ВЫСОКОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЯ ИЗ НЕГО
HIGH-STRENGTH ALUMINIUM-BASED ALLOY AND METHOD FOR OBTAINING ITEMS FROM IT

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при производстве полуфабрикатов в виде поковок, штамповок, прессованных прутков и профилей, катаных плит и листов из высокопрочных сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu, предназначенных для применения в силовых конструкциях авиакосмической техники и транспортных средств, к которым предъявляются повышенные требования по прочности, трещиностойкости, усталостной долговечности, коррозионной стойкости.
Известен высокопрочный алюминиевый сплав следующего состава, % масс.: Zn 7,0-11,0; Mg 1,8-3,0; Cu 1,2-2,6; по крайней мере один элемент из группы Mn (0,05-0,4), Cr (0,05-0,3), Zr (0,05-0,2), Hf (0,05-0,3), V (0,05-0,3), Ti (0,01-0,2) и Sc (0,05-0,3), остальное - алюминий и неизбежные примеси и изделие, выполненное из него путем отливки слитка из указанного сплава, последующей гомогенизации слитка, горячей деформации указанного слитка путем прокатки, прессования или ковки, закалки, возможной растяжки со степенью остаточной деформации 1-5%, старение изделия при таких температуре и времени выдержки, которые обеспечивают в долевом направлении максимальный предел текучести при сжатии, например двухступенчатое старение по режиму 80-120°С, выдержка 24 ч + 135-150°С, выдержка 7-30 ч или трехступенчатое старение по режиму 100°С, выдержка 24 ч + 140-160°С, выдержка 2,5-18 ч + 120°С, выдержка 24 ч (Патент ЕП №1231290).
Недостатком сплава и изделия, выполненного из него, являются низкие значения вязкости разрушения и коррозионных характеристик, а также высокая скорость роста трещины усталости, что ограничивает его применение в высокоресурсных ответственных конструкциях.
Известен также деформируемый алюминиевый сплав следующего состава, % масс.: Zn 6,2; Mg 2,5; Cu 1,8; Zr 0,13; Fe 0,11; Si<0,09; остальное Al. Способ изготовления изделий из него включает следующие операции: отливку слитков полунепрерывным методом, гомогенизацию слитков при температурах 300-448°С, выдержку 3 ч, охлаждение до температуры 25°С со скоростью 150-300°С/ч, нагрев до температуры 250°С, выдержка 10 ч, ковка слитка (на 50% от исходной длины вытяжки) при температуре 250°С, нагрев кованой заготовки до температуры 365°С, выдержка 8 ч, прокатка при температуре 365°С со степенью деформации 64%. Термическая обработка полученного изделия: закалка с температуры 470°С, выдержка 5 ч, охлаждение в воде с температурой 45°С и искусственное двухступенчатое старение: температура 1-ой ступени 110°С, выдержка 8 ч, температура 2-ой ступени 170°С, выдержка 10 ч (Патент РФ 2087582).
Недостатком указанного сплава и изделия, полученного из него, является низкий уровень прочностных характеристик, вязкости разрушения, низкий ресурс работы изделия и коррозионной стойкости.
Наиболее близким по технической сути, принятым за прототип, является сплав системы Al-Zn-Mg-Cu следующего состава, % масс.: Zn 5,7-8,7; Mg 1,7-2,5; Cu 1,2-2,2; Zr 0,05-0,15; Fe 0,07-0,14; Si<0,11; Mn<0,02; Cr<0,02; Mg+Cu<4,1; остальное Al и примеси <0,05 каждая и <0,10 в сумме. Изделие, выполненное из него в виде катаных, кованых и прессованных полуфабрикатов для силовых элементов преимущественно крыла самолета, получают путем отливки слитка и его гомогенизации при температуре 465°С, горячей деформации, упрочняющей термообработки - закалки с температуры 480°С в холодную воду, правки со степенью остаточной деформации 2% и последующего старения по режиму 115°С, 6 ч + 172°С, 10 ч (Патент США №6027582).
Недостатком указанного сплава и изделия, полученного из него, указанным способом являются низкие значения прочностных и коррозионных характеристик и вязкости разрушения, что обуславливает низкий ресурс работы изделия, а также высокий уровень остаточных закалочных напряжений, вызывающий при последующей механической обработке существенные поводки и коробление в детали, что приводит к повышению трудоемкости изготовления и увеличению процента брака. Кроме того, химический состав этого изделия не позволяет изготавливать из него сварные конструкции.
