СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СВЕРХПЛАСТИЧНЫХ ЗАГОТОВОК ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ АЛЮМИНИЙ-МАГНИЙ-СКАНДИЙ
METHOD FOR OBTAINING SUPERPLASTIC WORKPIECES FROM ALUMINIUM ALLOYS BASED ON ALUMINIUM-MAGNESIUM-SCANDIUM SYSTEM

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам получения сверхпластичных заготовок из алюминиевых сплавов на основе системы алюминий-магний-скандий (Al-Mg-Sc), содержащих также цирконий или цирконий и марганец, применяемых для сверхпластической формовки изделий сложной формы, а также в качестве конструкционного материала.
Известно, что алюминиевые сплавы при повышенных температурах и сравнительно низких скоростях деформации становятся сверхпластичными, если в них тем или иным способом получена ультрамелкозернистая структура с размером равноосных зерен менее 10 мкм (Г.Б.Строганов, О.А.Кайбышев, О.Х.Фаткуллин. Сверхпластичность при обработке материалов давлением. М.ОНТИ, МАТИ, 2000, С.94). Известно также, что существенное измельчение зерна может быть достигнуто методами интенсивной пластической деформации, в частности равноканальным угловым прессованием (РКУ-прессованием) (Валиев. Р.З. Развитие равноканального углового прессования для получения ультрамелкозернистых металлов и сплавов. Металлы. 2004. №1. С.15-21). Известен способ получения заготовок с ультрамелкозернистой структурой с размером зерен ~1 мкм из алюминиевого сплава, содержащего, мас.%, 4Mg-1,5Mn-0,4Zr-0,4Sc, путем РКУ-прессования литой заготовки (Добаткин С.В., Захаров В.В., Эстрин Ю., Ростова Т.Д., Уколова О.Г., Чиркова А.В. Повышение прочности и пластичности Al-Mg-Mn-сплавов, легированных цирконием и скандием, при равноканальном угловом прессовании. Технология легких сплавов. 2009. №3. С.46-59).
Известен способ получения сверхпластичных заготовок из алюминиевого сплава на основе системы Al-Mg-Sc, содержащего, мас.%, 4,5Mg-0,22Sc-0,15Zr, близкий по техническому решению и назначению к предлагаемому изобретению, включающий отливку слитка в металлическую изложницу, получение из слитка заготовки квадратного сечения, деформацию заготовки РКУ-прессованием при угле пересечения каналов 90° при температуре 200°С с числом проходов от 6 до 8 и поворотом заготовки после каждого прохода вокруг ее оси на 90° (Перевезенцев В.Н., Чувильдеев В.Н., Копылов В.И., Сысоев А.Н., Лэнгдон Т.Дж. Высокоскоростная сверхпластичность сплавов системы Al-Mg-Sc-Zr. Металлы. 2004. №1. С.36-43). Основным недостатком этого способа является низкая скорость РКУ-прессования (~0.4 мм/с), а также невысокие показатели сверхпластичности заготовок, полученных этим способом, при пониженных температурах.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является способ получения сверхпластичных заготовок из алюминиевого сплава на основе системы Al-Mg-Sc, включающий:
- отливку слитка малого размера;
- получение из слитка заготовки круглого сечения;
- деформацию РКУ - прессованием при угле пересечения каналов 110° при температуре 200°С с восемью проходами, что соответствует истинной деформации ~7,2, с противодавлением (С.В.Добаткин, В.В.Захаров, В.Н.Перевезенцев, Т.Д.Ростова, В.И.Копылов, Г.И.Рааб. Механические свойства субмикрокристаллических сплавов Al-Mg (АМг6) и Al-Mg-Sc (01570). Технология легких сплавов. 2010. №1. С.74-84).
-2
-1
Главным недостатком этого способа является то, что сверхпластичные заготовки из алюминиевых сплавов на основе системы Al-Mg-Sc, полученные этим способом, имеют невысокие показатели сверхпластичности при высоких скоростях пластической деформации (выше 10 с), представляющих наибольший интерес для сверпластической формовки.
