АЛЮМИНИЕВЫЙ СПЛАВ И ПЕРЕСТАРЕННОЕ ИЗДЕЛИЕ ИЗ ТАКОГО АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА
ALUMINIUM ALLOY AND OVERAGED ARTICLE MADE OF SUCH AN ALUMINIUM ALLOY

Изобретение относится к алюминиевому сплаву, в частности, алюминиевому сплаву серии 7000, соответствующей классификации Aluminum Association (Ассоциации алюминиевой промышленности (AA)). Изобретение дополнительно относится к перестаренному изделию из алюминиевого сплава, произведенному из такого сплава.
В авиационной и космической промышленности высокопрочные алюминиевые сплавы необходимы для производства в основном несущего нагрузку фюзеляжа, частей крыльев и шасси, которые проявляют высокую прочность, как при статическом, так и при динамическом напряжении. Требуемые свойства прочности могут быть достигнуты путем использования сплавов серии 7000, соответствующей классификации алюминиевых сплавов, созданной Aluminum Association.
Высоконапряженные части в авиационной и космической промышленности изготавливаются, например, из сплавов AA7075, AA7175, AA7475 и, в частности, предпочтительно из сплавов AA7049 и AA7050, которые используются в американском регионе, и сплавов AA7010, AA7049A и AA7050A, которые используются в европейском регионе.
В WO 02/052053 A1 раскрыт высокопрочный алюминиевый сплав вышеупомянутого типа, который, в сравнении с более ранними сплавами этого же типа, имеет повышенное содержание цинка вместе с пониженным содержанием меди и магния. Общее содержание меди и магния вместе этого ранее раскрытого сплава составляет менее 3,5 вес.%. Указано, что содержание самой меди составляет 1,2-2,2 вес.%, предпочтительно 1,6-2,2 вес.%. В дополнение к элементам цинка, магния и меди этот ранее раскрытый сплав обязательно содержит один или более элементов из группы, состоящей из циркония, скандия и гафния, с максимальными пропорциями 0,4 вес.% циркония, 0,4 вес.% скандия и 0,3 вес.% гафния.
В EP 1683882 A1 раскрыт сплав с низкой чувствительностью к закалке, из которого производятся высоконапряженные части, например, для использования в авиационной и космической технологии и, таким образом, компоненты со свойствами высокой статической и динамической прочности и одновременно хорошей трещиностойкостью (вязкостью разрушения) и хорошим поведением коррозионного растрескивания под напряжением, причем эти компоненты также могут иметь толщину более 200 мм. Этот ранее раскрытый сплав состоит из 7-10,5 вес.% Zn, 1,0-2,5 вес.% Mg, 0,1-1,15 вес.% Cu, 0,06-0,25 вес.% Zr, 0,02-0,15 вес.% Ti в качестве обязательных элементов сплава, причем сумма элементов сплава Zn+Mg+Cu составляет по меньшей мере 9 вес.%, а остальное составляет Al в дополнение к неизбежным примесям. В способе производства, описанном в указанном известном уровне техники, полуфабрикат, изготовленный из указанного алюминиевого сплава, перестаривают на одном этапе или множестве этапов для того, чтобы оптимизировать желаемые свойства материала. Трещиностойкость, определенная для полуфабрикатов, изготовленных из этого сплава, в нейтральной среде согласно ASTM E399 улучшена по сравнению с ранее раскрытым известным уровнем техники.
