СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ ЛЕГКОГО ЦВЕТНОГО СПЛАВА СО СВЕРХПЛАСТИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ
PROCEDURE FOR FORMATION OF STRUCTURE OF LIGHT NON-FERROUS ALLOY WITH SUPER-PLASTIC PROPERTIES

Изобретение относится к области металлургии легких цветных сплавов, в частности к технологии, приближенной к нанотехнологиии формирования мелкозернистой структуры алюминиевых и магниевых сплавов со сверхпластическими свойствами, и может быть использовано при изготовлении заготовок из указанных сплавов для сверхпластической формовки изделий сложной формы.
Основная проблема в рассматриваемой области сводится к задаче технологической оптимизации режимов формирования мелкозернистой структуры легких цветных сплавов за счет снижения числа операций при реализации оптимальных режимов низкотемпературного и высокоскоростного сверхпластического деформирования этих сплавов.
В уровне данной технологии традиционные методы повышения пластичности легких цветных сплавов предусматривают насыщенную подготовительными и основными операциями ступенчатую термомеханическую обработку сплавов, для которой характерны недостаточно высокая интенсивность деформирования сплавов и сравнительно высокая температура их деформации, в связи с чем указанная обработка характеризуется недостаточно эффективным формированием мелкодисперсной структуры сплавов.
Так в приведенном в качестве примера известном способе получения тонкого листа для сверхпластической формовки из сплавов системы Al-Mg-Li (см. патент РФ №1529750, C22F 1/04, 1996) для получения мелкозернистой рекристаллизационной структуры сплава 1420 с величиной зерна 10 мкм и удовлетворительными сверхпластическими свойствами (относительное удлинение 350% при 470°С) проводят гомогенизационный отжиг слитков при 475-520°С в течение 3-8 час, горячую прокатку, закалку с 490-520°С, гетерогенизационный отжиг при 385-410°С в течение 1-2 час, после чего листы прокатывают вхолодную на конечную толщину с промежуточными отжигами при 385-410°С в течение 5-30 мин через каждые 30-55% деформации, причем охлаждение после гетерогенизационного и промежуточных отжигов проводят со скоростью 350-750°С/сек.
В известном способе получения сверхпластических листов из алюминиевых сплавов системы алюминий - магний - литий (см. патент РФ №2345173, C22F 1/047, 2009), выбранном заявителем в качестве прототипа заявляемого способа формирования структуры со сверхпластическими свойствами легкого цветного сплава, формирование ультрамелкозернистой структуры сплава системы Al-Mg-Li с размером зерен 0,85 мкм и высокими показателями сверхпластичности (относительное удлинение 780% при температуре деформации 400°С) осуществляют методом прессования исходных заготовок в пересекающихся каналах с диаметром, соответствующим диаметру деформируемой сдвигом заготовки в интервале температур 300-400°С со степенью накопленной деформации 10.
В способе-прототипе достижение сверхпластических свойств - более эффективно в результате сокращения числа операций по их обеспечению путем диспергирования структуры исходных заготовок методом интенсивного пластического деформирования сплавов по технологии равноканального углового прессования, однако температурный интервал прессования (300-400°С) при отсутствии данных в описании изобретения (способа-прототипа) по скорости прессования для различных марок сплавов свидетельствует о резерве технологической оптимизации получения легких цветных сплавов со сверхпластическими свойствами: относительно высокая температура прессования и экспериментально подбираемый скоростной режим деформационного диспергирования для сплавов различных марок увеличивают затраты, связанные с отработкой и реализацией оптимальной технологии формирования структуры в группе легких цветных сплавов со сверхпластическими свойствами (имеются в виду меры по повышению пластичности этих сплавов при промышленно интересных температурах и скоростях их деформирования).
Технический результат заявляемого изобретения - повышение технологического уровня и эффективности формирования структуры легких цветных сплавов с максимальными сверхпластическими свойствами путем деформационного измельчения их зеренной структуры и формирования неравновесного состояния границ зерен методом интенсивного пластического деформирования сплавов по технологии равноканального углового прессования за счет снижения ресурсных затрат по отработке и реализации оптимальных технологических режимов формирования их сверхпластической структуры в широких группах марок сплавов, обусловленных повышением скорости и снижением температуры сверхпластической деформации.