Задачей предлагаемого изобретения является получение сверхпластичных заготовок из алюминиевых сплавов на основе системы Al-Mg-Sc с улучшенными показателями сверхпластичности при высоких скоростях пластической деформации.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе получения сверхпластичных заготовок из алюминиевых сплавов на основе системы Al-Mg-Sc, включающем отливку слитка, получение из слитка заготовки, деформацию полученной из слитка заготовки РКУ-прессованием с противодавлением, перед отливкой слитка расплав перегревают до температуры 760-800°С и выдерживают при этой температуре 0,5-1 ч, слиток отливают полунепрерывным литьем в кристаллизатор скольжения, отлитый слиток отжигают при температуре 360-380°С в течение 3-8 ч, получают из слитка заготовку прямоугольного сечения квадратную в плане с отношением толщины к ширине от 0,17 до 0,33, деформацию полученной из слитка заготовки РКУ-прессованием с противодавлением осуществляют при угле пересечения каналов 90° при температуре 305-325°С с числом проходов от 4 до 8, что соответствует истинной деформации от ~4 до ~8, с величиной противодавления, равной 30-40% от величины приложенного давления, с поворотом заготовки после каждого прохода на 90° относительно оси, перпендикулярной большой грани заготовки и проходящей через центр заготовки, затем заготовку подвергают прокатке при температуре предшествующего РКУ-прессования с суммарным обжатием 80-95% при температуре рабочих валков прокатного стана, равной температуре прокатки.
Предлагаемый способ отличается от известного тем, что перегрев расплава производят до температуры 760-800°С и выдерживают при этой температуре 0,5-1 ч, слиток отливают полунепрерывным литьем в кристаллизатор скольжения, отлитый слиток отжигают при температуре 360-380°С в течение 3-8 ч, получают из слитка заготовку прямоугольного сечения, квадратную в плане, с отношением толщины к ширине от 0,17 до 0,33, деформацию полученной из слитка заготовки РКУ-прессованием с противодавлением осуществляют при угле пересечения каналов 90° при температуре 305-325°С с числом проходов от 4 до 8, что соответртвует истинной деформации от ~4 до ~8, с величиной противодавления, равной 30- 40% от величины приложенного давления, с поворотом заготовки после каждого прохода на 90° относительно оси, перпендикулярной большой грани заготовки и проходящей через центр заготовки, затем заготовку подвергают прокатке при температуре предшествующего РКУ-прессования с суммарным обжатием 80-95% при температуре рабочих валков прокатного стана, равной температуре прокатки.
Технический результат - получение сверхпластичных заготовок с улучшенными показателями сверхпластичности при высоких скоростях пластической деформации.
3
При выдержке в течение 0,5-1 ч перегретого до 760-800°С расплава повышается степень его гомогенности за счет растворения первичных интерметаллидов, входящих в состав компонентов шихты. При отливке слитка методом полунепрерывного литья в кристаллизатор скольжения, предусматривающем обязательное интенсивное охлаждение слитка водой, обеспечивается скорость охлаждения металла в интервале температур кристаллизации, позволяющая зафиксировать скандий и цирконий, входящие в состав сплава, в пересыщенном твердом растворе, который распадается при отжиге слитка при 360-380°С в течение 3-8 ч с образованием дисперсных вторичных когерентных выделений фазы Al(Sc, Zr) размером 5-10 нм, тормозящих рост зерен при повышенных температурах. При РКУ-прессовании при угле пересечения каналов 90° полученной из слитка заготовки прямоугольного сечения квадратной в плане с отношением толщины к ширине от 0,17 до 0,33 при температуре 305-325°С с числом проходов от 4 до 8, что соответствует истинной деформации от ~4 до ~8, с противодавлением, равным 30-40% от приложенного давления, с поворотом заготовки после каждого прохода на 90° относительно оси, перпендикулярной большой грани заготовки и проходящей через центр заготовки, происходит измельчение зерен и формируется однородная по сечению заготовки структура с размером зерен ~1 мкм и их объемной долей ~0,9, при этом в материале сохраняются нерекристаллизованные области, представляющие собой участки исходных крупных зерен. При прокатке продеформированной РКУ-прессованием заготовки при температуре предшествующего РКУ-прессования с суммарным обжатием 80-95% при температуре рабочих валков прокатного стана, равной температуре прокатки, дополнительно измельчаются нерекристаллизованные области исходных зерен, сохранившиеся после РКУ-прессования, в результате чего объемная доля ультрамелких зерен увеличивается до 0,98, а их средний размер сохраняется на уровне 1 мкм.
