СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ
ALLOY ON BASE OF ALUMINIUM

Изобретение относится к области металлургии сплавов на основе алюминия, в частности к сплаву системы алюминий - медь - магний - литий, применяемого для изготовления полуфабрикатов и изделий из него, используемых в качестве конструкционных материалов для аэрокосмической техники.
Алюминий-литиевые сплавы занимают особое положение среди других алюминиевых систем, что обусловлено их более высоким модулем упругости, меньшей плотностью и повышенными прочностными характеристиками, свойствами, открывающими новые возможности применения сплавов на основе алюминия, в частности для аэрокосмической техники.
Наличие указанных свойств позволяет улучшить ряд характеристик летательных аппаратов, в частности снижение массы аппаратов, экономия горючего, увеличение грузоподъемности.
Однако алюминий-литиевые сплавы обладают рядом недостатков - низкой пластичностью в состояниях максимальной прочности (Н.И.Фридляндер, К.В.Чуистов, А.Л.Березина, Н.И.Колобнев, Алюминий-литиевые сплавы. Структура и свойства. Киев: Наук, думка, 1992, с.177) и, как нами установлено, пониженной коррозионной стойкостью, что особенно заметно и критично для листов с толщинами 1,0 мм и менее.
Известен сплав на основе алюминия, содержащий, мас.%:
Медь
2,0-9,8
Литий
0,2-4,1
Магний
2,0-9,8
Серебро
0,01-2,0
Цирконий
0,05-1,0
Алюминий
Остальное
(Патент США №5032359, МПК C22C 21/06).
Недостатками указанного сплава являются его низкая технологическая пластичность при деформации, высокая трудоемкость изготовления и низкие выхода годного при изготовлении полуфабрикатов и изделий из него, невозможность получения из него тонких листов толщиной менее 1,2 мм, тонкостенных профилей и штамповок, низкая коррозионная стойкость.
3
5
К причинам, обуславливающим возникновение указанных выше недостатков при использовании известного сплава, относится то, что в известном сплаве относительно высокое содержание меди и магния отрицательно влияет на горячеломкость при отливке слитков и пластичность при обработке давлением, что приводит к повышенному трещинообразованию, повышенной отбраковке по зажимам и неплоскостности при отделочных операциях, а именно при прогладке и правке полуфабрикатов, высокая концентрация избыточных фаз LiCuAl отрицательно сказывается на коррозионной стойкости сплава.
Известен сплав на основе алюминия, содержащий, мас.%:
Медь
2,8-3,8
Литий
0,8-1,3
Магний
0,2-1,0
Серебро
0,2-1,0
Цирконий
0,08-0,4
Алюминий
Остальное
(Патент США №5389165, МПК C22F 1/04).
Недостатками указанного сплава являются его низкая технологическая пластичность при деформации, высокая трудоемкость изготовления и низкие выхода годного при изготовлении полуфабрикатов и изделий из него, невозможность получения из него тонких листов толщиной менее 1,2 мм, тонкостенных профилей и штамповок, повышенный удельный вес и низкие удельные свойства, недостаточная коррозионная стойкость тонких изделий.
К причинам, обуславливающим возникновение указанных выше недостатков при использовании известного сплава, относится то, что в известном сплаве относительно высокое содержание меди и отношение Cu/Mg отрицательно влияет на коррозионную стойкость изделий, горячеломкость при отливке слитков и пластичность при обработке давлением, что приводит к повышенному трещинообразованию, повышенной отбраковке по зажимам и неплоскостности при отделочных операциях, а именно при прогладке и правке полуфабрикатов, низкое содержание лития и магния, обладающих малой плотностью, приводит к повышению удельного веса сплава.
Известен сплав на основе алюминия, содержащий, мас.%:
Медь
2,5-4,0
Литий
0,8-2,5
Магний
0,2-1,0
Серебро
0,2-0,8
Цирконий
0,05-0,3
Алюминий
Остальное
(Патент США №7229509, МПК C22C 21/12).
Недостатками указанного сплава являются его низкая технологическая пластичность при деформации, высокая трудоемкость изготовления и низкие выхода годного при изготовлении полуфабрикатов и изделий из него, невозможность получения из него тонких листов толщиной менее 1,2 мм, тонкостенных профилей и штамповок, недостаточная коррозионная стойкость тонких изделий.
К причинам, обуславливающим возникновение указанных выше недостатков при использовании известного сплава, относится то, что в известном сплаве относительно высокое содержание меди и отношение Cu/Mg отрицательно влияет на коррозионную стойкость изделий, горячеломкость при отливке слитков и пластичность при обработке давлением, что приводит к повышенному трещинообразованию, повышенной отбраковке по зажимам и неплоскостности при отделочных операциях, а именно при прогладке и правке полуфабрикатов.