РКУП
Указанный технический результат достигается тем, что в способе формирования структуры со сверхпластическими свойствами легкого цветного сплава, включающем деформационное измельчение зерен сплава путем интенсивного пластического деформирования сплава равноканальным угловым прессованием, равноканальное угловое прессование проводят со скоростью деформации , выбираемой из интервала 0,1-1,0 мм/сек, и температурой деформации Т, определяемой соотношением:
m
где T - абсолютная температура плавления сплава;
k - постоянная Больцмана;
- энергия активации диффузии по неравновесным границам зерен;
- предэкспоненциальный множитель коэффициента диффузии по неравновесным границам зерен;
1
2
1
2
1
2
3/2
-8
3/2
3/2
-8
3/2
Z и Z - расчетные модельные параметры неравновесного состояния структуры сплава, зависящие от его химического и фазового состава, при этом для алюминиевых сплавов Z=0,49 м и Z=6,5·10 м, а для магниевых сплавов Z=0,49 м и Z=10,7·10 м.
РКУП
При формировании структуры алюминиевых сплавов со сверхпластическими свойствами, например сплавов Al-XMg-0,22%Sc-0,15%Zr при Х=0,00-4,50%, равноканальное угловое прессование этих сплавов проводят при общем числе циклов прессования, равном шести, и температуре деформации Т=150°С.
РКУП
При формировании структуры магниевых сплавов со сверхпластическими свойствами, например сплава Mg-6%Zn-0,5%Zr, равноканальное угловое прессование этого сплава проводят при общем числе циклов прессования, равном шести, и температуре деформации Т=200°С.
Предлагаемый способ формирования структуры со сверхпластическими свойствами легкого цветного сплава осуществляют следующим образом.
исх
С
РКУП
1
2
РКУП
3/2
-8
3/2
Исходные крупнокристаллические заготовки (с размером зерна d=20-100 мкм) размером 22×22×165 мм из легкого цветного сплава (например, сплава Al-4,5%Mg-0,22%Sc-0,15%Zr) подвергают шести циклам прессования в инструменте с углом пересечения рабочего и выходного каналов 90° на установке для равноканального углового прессования по маршруту В (заготовку перед каждым повторным циклом поворачивают на угол 90° вокруг своей продольной оси) со скоростью деформации  (выбранная скорость деформации определилась техническими возможностями используемой установки) при температуре деформации Т=150°С, уточненной с помощью соотношения (1) на основе величин модельных параметров для алюминиевых сплавов Z=0,41 м и Z=6,5·10 м (порядок проведения технологической проработки в производственных условиях предусматривает также возможность предварительного пробного прессования в пределах интервала величин Т: 100-300°С).
cp
-2
-1
В результате такой обработки указанный в качестве примера алюминиевый сплав приобрел субмикрокристаллическую структуру, характеризующуюся средним размером зерна d=0,8 мкм (размер зерна определен методом атомно-силовой микроскопии) и при относительном удлинении δ=2250% (результат испытания на сверхпластичность указанного сплава при температуре 450°С и скорости деформации 3,3·10 с на разрыв).
РКУП
cp
Для подтверждения максимальной сверхпластичности такой же образец алюминиевого сплава подвергают изложенной обработке со скоростью деформации  (базовой - средней в интервале предпочтительных скоростей деформации ) при температуре деформации Т с ее изменением в сторону уменьшения и увеличения от уточненной величины на 30% (в результате субмикрокристаллическая структура образца изменяла средний размер зерна d на от 100 до 200% и характеризовалась уменьшением относительного удлинения δ в среднем на 15-20%).