Пример осуществления способа.
2
2
-2
-1
-1
-1
С использованием в качестве шихтовых материалов алюминия, магния и лигатур Al-Sc, Al-Zr и Al-Mn готовили расплав алюминиевого сплава на основе системы Al-Mg-Sc, содержащего, мас.%, 5Mg-0,2Sc-0,08Zr-0,18Mn. Перед отливкой слитка расплав перегревали до 780°С и выдерживали при этой температуре 1 ч. Затем методом полунепрерывного литья в кристаллизатор скольжения отливали слиток прямоугольного сечения, который подвергали отжигу при 370°С в течение 8 ч. Из отожженного слитка вырезали заготовку прямоугольного сечения, квадратную в плане, с размером сечения 34×152 мм, что соответствовало отношению толщины заготовки к ее ширине, равному 0,22, и размером в плане 152×152 мм, которую подвергли РКУ-прессованию при угле пересечения каналов 90° при 310°С за 8 проходов давлением 12 кгс/мм с противодавлением, равным 4,8 кгс/мм, что составляло 40% от приложенного давления, с поворотом заготовки после каждого прохода на 90° относительно оси, перпендикулярной большой грани заготовки с размером 152×152 мм и проходящей через ее центр, после чего заготовку, продеформированную РКУ-прессованием, подвергли прокатке при температуре предшествующего РКУ-пресования 310°С до толщины 4 мм при температуре рабочих валков прокатного стана, равной температуре прокатки 310°С, суммарное обжатие при этом составляло 88,2%. Полученную сверхпластичную заготовку испытывали на растяжение на плоских образцах с размером рабочей части 1,5×3×6 мм при температурах 400 и 450°С и скоростях деформации 5×10 с и 1,4×10 с. В качестве показателя сверхпластичности взяли величину относительного удлинения образцов до разрушения. Также испытывали сверхпластичную заготовку из этого же сплава, полученную по известному способу. Сравнительные результаты испытаний приведены в таблице.
Способ получения сверхпластичной заготовки
Условия испытаний на растяжение
Показатель сверхпластичности
Температура, °С
Скорость деформации, с<sup>-1</sup>
Относительное удлинение до разрушения, %
Предлагаемый
400
5×10<sup>-2</sup>
1800
1,4×10<sup>-1</sup>
1400
450
5×10<sup>-2</sup>
2300
1,4×10<sup>-1</sup>
2200
Известный
400
5×10<sup>-2</sup>
800
1,4×10<sup>-1</sup>
800
450
5×10<sup>-2</sup>
1200
1,4×10<sup>-1</sup>
1000
Из таблицы видно, что производство сверхпластичных заготовок из алюминиевых сплавов на основе системы Al-Mg-Sc по предлагаемому способу позволяет улучшить показатели сверхпластичности при высоких скоростях деформации. Относительное удлинение до разрушения - основной показатель сверхпластичности повышается примерно в 2 раза.
Предлагаемый способ, реализуемый в промышленном производстве, позволяет оптимизировать технологический процесс сверхпластической формовки изделий сложной формы из алюминиевых сплавов на основе системы Al-Mg-Sc за счет сокращения продолжительности формообразующих операций, осуществляемых в режиме высокоскоростной сверхпластичности, а также за счет сокращения времени нагрева заготовки. Сверхпластичные заготовки из алюминиевых сплавов на основе системы Al-Mg-Sc, получаемые предлагаемым способом, могут быть использованы в качестве конструкционного материала для изделий космической техники.