Соответствующие свойства включают в себя, среди прочих, трещиностойкость, а также стойкость к коррозионному растрескиванию под напряжением в условиях, подверженных влиянию окружающей среды (согласно ASTM E1823: растрескивание под воздействием окружающей среды; сокращенно EAC). С этой целью коррозионное растрескивание под напряжением (SCC) обычно выполняется в среде соленой воды с обычной схемой испытания для определения стойкости к коррозионному растрескиванию под напряжением (стойкости к SCC). В схеме испытания, например, предварительно надрезанный образец (например, ASTM G168-00) подвергается воздействию силы, которая поражает испытуемый образец для того, чтобы увеличивать раскрытие надреза или трещины в случае достаточной силы так, что происходит трещинообразование. С увеличивающейся длиной трещин связанный коэффициент интенсивности напряжений (коэффициент K) уменьшается до тех пор, пока трещинообразование окончательно не прекратится. Испытуемый образец является более стойким к SCC, чем меньше обнаруживается рост трещин или чем выше нагрузка (в форме коэффициента K интенсивности напряжений), необходимая для распространения трещин, другими словами, чем выше коэффициент интенсивности напряжений, которому надрезанный образец для испытания, может быть подвергнут без обнаруживаемого распространения трещин.
IEAC
IEAC
IEAC
I
IEAC
1/2
1/2
Стойкость к SCC алюминиевых сплавов может быть очень разной в одном и том же сплаве в зависимости от условий окружающей среды, в которых выполняется испытание на SCC. Состояние перестаривания полуфабриката или испытуемого образца также имеет влияние на стойкость к SCC. В сплаве, соответствующему AA7010 с увеличивающимся перестариванием испытуемого образца, начиная с состояния T6 через состояние T76 до состояния T74, стойкость к SCC значительно увеличивается, в частности, также в среде соленой воды. Другие сплавы 7xxx в традиционном испытании на SCC (т.е. в соленой воде) проявляют в основном такое же поведение. В изменившихся условиях окружающей среды (например, высокой влажности при повышенной температуре) было показано, что в частности сплавы 7xxx с более высоким содержанием цинка в основном также имеет тенденцию испытывать «растрескивание под воздействием окружающей среды» в перестаренном состоянии (т.е. T7x). Здесь распространение трещин из-за водородной хрупкости возникает преимущественно по границам зерен (смотри, например, информационный бюллетень по безопасности EASA №2018-04). Для AA7010 при таких условиях окружающей среды EAC в состоянии T6 могут быть достигнуты значения K между 6 и 7 МПа⋅м; однако в перестаренном состоянии T74 значения K увеличиваются вплоть до 25 МПа⋅м с явно уменьшенной прочностью по сравнению с состоянием T6 из-за перестаривания. Согласно объяснению выше коэффициент K, K, здесь представляет собой меру стойкости к EAC, так как распространение трещин не происходит для напряжений K<K.
IEAC
1/2
Сплав (AA7037), раскрытый в EP 1683882 A1, который улучшен с точки зрения его свойств прочности по сравнению со сплавом AA7010, неожиданно не проявляет ожидаемой стойкости к EAC с увеличением перестаривания, как обнаруживается в испытуемом образце, изготовленном из сплава AA7010. Даже в перестаренном состоянии T7452 со сплавом согласно AA 7037 во влажной среде при повышенной температуре (50°C, 85% относительной влажности) может быть достигнута стойкость к EAC только приблизительно K=6-7 МПа⋅м.
На основе этого рассмотренного уровня техники основной целью изобретения является предложение алюминиевого сплава, из которого может быть изготовлено изделие из алюминиевого сплава со значениями прочности, сравнимыми со значениями прочности изделия из сплава, изготовленного из сплава AA7037, которое, однако, здесь проявляет улучшенную стойкость к EAC под влияниями окружающей среды, которые способствуют возникновению трещин и их распространению.
Эта цель достигается согласно изобретению с помощью алюминиевого сплава со следующим составом:
0,04-0,1 вес.% Si,
0,8-1,8 вес.% Cu,
1,5-2,3 вес.% Mg,
0,15-0,6 вес.% Ag,
7,05-9,2 вес.% Zn,
0,08-0,14 вес.% Zr,
0,02-0,08 вес.% Ti,
макс. 0,35 вес.% Mn,
макс. 0,1 вес.% Fe,
макс. 0,06 вес.% Cr,
дополнительно 0,0015-0,008 вес.% Be,
остальное составляет алюминий в дополнение к неизбежным примесям.