РКУП
Примеры уточнения температуры деформации Т для группы легких цветных сплавов:
1
2
3/2
-8
3/2
1) алюминиевые сплавы (при модельных параметрах Z=0,41 м и Z=6,5·10 м):
РКУП
cp
-2
-1
для Al-1,5%Mg-0,22%Sc-0,15%Zr - при  и Т=150°С средний размер зерна d=0,3 мкм и относительное удлинение δ=1340% (результат испытания на сверхпластичность указанного сплава при температуре 450°С и скорости деформации 3,3·10 с на разрыв);
РКУП
cp
-3
-1
для Al-6%Mg-1%Mn (АМГ6) - при  и Т=250°С средний размер зерна d=0,5 мкм и относительное удлинение δ=320% (результат испытания на сверхпластичность указанного сплава при температуре 260°С и скорости деформации 3,3·10 с на разрыв);
1
2
3/2
-8
3/2
2) магниевые сплавы (при модельных параметрах Z=0,49 м и Z=10,7·10 м):
РКУП
cp
-3
-1
для Mg-6%Zn-0,5%Zr (МА14) - при  и Т=200°С средний размер зерна d=1,0 мкм и относительное удлинение δ=810% (результат испытания на сверхпластичность указанного сплава при температуре 260°С и скорости деформации 3,3·10 с на разрыв);
РКУП
cp
-3
-1
для Mg-5%Al-1%Zn-0,7%Mn (МА2-1) - при  и Т=250°С средний размер зерна d=1,3 мкм и относительное удлинение δ=400% (результат испытания на сверхпластичность указанного сплава при температуре 260°С и скорости деформации 3,3·10 с на разрыв).
Базовыми для соотношения (1) послужили модельные дисперсионные и диффузионно-энергетические условия состояния границ зерен при интенсивной пластической деформации, определяемые следующим соотношением теории неравновесных границ зерен (см. статью Чувильдеева В.Н., Копылова В.И., Нохрина А.В. и др. Предел диспергирования при равноканальной угловой деформации. Влияние температуры. - Доклады Академии Наук, Техническая физика, 2004, т.396, №3, с.1-7):
условие на размер критического фрагмента -
.
где χ - геометрический коэффициент;
1/2
k - коэффициент Холла-Петча, МПа·мм;
G - модуль сдвига, ГПа;
b
b
δ - ширина границы (δ=2b);
10
b - вектор Бюргерса, м·10;
- критический коэффициент зернограничной диффузии;
1
A - численный параметр;
ξ - коэффициент однородности пластической деформации;
- скорость внутризеренной деформации;
23
3
Ω - атомный объем, 10 см;
k - постоянная Больцмана;
Т - температура интенсивной пластической деформации;
и условие на оптимальный размер зерна для сверхпластичности (см. статью на англ.яз. Чувильдеева В.Н. и др. Optimum Grain Size for Superplastic Deformation. - Doklady Physics, Technical physics, 2006, v.51, n.9, p.500-504):
opt
где d - оптимальный размер зерна для сверхпластичности;
Z - численный коэффициент;
- предэкспоненциальный множитель в выражении для коэффициента диффузии по неравновесным границам зерен;
- энергия активации диффузии по неравновесным границам зерен;
при этом
0
где ω - нормировочный множитель;
В
α - численный коэффициент, зависящий от температуры испытаний и кристаллографических констант материала;
1
C - численный коэффициент в выражении для времени диффузионного ухода скользящих компонент из неравновесных границ зерен;
2
ξ - численный коэффициент в выражении для скорости накопления дефектов на границах зерен при сверхпластической деформации.
Предмет рассмотрения теории неравновесных границ зерен выходит за рамки настоящей заявки. Ее промышленным значением является разработка модельных представлений о механизме сверхпластичности на микроструктурном уровне, позволившем с помощью соотношения (1) задать температурно-скоростные условия ее максимизации при технологически достижимом интервале предпочтительных скоростей деформирования : от 0,1 мм/сек до 1.0 мм/сек на различных установках заготовок легких цветных сплавов при деформационном измельчении их зерен методом интенсивного пластического деформирования сплавов по технологии равноканального углового прессования и предложить нанотехнологическое решение оптимального формирования структуры легких цветных сплавов со сверхпластическими свойствами.
В результате создана технологическая база обеспечения сверхпластичности широкой группы легких цветных сплавов на уровне высоких величин относительного удлинения при более низкой температуре ее достижения, продемонстрированная в приведенных примерах и характеризующаяся минимизацией затрат на оптимизацию (уточнение) подбираемых температурно-скоростных режимов деформирования.