Перспективный Al-Mg-Sc сплав для самолетостроения

182

НАУЧНЫЕ СООБЩЕНИЯ

УДК 669.717:629.7

Е. В. АВТОКРАТОВА ПЕРСПЕКТИВНЫЙ AL-MG-SC СПЛАВ ДЛЯ САМОЛЕТОСТРОЕНИЯ

Рассмотрен новый Al-Mg-Sc сплав для самолетостроения. Показано, что Al-Mg-Sc сплав по характеристикам статической прочности и трещиностойкости не уступает традиционным ду-ралюминам. Тонкие листы сплава для сверхпластической формовки были получены без затрат на подготовку структуры. В условиях сверхпластической деформации при температуре 520° С и скорости деформации 5,6х 10-2 с-1 новый Al-Mg-Sc сплав показал уникальное значение относительного удлинения до разрушения — 2300%. Алюминиевые сплавы;механические свойства; сверхпластичность; формовка

В настоящее время для производства самолетов используют исключительно термообрабатываемые алюминиевые сплавы. Несмотря на распространение композитов и титановых сплавов они остаются основным материалом в самолетостроении. Это связано с их высокой прочностью, сопротивлением усталости и трещиностой-костью. Предпринимаются попытки разработать новые сплавы, которые имели бы преимущества перед существующими материалами в прочностных характеристиках, технологичности, надежности. Внедрение новых сплавов позволит не только повысить надежность и ресурс конструкции, но и снизить ее вес и металлоемкость.

Основным конструкционным материалом гражданского самолетостроения является сплав А1-4%Cu-1,8%Mg-0,7%Mn. С момента начала применения в самолетостроении он непрерывно совершенствовался. Главным направлением являлось повышение его трещиностойкости за счет уменьшения содержания примесей Fe+Si. В 19702000 гг. фюзеляжи самолетов изготавливали из сплавов Д16ч (аналог американского сплава 2124), 1163 (аналог современного американского сплава 2324) и сплава 2524 в виде клепаных конструкций из-за склонности сплавов к образованию кристаллизационных трещин при сварке [1]. Данные сплавы применяются в состаренном состоянии и имеют ограничение по температуре эксплуатации из-за снижения коррозионной стойкости при температурах выше 80°С [6]. При термообработке (закалка + низкотемпературное старение) приходится решать целый ряд вопросов для обеспечения размеров.

В настоящее время рассматривается возможность изготовления сварных конструкций из алюминиевых сплавов в самолетостроении. Перспективными материалами для них являются термообрабатываемые сплавы на основе системы А1-Ы-Cu-Mg-Zr и термически неупрочняемые Al-Mg-Sc. Замена клепаных конструкций фюзеляжей самолетов из сплавов Д 16ч, 1163 и 2524 на более легкие сварные позволит получить 20-30 процентный выигрыш в весе [1]. Очевидно, что такая замена возможна только при наличии сплава, не уступающего дуралюминам по характеристикам статической прочности и трещиностойкости. Таким требованиям вполне удовлетворяет высокопрочный термически неупрочняемый алюминиевый сплав 1570.

Сплав 1570 системы Al-Mg-Sc был разработан ОАО ВИЛС. Он обладает высокой коррозионной стойкостью и хорошей свариваемостью. Наличие скандия оказывает значительное модифицирующее воздействие на структуру сварного шва. Сварной шов получается плотным, мелкозернистым, устойчивым против горячих трещин [8]. Исследования, проведенные на данном сплаве, показали, что по характеристикам статической прочности он практически не уступает термически упрочняемым алюминиевым сплавам (табл.) .

Таблица

Свойства алюминиевых сплавов

Сплав (1, мкм <70.2, МПа о в, МПа 6, % СРТУ, мм/ цикл СРТУ определяли при А К =

1570* 1,6 274 388 22,2 4 30 МПа^м

1570, [7] 25 282 400 16 3 31,2 Па^/м

Д16чТ, [5] - 290 440 18 4 31,2 Па^/м

Д16, [4] - 290 430 - 4 31 МПа^/м

1163, [2] - - 425 И 2,2 30 МПа^м

2524, [2] - - 420 15 3 30 МПа^м

*РКУ прессование, Т = 325° С

Основной проблемой являлась трещиностой-кость. Классический сплав 1570 имел вязкость разрушения меньше, а скорость роста усталостной трещины (СРТУ) в три раза больше, чем сплав 2524, что делало невозможным его использование в авиастроении. Однако при получении мелкого размера зерна в сплаве, методом равноканального углового прессования (РКУ), значение (СРТУ) не уступает сплаву Д16ч. В настоящее время разработан улучшенный вариант сплава 1570 [7], который не уступает сплаву 2524 ни по вязкости разрушения, ни по СРТУ (см. табл.).