В сплавах, описанных в контексте этих вариантов осуществления, неизбежные примеси могут присутствовать с макс.0,05 вес.% на элемент и в общей сложности с макс.0,15 вес.%.
p0.2
1/2
1/2
Что касается полуфабрикатов, изготовленных из такого сплава, было неожиданно обнаружено, что, несмотря на относительное высокое содержание Zn, даже под влияниями окружающей среды, способствующими коррозионному растрескиванию, стойкость к EAC значительно улучшена по сравнению со значениями, которые могут быть достигнуты с образцами, изготовленными из сплава AA7037. При этом значения механической прочности достаточно высоки. Предел текучести R составляет более 440 МПа и может достигать значений 460 МПа и более в кованой части, имеющей толщину 150 мм. Трещиностойкость составляет выше 20 МПа⋅м и может достигать значений 25 МПа⋅м и более.
I
1/2
1/2
При выполнении испытания на EAC (ASTM E1823; ASTM G168) в окружающей среде с влажностью 85% и при температуре 50°C стойкость к SCC неожиданно показывает, что с приложенным напряжением K=20 МПа⋅м с продолжительностью испытания, равной 30 дней, распространение трещин не обнаружено. В связи с этим, даже в указанных условиях окружающей среды, стойкость к EAC изделия из сплава, произведенного из сплава согласно изобретению, в случае перестаривания до состояния T7xxx, явно улучшена по сравнению со стойкостью к EAC ранее раскрытых сплавов, таких как, например, AA7037 или в отношении AA7010 в частях, имеющих более большую толщину (толщину (100 мм, в частности также (150 мм). Здесь обнаружено, что этот сплав или полуфабрикаты и изделия, изготовленные из него, имеет/имеют особенно низкую чувствительность к закалке. Это означает, что даже в результате более большой толщины (площади поперечного сечения) части, изготовленные из сплава, не испытывают никаких или по меньшей мере никаких значительных потерь с точки зрения их прочности в центральных участках за счет их медленного охлаждения. Следствием этого является то, что эти части проявляют высокие прочности даже в случае больших поперечных сечений. Именно в изделиях из высокопрочных алюминиевых сплавов, которые используются в авиации и космонавтике, стойкость к EAC в такой окружающей среде (85% относительной влажности при 50°C) представляет особый интерес.Этот результат является неожиданным, так как стойкость к EAC изделия из сплава, изготовленного из сплава AA7037, в таком же перестаренном состоянии не предполагает этого. Наконец, для изделия из сплава AA7037, которое находится в таком же перестаренном состоянии, стойкость к EAC только приблизительно 6-7 МПа⋅м была определена с таким же перестариванием.
IEAC
IEAC
IC
IEAC
IC
1/2
1/2
Таким образом, несмотря на то, что коэффициенты интенсивности напряжений K приблизительно 6-7 МПа⋅м достигаются с изделиями из сплавов, изготовленными из алюминиевого сплава AA7037, в испытаниях на EAC, в изделиях из алюминиевого сплава, сделанных из сплава согласно изобретению, в таком же состоянии перестаривания эти значения явно выше 20 МПа⋅м. Достигнутые значения K в изделиях из алюминиевого сплава, сделанных из сплава согласно изобретению, составляют приблизительно 70% и выше в отношении трещиностойкости K при комнатной температуре. Во многих случаях значения K могут даже соответствовать значению K (и, таким образом, не могут быть экспериментально определены по техническим причинам), так как не удалось обнаружить распространение трещин в течение использованной продолжительности испытания (более 30 дней). Особой стойкости к EAC не ожидалось в связи с высоким содержанием Zn. Согласно преобладающему учению, более высокие содержания Zn отрицательно влияют на стойкость к EAC.