Технической задачей, предлагаемого изобретения, является создание высокопрочного алюминиевого сплава системы Al-Zn-Mg-Cu и способа изготовления изделий из него в виде поковок, штамповок, прессованных профилей, прутков, плит и листов с улучшенным комплексом прочностных свойств, вязкости разрушения, скорости роста трещины усталости и коррозионных характеристик, а также с пониженным в 2-3 раза уровнем остаточных закалочных напряжений и улучшенной технологичностью при сварке.
Для решения поставленной задачи предложен высокопрочный сплав на основе алюминия, включающий Zn, Mg, Cu, Zr, Fe, который дополнительно содержит Ti и по крайней мере один элемент из группы металлов Ag, Sc, Ca при следующем соотношении компонентов, в масс.%:
Zn 6,2-8,0
Mg 1,5-2,5
Cu 0,8-1,2
Zr 0,05-0,15
Fe 0,03-0,15
Ti 0,01-0,06
по крайней мере один элемент из группы металлов
Ag 0,01-0,5
Sc 0,01-0,35
Ca 0,0001-0,01
остальное - алюминий и неизбежные примеси.
2
2
Неизбежные примеси в сплаве включают Si, Mn, Cr, Ni не более 0,05 каждого и Na, H, О, В, Р не более 0,01 каждого.
н.с.
н.с.
н.с.
н.с.
Способ получения изделия из данного сплава включает отливку слитка, его гомогенизацию, горячую деформацию и упрочняющую термическую обработку, включающую закалку и ступенчатое старение, при этом в процессе отливки слитка проводят рафинирование расплава путем продувки аргоном или смесью газов аргона с хлором, и внепечное рафинирование с использованием роторных и/или фильтрующих устройств, гомогенизацию осуществляют по одноступенчатому режиму при температуре на 55-130°С ниже температуры неравновесного солидуса (t) с выдержкой 8-36 ч или по двухступенчатому режиму при температуре на первой ступени на 175-280°С ниже температуры t алюминиевого сплава, а на второй ступени на 75-125°С ниже t, с выдержкой на каждой ступени до 24-36 ч, горячую деформацию осуществляют при температуре 300-420°С, закалку проводят при температуре на 50-120°С ниже t в течение времени, определяемого толщиной изделия, с последующим охлаждением до температуры не выше 80°С.
Охлаждение при закалке проводят в воде при температуре 15-80°С или в водном растворе органического полимера.
Способ, в котором старение проводят по двухступенчатому режиму - 1-ая ступень при температуре 105-120°С, выдержка 5-24 ч, 2-ая ступень при температуре 160-185°С, выдержка 3-15 ч.
Способ, в котором старение проводят по трехступенчатому режиму - 1-ая ступень при температуре 90-140°С, выдержка 5-24 ч, 2-ая ступень при температуре 150-175°С выдержка 3-12 ч, 3-я ступень при температуре 90-140°С, выдержка 5-24 ч.
Способ, в котором старение проводят по трехступенчатому режиму - 1-ая ступень при температуре 120-140°С, выдержка 8-24 ч, 2-ая ступень при температуре 20-90°С выдержка не менее 24 ч, 3-я ступень при температуре 120-155°С, выдержка 8-24 ч.
Изделие из указанного высокопрочного алюминиевого сплава изготавливают в виде деформированного полуфабриката: поковки, штамповки, прессованного профиля или прутка, катаной плиты или листа.
Изделие может быть выполнено в виде сварной конструкции с прочностью сварного соединения до 0,8 от прочности основного металла.
1С
Двухступенчатый режим старения обеспечивает получение наиболее высокого уровня характеристик трещиностойкости (К и СРТУ) и коррозионной стойкости при средней прочности 530-550 МПа. Приведенные два варианта трехступенчатого режима старения обеспечивают получение изделия с повышенным уровнем прочностных и ресурсных характеристик. Изделие имеет предел прочности (временное сопротивление) при растяжении до 530-700 МПа. Изделия имеют крупные габариты по толщине, ширине и длине: размеры поперечного сечения - прессованные - ширина до 1000 мм, толщина до 260 мм, поковки и штамповки - толщина до 450 мм, плиты и листы - длина до 30000 мм.
Примеры осуществления изобретения
2
н.с.
н.с.
н.с.
деф.