Другой проблемой, связанной с применением сплава в самолетостроении, является плохая штампуемость в связи с высоким пределом текучести и анизотропией пластического течения. Однако ее вполне можно решить путем высокотемпературной формовки в условиях сверхпластичности. Новый вариант сплава 1570 демонстрирует феноменальные характеристики сверхпластичности, причем перевод материала в состояние сверхпластичности может быть осуществлен за счет минимальных изменений в технологическом процессе изготовления холоднокатаного листа.

Е. В. Автократова • Перспективный Al-Mg-Sc сплав для самолетостроения

183

Скорость деформации, с'

Температура деформации, °С

Рис. 1. Влияние температур и скоростей деформации на удлинения до разрушения сплава 1570, прокатанного при комнатной температуре

Т=520°С

10 mm

Рис. 2. Образец сплава 1570, полученный сверх-пластической формовкой из листовой заготовки

В свою очередь сверхпластическая формовка как ресурсосберегающий процесс открывает возможности новых подходов к конструированию и получению изделий сложной формы с уменьшением числа соединяющих деталей [2]. Исследования, проведенные на сплаве 1570 показали, что можно получить тонкий лист сплава для сверх-пластической формовки без затрат на подготовку структуры [3]. На рис. 1 приведено типичное поведение сплава после холодной прокатки в условиях сверхпластической деформации.

Видно, что материал при температуре 520°С (рис. 1,а) демонстрирует уникальные значения относительного удлинения до разрушения, , (1400-2300%) в широком интервале скоростей деформации (10_3-10_1 с-1). Следует также отметить, что при скорости деформации 5,6х10_2 с-1 (рис. 1,6) значение 5 ~ 2000% сохраняется в широком интервале температур (470-520° С). Очевидно, что такие высокие значения скорости деформации и пластичности могут позволить значительно сократить рабочий цикл изготовления детали. Кроме того, полученные высокие значения <5 ( %) могут существенно улучшить качество

изделий за счет уменьшения их разнотолщинно-сти, что немаловажно при изготовлении деталей сложной формы.

На рис. 2 продемонстрирован образец, полученный сверхпластической формовкой исходного листа сплава 1570 в конусную матрицу с помощью газа. Данный метод был использован для оценки пластичности материала при его формовке в матрицу сложной формы.

Заключение. Учитывая свойства высокопрочных Al-Mg-Sc сплавов, а также тенденцию к снижению веса и металлоемкости конструкции в гражданском самолетостроении, можно ожидать, что эти сплавы найдут свое применение в создании нового поколения широкофюзеляжных самолетов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Фридляндер, И. Н. Алюминиевые сплавы в летательных аппаратах в периоды 1970-2000 и 20012015 гг. / И. Н. Фридляндер // Технология легких сплавов. 2002. № 4. С. 12-17.

2. Фридляндер, И. Н. Алюминиевые сплавы в летательных аппаратах в периоды 1970-2000 и 20012015 гг. / И. Н. Фридляндер // Металловедение и термическая обработка металлов. 2001. № 1. С. 5-9.

3. Kaibyshev, R. High strain rate superplasticity in an Al-Mg-Sc-Zr alloy subjected to simple thermomechanical processing / R. Kaibyshev, E. Avtokratova,

A. Apollonov, R. Davies // Scripta Mater. 2006. V. 54. P.2119-2124.

4. Давыдов, В. Г. Исследования ВИЛСа в области повышения свойств, качества и технологичности полуфабрикатов из алюминиевых сплавов /

B. Г. Давыдов, В. И. Елагин, В. В. Захаров // Технология легких сплавов. 2001. № 5-6. C. 6-16.

5. Давыдов, В. Г. О некоторых актуальных проблемах разработки алюминиевых сплавов и технологий для авиакосмического применения / В. Г. Давыдов // Известия вузов. Цветная металлургия. 2001. № 4.

C. 32-36.

6. Алиева, С. Г. Промышленные алюминиевые сплавы : справ. изд. / С. Г. Алиева, М. Б. Альтман, С. М. Амбарцумян [и др.]. М. : Металлургия. 1984. C.528.

7. Пат. No. 2085607 IPC cl. C22 C 21/06.

8. Филатов, Ю. А. Деформируемые сплавы на основе системы Al-Mg-Sc / Ю. А. Филатов // Металловедение и термическая обработка металлов. 1996. № 6. С. 33-36.

ОБ АВТОРЕ

Автократова Елена Викторовна, мл. науч. сотр. ИПСМ РАН. Бакалавр техн. и технол. по материаловед. и технол. новых материалов (УГАТУ, 2000), дипл. инж.-мех. по материаловед. в машиностроении (УгАТУ, 2001),. Иссл. в обл. механизмов формирования мелкозернистой структуры Al-Mg-Sc сплавов.