Известен сплав на основе алюминия, содержащий, мас.%:
Медь
3,2-4,5
Литий
1,0-1,7
Магний
0,01-0,5
Серебро
0,15-1,5
Цирконий
0,05-0,3
Скандий
0,02-0,25
Алюминий
Остальное
(Патент РФ №2237098, МПК C22C 21/18).
Недостатками указанного сплава являются его низкая технологическая пластичность при деформации, высокая трудоемкость изготовления и низкие выхода годного при изготовлении полуфабрикатов и изделий из него, невозможность получения из него тонких листов толщиной менее 1,2 мм, тонкостенных профилей и штамповок, недостаточная коррозионная стойкость тонких изделий.
К причинам, обуславливающим возникновение указанных выше недостатков при использовании известного сплава, относится то, что в известном сплаве относительно высокое содержание меди и отношение Cu/Mg отрицательно влияет на коррозионную стойкость изделий, горячеломкость при отливке слитков и пластичность при обработке давлением, что приводит к повышенному трещинообразованию, повышенной отбраковке по зажимам и неплоскостности при отделочных операциях, а именно при прогладке и правке полуфабрикатов.
Наиболее близким сплавом по химическому составу и назначению к заявленному сплаву на основе алюминия является сплав, содержащий, мас.%:
Медь
1,3-1,5
Литий
1,6-1,9
Магний
0,7-1,1
Цирконий
0,04-0,2
Скандий
0,005-0,01
Алюминий
Остальное
(Патент РФ №2310005, МПК C22C 21/00).
Недостатками указанного сплава, принятого за прототип, являются недостаточные коррозионные свойства, особенно для тонких изделий, в частности низкий уровень межкристаллитной коррозии.
К причинам, обуславливающим возникновение указанных выше недостатков при использовании известного сплава, принятого за прототип, относится то, что твердый раствор в изделиях из данного сплава недостаточно стабильный, неравномерное образование фазовых выделений на границе зерна в процессе старения ведут к снижению сопротивления межкристаллитной коррозии. Уровень чувствительности к межкристаллитной коррозии повышается с понижением толщины изделия.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в разработке сплава на основе алюминия, предназначенного для изготовления из него полуфабрикатов и изделий для авиакосмической техники, свободных от недостатков перечисленных выше и присущих известным техническим решениям.
Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в получении сплава, обладающего повышенной пластичностью и коррозионной стойкостью тонких листов, что позволит повысить его технологичность и эксплуатационные характеристики изделий из него, увеличить выход годного при изготовлении полуфабрикатов и изделий, обеспечить возможность производства тонких листов, тонкостенных профилей и штамповок при снижении трудоемкости производства, при сохранении требуемых прочностных характеристик сплава, а также полуфабрикатов и изделий из него, предъявляемых к конструкционным материалам для авиакосмической техники.
Поставленная задача с достижением упомянутого технического результата при осуществлении изобретения решается тем, что сплав на основе алюминия, содержащий медь, литий, магний, цирконий, скандий, дополнительно содержит серебро и по крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей барий и висмут, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Медь
1,3-1,8
Литий
1,6-1,9
Магний
0,7-1,1
Цирконий
0,08-0,16
Скандий
0,01-0,1
Серебро
0,05-1,5
По крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей:
Барий
0,0005-0,05
Висмут
0,0001-0,05
Алюминий
Остальное
Сплав на основе алюминия, используемый для изготовления полуфабрикатов и изделий, отличается от прототипа тем, что дополнительно содержит серебро, и по крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей барий и висмут.
Мы установили, что введение в сплав серебра при указанном составе сплава способствует более равномерному распределению упрочняющих фаз в твердом растворе и более равномерному выделению дисперсоидов в процессе старения, в результате повышаются как прочностные, так и коррозионные свойства сплава.
Нами установлено, что один или более элементов из группы бария, висмута в количествах 0,0005-0,05 мас.% и 0,0001-0,05 мас.% соответственно способствует связыванию натрия, неизбежно присутствующего в расплаве в виде примеси, в стабильную фазу, в результате чего повышается пластичность сплава и снижается склонность к межкристаллитной коррозии.
Основные легирующие компоненты: медь, литий, магний в указанных количествах образуют после термообработки на твердый раствор и старения достаточное количество упрочняющих элементов (дисперсоидов) для получения хорошего соотношения прочностных и пластических свойств.