1. Сплав состава: Zn 6,2%, Mg 1,9%, Cu 1,0%, Zr 0,11%, Fe 0,09%, Ti 0,03%, Ca 0,001%, примеси Si 0,05%, Mn 0,01%, В 0,003%, H 0,00002% отливали в плавильно-литейном агрегате с вакуумным миксером с магнизитовой несмачиваемой жидким алюминием футеровкой, а также рафинировали путем продувки смесью газов Ar+5%Cl. При отливке слитка для повышения чистоты металла применяли фильтрацию через пенокерамические фильтры с размером ячейки 40 пор/дюйм, а также внепечное рафинирование в струе при помощи установки роторного типа. В расплав вводили лигатуру Al-Ti-B для модифицирования сплава и измельчения зерна. Слиток гомогенизировали по двухступенчатому режиму: температура 1-ой ступени на 280°С ниже t(t=577°С), выдержка 24 ч, температура 2-ой ступени на 125°С ниже t, выдержка 10 ч. Гомогенизированный слиток подвергали горячей деформации - сначала методом свободной ковки при t=400-410°С со степенью 65%, а затем в закрытых штампах за три перехода - заготовительная штамповка, чистовая штамповка и окончательная штамповка в интервале температур 330-390°С.
н.с.
В результате получали изделие в виде штамповки толщиной 155 мм. Термическую обработку штамповки осуществляли по следующему режиму: нагрев до температуры закалки на 120°С ниже t, выдержка 240 мин, охлаждение в раствор органического полимера для снижения закалочных напряжений, старение по трехступенчатому режиму: 1-ая ступень 120°С, выдержка 16 ч, 2-ая ступень 160°С, выдержка 3 ч, 3-я ступень при температуре 140°С, выдержка 12 ч. Изготовленная указанным способом штамповка имела комплекс свойств, приведенный в таблице 1.
2
н.с.
н.с.
н.с.
н.с.
2. Сплав состава: Zn 8,0%, Mg 1,5%, Cu 0,8%, Zr 0,05%, Fe 0,03%, Ti 0,01%, Ag 0,25%, Sc 0,2%, Ca 0,0001% - остальное Al и примеси Si, Mn<0,05% каждого, Н<0,000027% и В<0,001%, Р<0,0001% отливали в плавильно-литейном агрегате с несмачиваемой футеровкой, оснащенном электрическим миксером. Для рафинирования расплава и удаления окисных плен и примеси водорода применяли продувку смесью газов аргон +5% хлора и фильтрацию через пенокерамичесие фильтры с параметром ячейки 40 пор на дюйм, а также через стеклосетку с размером ячейки 0,6×0,6 мм. Для измельчения зеренной структуры слитка расплав в миксере модифицировали лигатурой Al-Ti-B. Полученный слиток диаметром 650 мм гомогенизировали по двухступенчатому режиму: 1-ая ступень в течение 24 ч при температуре выдержки на 175°С ниже t(t=526°C), 2-ая ступень в течение 24 ч при температуре на 55°С ниже t. Затем после обточки поверхности слиток подвергали индукционному нагреву до температуры 400-420°С и деформировали путем прессования прямым методом с коэффициентом вытяжки 12,8 для получения прямоугольного профиля толщиной 200 мм. Указанный профиль подвергали закалке по режиму: нагрев до температуры на 50°С ниже t, время выдержки 120 мин, охлаждение в холодной воде (Т=28°С) и последующая правка растяжением при комнатной температуре со степенью остаточной деформации 2,2% для снятия остаточных закалочных напряжений. Старение профиля осуществляли по трехступенчатому режиму: температура 115°С, время выдержки 16 ч + 170°С, время выдержки 5 ч + 90°С, время выдержки 24 ч.
св.соед.
осн.мет.
В результате получали изделие в виде профиля. Изготовленный профиль имел комплекс свойств, приведенный в таблице 1. Кроме того, полученный профиль обладал повышенной технологичностью при сварке, причем прочность сварного соединения σ составляла ≥0,7-0,8 σ
2
н.с.
н.с.
деф.
н.с.
в
3. Сплав состава: Zn 6,9%, Mg 2,5%, Cu 1,2%, Zr 0,15%, Fe 0,15%, Ti 0,04%, Ca 0,01%, Si 0,06%, Mn 0,01%, В 0,003%, H 0,00002% отливали аналогично примеру 1. Слиток гомогенизировали по одноступенчатому режиму при температуре на 130°С ниже t°C (t=577°С), выдержка 36 ч. Гомогенизированный слиток подвергали ковке по 3-ей схеме (три осадки и три протяжки) с тремя нагревами и со степенью деформации на каждом переходе 60-65% при t=360-400°С. Термическую обработку поковки осуществляли по следующему режиму: нагрев до температуры закалки на 100°С ниже t, выдержка 5 ч, охлаждение в холодной воде (t=22°С). Через 2 ч после закалки поковку подвергали холодной деформации путем обжатия со степенью остаточной деформации 3% для снижения закалочных напряжений, старение проводили по двухступенчатому режиму: 1-ая ступень 115°С, выдержка 16 ч, 2-ая ступень 175°С выдержка 5 ч.