Изделие из алюминиевого сплава, изготовленное из алюминиевого сплава согласно изобретению, перестаривается предпочтительно в состоянии T74, T7451, T7452 или T7454. В этом состоянии изделие из алюминиевого сплава по-прежнему проявляет достаточные значения механической прочности, а также желаемую стойкость к SCC как в традиционном испытании при погружении в раствор соленой воды, так и в среде, благоприятствующей EAC под воздействием водорода, например, в окружающей среде с влажностью 85% и температурой 50°C. Если перестаривание не достигает состояния T74 или T74xx, могут фактически быть достигнуты более высокие значения механической прочности, но в таком случае стойкость к SCC/EAC в основном не проявляется в желаемой степени. Перестаривание сверх T74/T74xx, с другой стороны, приводит к дополнительному уменьшению значений механической прочности с, в общем, улучшенными свойствами SCC/EAC.
Согласно варианту осуществления данного алюминиевого сплава последний содержит 0,35-0,6 вес.% Ag, в частности 0,40-0,50 вес.% Ag. Что интересно, это то что было показано, что вышеописанные свойства в отношении стойкости к EAC проявляются особенно в сплаве, имеющем такое содержание Ag. В этом варианте осуществления сплава предпочтительное отношение Zn к Mg составляет более 3,4 вплоть до и включая 4,95. Отношение Zn к Mg между 3,5 и 4,25 является предпочтительным. Предпочтительное содержание меди этого варианта осуществления сплава составляет между 0,8 и 1,35 вес.% Cu, в частности между 0,9 и 1,2 вес.% Cu вместе с содержанием Mn между 0,18 и 0,3 вес.%, в частности 0,2-0,25 вес.%, и содержанием Zn между 7,1 и 8,9 вес.%. Если содержание Cu в таком алюминиевом сплаве составляет более 1,35 вес.% и находится в пределах диапазона от более 1,35 вплоть до 1,8 вес.%, изделие из сплава имеет сравнимые свойства изделия из сплава, если содержание Mn составляет менее 0,1 вес.%, в частности менее 0,05 вес.%.
Сплав проявляет эти особые свойства - высокие значения прочности и особую стойкость к EAC, - который даже имеет более низкое содержание Ag по сравнению с вышеописанным содержанием Ag, а именно когда указанное содержание составляет менее 0,35 вес.% Ag, но более 0,15 вес.%. Содержания Cu и Zn соответствуют более богатому Ag сплаву, в котором отношение Zn к Mg составляет между 3,9 и 4,3. Настоящее описание этих примеров вариантов осуществления иллюстрирует, что желаемые эффекты распространяются на весь диапазон заявленного сплава.
Особые свойства изделия из сплава, изготовленного из этого сплава, должны быть связаны с очень узким спектром элементов, участвующих в сплаве. Более того, только с этим составом желаемая стойкость к EAC может проявляться в состоянии T74/T74xx за счет перестаривания изделия из сплава, изготовленного из сплава.
Be может дополнительно, при необходимости, участвовать в сплаве. Введение Be при плавке используется для уменьшения восприимчивости к его окислению. Be может участвовать в количестве между 0,0015 и 0,008, в частности в диапазоне от 0,0015 до 0,0035, для упомянутых целей в структуре сплава.
Ниже изобретение описано со ссылкой на примеры вариантов осуществления. Ссылка сделана на приложенные фигуры, которые показывают следующие результаты для проведений испытаний с испытательными образцами согласно ASTM G168 при условиях окружающей среды 50°C и 85% относительной влажности.
IEAC
Фиг.1 - диаграмма для представления стойкости к EAC в форме скоростей растрескивания на плоском участке, а также стойкости K традиционного сплава AA7010 в разных состояниях старения или перестаривания.
Фиг.2 - диаграмма для представления результатов испытания на EAC под влиянием окружающей среды (50°C/85% относительной влажности) двух сравнительных образцов, изготовленных из сплава AA7037.
Фиг.3-6 - диаграммы, соответствующие диаграмме на фиг.2, представляющие результаты испытаний соответственно двух-четырех испытываемых образцов, изготовленных из сплавов согласно изобретению.