Цирконий, скандий в указанных количествах обеспечивают формирование равноосной мелкозернистой структуры в процессе литья, что способствует высокой технологичности сплава как в процессе литья, так и в процессе обработки материала давлением, повышают коррозионные свойства сплава.
Из предложенного сплава на основе алюминия могут быть изготовлены различные полуфабрикаты: листы и плиты, штамповки, прессованные изделия. Из полуфабрикатов предложенного сплава могут быть получены различные изделия, например панели для обшивки фюзеляжных конструкций летательных аппаратов, элементы силового набора, сварные топливные баки и другие элементы авиакосмической техники.
Пример осуществления:
В промышленных условиях из каждого сплава, химический состав которых приведен в таблице 1, были отлиты плоский слиток сечением 300×1100 мм и круглые слитки диаметрами 270 мм и 350 мм.
Сплав №1 соответствует сплаву, принятому в качестве прототипа, сплавы №2 и №3 соответствуют предлагаемому.
Плавление шихты, рафинирование и литье слитков производили при температуре 710-730°C.
Пример 1
В дальнейшем из плоских слитков каждого сплава были изготовлены листы. Листы изготавливались по одной технологической схеме путем горячей прокатки при температуре 430°C до толщины 6,5 мм со сверткой в рулоны и затем после отжига при температуре 400°C путем холодной прокатки до толщин 2,4 мм и 0,6 мм.
в
0,2
В дальнейшем образцы из листов №1, 2, 3 толщиной 0,6 мм испытали при статическом растяжении с определением предела прочности (σ), предела текучести (σ), относительного удлинения (δ, %).
Образцы вырезались вдоль и поперек относительно направления прокатки.
Результаты механических испытаний представлены в таблице 2.
Из таблицы 2 видно, что предлагаемый сплав превосходит известный сплав (прототип) по прочностным характеристикам и характеристикам пластичности.
Позднее образцы из листов №1, 2, 3 толщиной 2,4 мм испытали на коррозионную стойкость. Испытания на общую коррозию проводились в соответствии с ГОСТ 9.913-90 «Единая система защиты от коррозии и старения. Алюминий, магний и их сплавы. Методы ускоренных испытаний» испытания на склонность к расслаивающей коррозии проводились в соответствии с ГОСТ 9.904-82 «Единая система защиты от коррозии и старения. Сплавы алюминиевые. Методы ускоренных испытаний на расслаивающую коррозию», испытания на чувствительность к межкристаллитной коррозии проводились в соответствии с ГОСТ 9.021-74 «Единая система защиты от коррозии и старения. Алюминий и сплавы алюминиевые. Методы ускоренных испытаний на межкристаллическую коррозию».
Результаты коррозионных испытаний приведены в таблице 3. Из таблицы 3 видно, что предлагаемый сплав значительно превосходит прототип как по общей, так и по межкристаллитной коррозии.
Пример 2
Из круглых слитков диаметром 270 мм каждого сплава были изготовлены профили (уголки с толщиной полок до 5 мм).
Профили из разных сплавов изготавливались по одной технологической схеме путем прессования при температуре 400°C, с последующей закалкой профилей в воде, и старением при температуре 150°C в течение 24 часов.
Пример 3
Из круглых слитков диаметром 350 мм каждого сплава были изготовлены штамповки толщиной стенки 40 мм.
Штамповки из разных сплавов изготавливались по одной технологической схеме путем заготовительной штамповки при температуре 410°C, предварительной штамповки при температуре 410°C, и после травления путем окончательной штамповки при температуре 400°C, с последующей закалкой при температуре 500°C в течение 2 часов и старением при температуре 150°C в течение 24 часов.
Таким образом, предлагаемый сплав обеспечивает достижение поставленной цели - повышение характеристик пластичности сплава и, как следствие, повышение его технологичности, увеличение выхода годного при производстве полуфабрикатов и изделий из него, обеспечение возможности производства тонких листов, тонкостенных профилей и штамповок при снижении трудоемкости производства, а также повышение прочностных, коррозионных и эксплуатационных характеристик сплава, а также полуфабрикатов и изделий из него.
Таблица 2
Сплав
Номер состава сплава
Размер листа, мм
Направление вырезки образцов
Механические свойства
σ<sub>в</sub>, МПа
σ<sub>0,2</sub>, МПа
δ, %
Прототип
1
0,6×1200×4000
Долевое
432
345
14,5
Поперечное
435
350
13,5
Предлагаемый
2
0,6×1200×4000
Долевое
450
385
14,5
Поперечное
440
360
16
3
0,6×1200×4000
Долевое
460
395
15
Поперечное
445
375
18