ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ
ALUMINIUM-BASED HEAT-RESISTANT ALLOY

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к деформируемым термически упрочняемым сплавам на основе алюминия, предназначенным для применения в качестве конструкционного материала для элементов конструкций изделий авиационной техники и машиностроения, подвергающихся технологическим и эксплуатационным нагревам до температур 175-200°C.
Известен алюминиевый сплав марки 1205, имеющий следующий состав, мас.%:
медь
5,6-6,8
марганец
0,3-0,8
титан
0,02-0,1
цирконий
0,08-0,15
кадмий
0,1-0,2
магний не более
0,02
алюминий
остальное
(«Авиационные материалы. Справочник в 9 томах» т. 4, кн. 1. Под ред. С.И. Кишкина. Москва. ОНТИ, 1982 г., стр. 453-481).
Недостатком данного сплава является невысокий уровень длительной прочности при температурах 175-200°C, что позволяет ограниченно использовать его в греющихся частях конструкций. Кроме того, в его составе содержится кадмий, который существенно ухудшает экологичность производства сплава.
Известен жаропрочный деформируемый алюминиевый сплав, содержащий следующие элементы, мас.%:
медь
5,5-6,5
марганец
0,4-0,8
магний
0,2-0,35
титан
0,05-0,1
цирконий
0,06-0,2
ванадий
0,05-0,15
молибден
0,02-0,08
кремний
0,12-0,25
алюминий
остальное
(RU 2048577 С1, 20.11.1995).
Недостатком данного сплава является невысокий уровень механических свойств при комнатной температуре. Малое содержание магния не обеспечивает уровень предела текучести выше 390 МПа. Кроме того, из-за легирования большим количеством нерастворимых в алюминии элементов, в частности кремнием, сплав отличается невысокими характеристиками трещиностойкости в результате образования избыточных грубых интерметаллидов, являющихся центрами зарождения и развития трещин.
Наиболее близким аналогом является алюминиевый сплав, имеющий следующий химический состав, мас.%:
Cu
4,1-5,5
Mg
0,30-0,75
Mn
0,15-0,8
Ti
0,05-0,4
Cr
0,05-0,4
Ag
0-0,7
Zr
0-0,2
Fe
0-<0,20, предпочтительно 0-<0,15
Si
0-<0,20, предпочтительно 0-<0,15
Al и другие примеси
остальное
(RU 2418876 С2, 0.05.2011).
Недостатком данного сплава является неудовлетворительная длительная прочность, что существенно ограничивает его применение в изделиях, подвергающихся эксплуатационным и технологическим нагревам. Задачей данного изобретения является разработка алюминиевого сплава системы Al-Cu-Mg, легированного редкими (далее - РМ) и редкоземельными металлами (далее - РЗМ) для элементов конструкций изделий авиационной техники и машиностроения, подвергающихся эксплуатационным и технологическим нагревам, в том числе длительным, вплоть до температур 175-200°C.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение пределов прочности и текучести при комнатной температуре и длительной прочности при температурах 175-200°C после упрочняющей термической обработки при сохранении высокого уровня трещиностойкости. Технический результат достигается за счет того, что предложен сплав на основе алюминия, включающий медь, магний, марганец, цирконий, серебро, при этом он дополнительно содержит кобальт, по крайней мере, один элемент из группы, содержащей иттрий, церий, и, по крайней мере, один элемент из группы, содержащей гафний, титан, бор, углерод, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
медь
5,1-6,5
магний
0,15-1,0
марганец
0,1-0,9
цирконий
0,005-0,2
кобальт
0,005-0,2
серебро
0,25-1,0
по крайней мере, один элемент из группы, содержащей
иттрий, церий
0,005-0,2
по крайней мере, один элемент из группы, содержащей
гафний, титан
0,001-0,1
бор, углерод
0,0001-0,08
алюминий
остальное
Комплексное легирование сплава обеспечивает повышение прочности и длительной прочности за счет выделения упрочняющих фаз в процессе старения и укрепление границ зерен нерастворимыми фазами на основе алюминия с редкоземельными металлами.
Повышение содержания меди обеспечивает упрочнение сплава при комнатной температуре за счет повышения плотности выделений упрочняющих фаз.
Добавление серебра обеспечивает образование фазы Ω' в результате искусственного старения, которая выделяется гомогенно и обеспечивает повышение пределов прочности и текучести при сохранении трещиностойкости.
С целью модификации структуры слитков и обеспечения после деформации в полуфабрикатах из данного сплава однородного зерна с регламентированным размером вводятся элементы из группы, содержащей титан, гафний, бор и углерод, которые образуют друг с другом и с алюминием соединения, являющиеся центрами кристаллизации при литье, обеспечивая мелкозернистую структуру в слитках.
Введение в состав сплава редкоземельных металлов - иттрия и/или церия обеспечивает укрепление границ зерен за счет образования стойких к воздействию температур соединений с алюминием, которые являются препятствием для движения дислокаций и развития процессов ползучести, что повышает уровень длительной прочности, в частности при температурах 175-200°C.
Пример осуществления.
Методом полунепрерывного литья были отлиты круглые слитки диаметром 110 мм, химический состав которых представлен в таблице 1. После гомогенизации и обточки проводили ковку слитков на плоскую сутунку при температуре 400-460°C. Затем проводили горячую прокатку сутунок до толщины 6 мм, после чего горячекатаные заготовки прокатывались вхолодную на стане типа «Дуо» до толщины 2,5 мм. После прокатки листы закаливались в холодной воде. Затем проводили правку растяжением со степенью остаточной деформации 0,5-1,5% для придания необходимой плоскостности и искусственное старение по одноступенчатому режиму на максимальную прочность.
Из листов были вырезаны образцы для исследований механических свойств при растяжении при комнатной температуре, а также образцы для определения длительной прочности. Испытания проводились на плоских образцах по ГОСТ 1497-84. Испытания на длительную прочность проводились по ГОСТ 10145-1. Испытания на трешиностойкость с определением критического коэффициента интенсивности напряжений в условиях плосконапряженного состояния проводились по ОСТ 1 90356-84. Результаты механических испытаний приведены в таблице 2.
Как видно из сравнения механических характеристик листов, представленных в таблице 2, предлагаемый сплав обладает на 5% повышенным пределом прочности, на 10% повышенным пределом текучести при комнатной температуре в сравнении с прототипом, а также повышенной на 20% длительной прочностью при сохранении высокого уровня трещиностойкости. Это позволяет использовать данный сплав в нагруженных элементах конструкций в условиях теплового воздействия.