Из сравнительных сплавов и испытываемого сплава производили испытательные образцы, а именно с помощью следующих этапов, на которых:
- отливают прутки, сделанные из сплава;
- гомогенизируют литые прутки при температуре, которая максимально близка, но ниже температуры плавления сплава, для нагрева и времени пребывания, достаточного для достижения наиболее равномерного и наилучшего распределения элементов сплава в литой структуре, предпочтительно при 460-490°C;
- выполняют формование с нагревом гомогенизированных прутков путем ковки, экструзионного формования и/или прокатки в диапазоне температуры 350-440°C;
- выполняют термическую обработку на твердый раствор формованного с нагревом полуфабриката при температурах, которые достаточно высоки для равномерной солюбилизации элементов сплава, необходимой для затвердевания в структуре, например, при 465-500°C;
- закаливают термически обработанные на твердый раствор полуфабрикаты в воде при температуре между комнатной температурой и 100°C и в водно-гликолевой смеси или в смеси солей при температурах между 100°C и 170°C;
- дополнительно, при необходимости, выполняют холодную высадку (т.е. конечное состояние T7x52 или T7x54) или растяжение (т.е. конечное состояние T7x51) изделия со степенями высадки/растяжения предпочтительно в диапазоне от 1 до 5%; и
- выполняют многоступенчатое сохранение тепла закаленного полуфабриката для перестаривания полуфабриката до состояния T74 или T7452/T7454/T7451.
Композиции сплавов сравнительных сплавов и испытательных сплавов в вес.% являются следующими:
Si
Cu
Mg
Ag
Zn
Zr
Mn
Fe
Cr
Ti
Al
AA7010
0,1
1,65
2,3
-
6,3
0,11
0,02
0,08
0,02
0,03
Остальное
AA7037
0,04
0,9
1,65
-
8,5
0,12
0,29
0,07
0,01
0,05
Остальное
E1
0,07
1,1
1,9
0,21
7,5
0,11
0,22
0,05
-
0,03
Остальное
E2
0,07
1,05
1,9
0,45
7,5
0,11
0,22
0,06
-
0,03
Остальное
E3
0,07
1,1
2,2
0,45
7,5
0,11
0,22
0,06
-
0,03
Остальное
E4
0,07
1,55
1,75
0,45
7,5
0,11
-
0,08
0,01
0,03
Остальное
E5
0,07
1,1
1,7
0,45
8,3
0,11
0,22
0,08
-
0,03
Остальное
E6
0,07
1,55
1,75
0,2
7,5
0,12
-
0,05
-
0,03
Остальное
1/2
IEAC
Образцы в состоянии T7452 подвергали испытанию на EAC согласно ASTM E1681 с использованием образцов DCB согласно ASTM G168 в настоящем случае при относительной влажности 85% и температуре 50°C. Напряжения образцов, с начинающимся растрескиванием в начале испытания, находились между 20 и 30 МПа⋅м соответственно в зависимости от определенной трещиностойкости. Исследования в отношении поведения EAC на образцах DCB проводились в ориентации S-L. Таким образом, значения K относятся к этой ориентации. Ориентация S-L представляет собой направление, в котором образец наиболее подвержен разрушению под воздействием EAC. Образец подвергают напряжению в направлении ST кованой части (в направлении кратчайшей протяженности). Таким образом, следует ожидать начинающегося трещинообразования в направлении L (направлении наибольшей протяженности). Испытания на EAC в связи с этим выполняли на ориентированных в S-L образцах.
IEAC
IEAC
IEAC
IEAC
IC
p0.2
IEAC
IC
p0.2
1/2
1/2
1/2
1/2
1/2
Используя образец, изготовленный из сплава AA7010, фиг.1 показывает влияние перестаривания на увеличение значений K, а также одновременное уменьшение начальной скорости распространения трещин. Несмотря на то, что значения K в состоянии T6 являются низкими и не удовлетворяют требованиям (K, равный 5 МПа⋅м), стойкость к EAC улучшается с увеличивающимся старением. В состоянии T7452 значение K составляет 24 МПа⋅м. Однако значения механической прочности этого сплава приемлемы только вплоть до состояния T76 и проявляют трещиностойкость K приблизительно 21 МПа⋅м и предел текучести R, равный 470 МПа. Несмотря на то, что в состоянии T7452 значение K, а именно 24 МПа⋅м, является относительного высоким, как и значение K приблизительно 32 МПа⋅м, предел текучести R, 420 МПа является, однако, не достаточным.