В результате получали изделие в виде поковки. Изготовленная поковка имела комплекс свойств, приведенный в таблице 1.
2
н.с.
н.с.
н.с.
4. Сплав состава: Zn 7,1%, Mg 2,2%, Си 1,1%, Zr 0,12%, Fe 0,10%, Ti 0,06%, Ca 0,001%, Si 0,06%, Mn 0,01%, В 0,003%, Н 0,00002% отливали аналогично примеру 1. Слиток сечением 300×1200 мм гомогенизировали по двухступенчатому режиму: температура 1-ой ступени на 230°С ниже t(t=577°С), выдержка 24 ч, температура 2-ой ступени на 110°С ниже t, выдержка 8 ч. Гомогенизированный слиток нагревали до температуры прокатки 400°С и подвергали горячей деформации за 10 проходов.
н.с.
в
В результате получали изделие в виде плиты толщиной 60 мм. Термическую обработку плиты осуществляли по следующему режиму: нагрев до температуры закалки на 105°С ниже t, выдержка 5 ч, охлаждение в холодной воде (t=30°С). Через 1 ч после закалки плиту подвергали холодной деформации путем растяжения со степенью остаточной деформации 2,5% для снижения закалочных напряжений, старение проводили по трехступенчатому режиму: 1-ая ступень - 120°С, выдержка 24 ч, 2-ая ступень - 65°С, выдержка 48 ч, 3-я ступень - 145°С, выдержка 10 ч. Изготовленная плита имела комплекс свойств, приведенный в таблице 1.
В таблице 1 представлен комплекс свойств изделий, полученных из сплава, предложенного заявителем в сравнении со свойствами изделий из сплавов, предложенных в патентах аналога и прототипа.
Установлено, что использование предложенного состава сплава и способа изготовления изделий из него обеспечивает получение требуемого улучшенного комплекса механических и коррозионных свойств, характеристик трещиностойкости, ресурса и технологичности.
1С
Требуемый комплекс свойств достигается за счет повышения чистоты металла по примесям водорода и неметаллическим включениям благодаря продувке расплава смесью газов Ar+Cl, а также усиленной его очистке через пенокерамические фильтры в сочетании с внепечным рафинированием роторным устройством. Получение высокой чистоты металла в сочетании с предлагаемым режимом гомогенизации слитков, обеспечивающим получение структуры с минимальной объемной долей частиц первичных эвтектических фаз и однородным распределением вторичных дисперсных частиц (алюминидов переходных металлов Zr, Sc, Mn и др.), улучшает характеристики трещиностойкости (К, СРТУ) и ресурса (МЦУ) по сравнению с прототипом. Сплав не содержит экологически вредных компонентов, таких как Be.
Существенные трудности при механической обработке поковок, штамповок из сплавов Al-Zn-Mg-Cu возникают из-за значительного коробления деталей ввиду высокого уровня остаточных закалочных напряжений. В предложенном изобретении этот недостаток устранен благодаря снижению остаточных закалочных напряжений более чем в 3 раза путем растяжения или сжатия изделия при комнатной температуре в свежезакаленном состоянии с остаточной деформацией 1-5%. Аналогичный эффект достигается при использовании в качестве среды для охлаждения при закалке горячей воды (температура до 80°С) или водного раствора органического полимера, что замедляет скорость охлаждения изделия при закалке и обеспечивает снижение остаточных напряжений и поводок в изделии.
2
в
0,2
1SCC
Режим старения также обеспечивает, с одной стороны, выделение на границах зерен мелких частиц стабильной упрочняющей фазы MgZn, с другой стороны, создает однородную структуру упрочняющих метастабильных выделений в теле зерна и в приграничной зоне. Такая структура изделия способствует существенному повышению прочностных (σ, σ) и коррозионных характеристик (К - вязкость разрушения в коррозионной среде и РСК - склонность к расслаивающей коррозии), а также способствует повышению долговечности изделия при усталостных нагрузках (МЦУ).
Изготовление изделия из сплава, содержащего микродобавки Ag и Sc, позволяет существенно повысить его технологичность при сварке, обеспечивая прочность сварного шва на уровне 0,7-0,8 от прочности основного металла, что позволяет изготавливать изделия в виде сварных конструкций, в отличие от изделия-прототипа, которое не сваривается.
Таким образом, применение предлагаемого изобретения позволяет получить изделия для силовых конструкций авиакосмической техники и транспортных средств с улучшенным комплексом механических и коррозионных свойств, характеристик трещиностойкости, ресурса и технологичности.