
Способом получения данного алюминиевого сплава системы Al-Li-Mg-Be является способ, включающий расплавление шихтовых материалов в вакуумной индукционной печи (ВИП) с подачей гелия в ВИП и слив расплава в атмосфере гелия в изложницу (Патент РФ №2208655).
Технической задачей настоящего изобретения является получение сплава, обладающего повышенной пластичностью в термоупрочненном состоянии и теплопроводностью при 300°С, при сохранении высокой прочности, повышенной жесткости, высокой весовой эффективности материала. Изделия из сплава предлагается использовать в народном хозяйстве, в частности, в гражданской авиации в качестве свариваемых трубчатых полуфабрикатов.
Для достижения поставленной задачи предлагается:
Сплав на основе алюминия, содержащий литий, магний, бериллий, медь, цирконий, железо, никель и алюминий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит серебро, кремний, окись бериллия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Литий
1,5-3,0
Магний
1,7-2,8
Бериллий
2-5
Медь
0,3-0,9
Цирконий
0,05-0,3
Железо
0,01-0,1
Никель
0,01-0,1
Серебро
0,01-0,3
Кремний
0,01-0,1
Окись бериллия
0,1-0,5
Алюминий
Остальное
Способ получения сплава на основе алюминия, включающий расплавление шихтовых материалов в вакуумной индукционной печи с подачей гелия и слив расплава в атмосфере гелия в изложницу, отличающийся тем, что расплавляют шихтовые материалы для получения сплава предлагаемого состава, причем магний и литий вводят в расплав в виде лигатуры Al-Li и Al-Mg после подачи гелия, перед сливом расплав подогревают с одновременным электромагнитным перемешиванием, а бериллий вводят в струю сливаемого расплава в виде порошка с размером частиц не более 250 меш.
Введение серебра, кремния, а также наличие в сплаве окиси бериллия обеспечивает повышение прочностных свойств, свариваемости при одновременном повышении пластичности. Повышение этих свойств обеспечивается не только количественным и качественным составом предлагаемого сплава, но и суспензионным способом его получения. Введение порошка бериллия размером до 250 меш в струю сливаемого расплава способствует получению более мелкой кристаллической структуры, т.к. значительно возрастает количество дополнительных центров кристаллизации слитка при скорости кристаллизации, приближенной к сверхбыстрой кристаллизации.
Цирконий и серебро в количестве до 0,3% являются не только модифицирующей добавкой при отливке слитков, но и обеспечивают структурное упрочнение в деформируемых полуфабрикатах в результате формирования полигонизованной структуры при наличии железа и никеля в указанном количестве. Они улучшают также показатели теплопроводности данного материала при 300°С, что благоприятно сказывается на прочностных свойствах сварного шва.
Количественный и качественный состав и способ получения предлагаемого сплава позволяют:
- значительно увеличить количество дополнительных центров кристаллизации слитка;
- приблизить скорость кристаллизации слитка к скорости сверхбыстрой кристаллизации;
- получить более мелкие размеры зерен отливаемого материала и способствуют повышению прочностных свойств и пластичности деформируемых полуфабрикатов;
- улучшить показатели теплопроводности материала при 300°С;
- возрасти уровню прочностных свойств сварного соединения материала;
1
3
- уменьшить пересыщенный твердый раствор за счет дополнительного выделения дисперсной фазы δ(AlLi), равномерно распределенной в объеме матрицы сплава;
1
3
- предотвратить выделение δ(AlLi) фазы в процессе низкотемпературного нагрева при 85°С за 1000 час;
1
3
- предотвратить выделение по границам зерен стабильных фаз и образование приграничных зон, свободных от выделения δ(AlLi) фазы.
Примеры осуществления:
В промышленных условиях были отлиты сплавы, химический состав которых приведен в табл.1, температура ликвидус 850°С.
Пример 1. В тигель вакуумной индукционной печи загружали шихтовые материалы (кроме Li, Mg и Be) и расплавляли их, подавали гелий, вводили лигатуры Al-Mg, Al-Li в атмосфере гелия, подогревали расплав с одновременным электромагнитным перемешиванием и затем проводили слив расплава и ввод в струю сливаемого расплава порошка Be с размером частиц 250 меш.
Пример 2 (получение слитка состава 3 табл.1). В тигель ВИП загружали шихтовые материалы (кроме Li, Mg и Be) и расплавляли их в вакууме, вводили лигатуры Al-Mg, Al-Li в атмосфере гелия, подогревали расплав с одновременным электромагнитным перемешиванием и затем проводили слив расплава и ввод в струю сливаемого расплава порошка Be с размером частиц 200 меш.
У полученных слитков отрезали литниковую часть, разрезали слитки вдоль на три части и обтачивали до заготовок ⌀35 мм и длиной 70 мм, из которых выдавливали на прессе прутки ⌀12 мм. Полученные из прутков образцы для механических свойств проходили термоупрочнение.
В табл.2 приведены свойства предлагаемого сплава и сплава-прототипа.
Как видно из табл.2, предлагаемый сплав обладает заметными преимуществами по сравнению со сплавом-прототипом. Пределы прочности, текучести, пластичности и модуля упругости предлагаемого сплава выше соответствующих значений у известного сплава на 10; 12; 27 и 5% соответственно. Теплопроводность сплава при 300°С выше на 20%, чем у сплава-прототипа, что значительно повышает прочность сварных соединений. Сплав существенно превосходит прототип по удельным прочностным свойствам.
Таким образом, применение заявленного сплава и способа его получения в виде прессованных профилей, панелей, плит и труб в конструкциях авиационной техники гражданской авиации позволяет повысить надежность и ресурс эксплуатации в общеклиматических условиях, позволяет получать трубы с повышенными свойствами сварных соединений.
Таблица 1
Химический состав исследованных сплавов
Сплав
Состав
Состав сплавов
мас.%
Li
Mg
Be
ВеО
Cu
Zr
Ag
Fe
Ni
Si
Al
Предложенный
1
1,5
2,0
2,0
0,5
0,3
0,05
0,02
0,01
0,1
0.1
ост
2
2,0
1,7
3,0
0,08
0,55
0,2
0,3
0,1
0,01
0.01
ост
3
2,78
2,19
2,50
0,1
0,46
0,1
0,03
0,05
0,05
0,03
ост
4
3,0
2,8
5,0
0,4
0,9
0,3
0,01
0,08
0,08
0,08
ост
Прототип
5
2,7
2,1
2,5
-
0,4
0,1
-
0,01
0,03
-
ост
Таблица 2
Механические свойства исследованных сплавов
Сплав
Состав
γ, г/см<sup>3</sup>
σ<sub>в</sub>
σ<sub>0,2</sub>
δ, %
Е, ГПа
λ<sup>300</sup> Вт<sup>.</sup>м/град
МПа
Предложенный
1
2,58
503
385
16,0
85,0
91,0
2
2,57
495
360
17,0
87,0
92,0
3
2,55
510
415
18,0
87,0
95,0
4
2,57
485
405
14,0
89,0
93,0
Прототип
5
2,55
465
310
12,0
85,0
75,0