p0.2
IC
IEAC
1/2
1/2
Несмотря на то что сплав AA7037, который уже улучшен с точки зрения прочности в отношении сплава AA7010, в состоянии T7452 проявляет достаточные значения механической прочности с пределом текучести R, равным 450 МПа и более, и трещиностойкостью K приблизительно 30 МПа⋅м, он не имеет достаточной стойкости к EAC для удовлетворения требованиям, смотри фиг.2. Значение K составляет приблизительно 6 МПа⋅м.
IEAC
p0.2
IC
1/2
1/2
В отличие от этого, как может быть видно на диаграмме на фиг.3, с образцом Е1, изготовленным из сплава согласно изобретению, достигаются значения K более 20 МПа⋅м, причем относительно этого образца можно отметить, что не удалось обнаружить распространение трещин в течение продолжительности испытания, равной 30 дней, в упомянутой среде EAC. Отсутствие возникновения распространения трещин в способствующей EAC среде (85% влажности, 50°C) очевидно с группы точек для разных образцов, причем группы являются всего лишь результатом дисперсий в измерениях длин трещин. Обычное поведение стойкости к растрескиванию под напряжением, приводящее к распространению трещин и разрушению, может быть видно на диаграмме на фиг.2 со ссылкой на образец, изготовленный из сплава AA7037. Для Е1 предел текучести R составляет приблизительно 480 МПа. Трещиностойкость K здесь составляет приблизительно 26 МПа⋅м (ориентация S-L образца).
IEAC
1/2
Фиг.4 показывает диаграмму, соответствующую диаграмме на фиг.3, с результатами образца сплава Е2. В этом образце также в течение продолжительности испытания, равной 30 дней, не удалось обнаружить распространение трещин. Стойкость к EAC отражена в достигнутых значениях K более 35 МПа⋅м.
IEAC
1/2
Фиг.5 показывает дополнительную диаграмму вышеупомянутого типа с достигнутыми значениями K приблизительно 20 МПа⋅м, которые были получены с четырьмя образцами, изготовленными из сплава Е4. В отношении этого образца также не удалось обнаружить рост трещин в течение продолжительности испытания, равной 30 дней.
IEAC
1/2
Значения K, также от четырех образцов сплава в соответствии с изобретением согласно Е5, могут быть получены из диаграммы на фиг.6. Они находятся между приблизительно 22 и 26 МПа⋅м. Группа точек на этой диаграмме также иллюстрирует, что не удалось обнаружить рост трещин в течение продолжительности испытания.
Вышерассмотренные значения прочности испытательных образцов, изготовленных из сравнительных сплавов, а также из испытательных образцов сплавов Е1-E6 согласно изобретению, представлены обобщенными в следующей таблице:
Сплав
Свойства EAC в T7452
Свойства прочности в T7452
K<sub>IEAC</sub>/K<sub>IC</sub>
K<sub>IEAC</sub> [МПа⋅м<sup>1/2</sup>]
K<sub>IC, S-L</sub>[MПа⋅м<sup>1/2</sup>]
R<sub>p0.2,L</sub> [МПа]
AA7010
24
32
420
(75%
AA7037
6
22
450
(27%
E1
>20
26
482
(80%
E2
Нет роста трещин>20
23
466
(90%
E3
Нет роста трещин>20
20
470
(100%
E4
Нет роста трещин>20
21
487
(90%
E5
Нет роста трещин>20
26
467
(90%
E6
Нет роста трещин>20
22
470
(90%
Описание сплавов согласно изобретению и перестаренных изделий из сплавов, изготовленных из них, явно показывает, что стойкость к EAC этих изделий из сплавов является неожиданно удовлетворительной.