СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
METHOD OF THERMAL TREATMENT OF PRODUCTS MADE OF HIGH-STRENGTH ALLUMINIUM ALLOY

Изобретение относится к области цветной металлургии, а именно к способу термической обработки полуфабрикатов и деталей из высокопрочных, особенно сверхпрочных, алюминиевых сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu с добавкой Zr, используемых в качестве конструкционного материала для силовых элементов в авиакосмической технике, а также в транспортном машиностроении.
Известно, что высокая прочность этих сплавов достигается в результате закалки и искусственного зонного старения по низкотемпературным (~120°С) одноступенчатым режимам T1 (T6 за рубежом) вследствие образования равномерно распределенных внутри зерен, в основном выделений зон Гинье-Престона (ГП), а также формирования нерекристаллизованной (субзеренной) структуры благодаря добавке активного антирекристаллизатора Zr (патенты США №4863528, №4832758).
Недостатком сплавов после этой термообработки является то, что они имеют низкое сопротивление опасным видам коррозии - расслаивающей (РСК) и коррозионному растрескиванию под напряжением (КР), которое обусловлено в основном неблагоприятными (сплошными) пограничными выделениями частиц полностью некогерентной М и частично когерентной М'-фаз, а также недостаточное сопротивление усталости, что связано с малой пластичностью матричного раствора из-за упрочнения когерентными зонами ГП и наличием дислокации у границ зерен.
Для кардинального повышения стойкости к КР и РСК с целью повышения эксплуатационной надежности и ресурса конструкций, для высокопрочных сплавов широко применяются двух- (и даже трех-) ступенчатые режимы смягчающего старения Т2 и Т3 (Т76, Т73, Т74). Это происходит в результате интенсивной коагуляции и формирования крупных частиц некогерентной (стабильной) фазы М с дискретным расположением по границам зерен на второй высокотемпературной (160-180°С), продолжительной ступени старения (Цветные металлы и сплавы, Энциклопедия «Машиностроение», М., 2001, т.II-3, с.94-131; Aluminum Standards and Data, Aluminum Association, USA, 1998, p.3.15-3.17).
Однако одновременно в состояниях Т2 и Т3 по сравнению с состоянием Т1 снижаются на 7-15% прочностные характеристики. Также не улучшаются показатели усталости, а в состоянии Т3 (с большей степенью перестаривания) эти показатели несколько снижаются, что не позволяет в современных конструкциях полностью реализовать весовую эффективность от использования высокопрочных и особенно сверхпрочных сплавов с максимальной удельной прочностью.
Наиболее близким по техническому решению и назначению аналогом предлагаемого изобретения, взятым за прототип, является способ термической обработки изделий из высокопрочных сплавов на базе системы Al-Zn-Mg-Cu-Zr, состоящий из закалки и трехступенчатого искусственного старения.
Искусственное старение состоит из следующих стадий:
а) I ступень - нагрев при температуре 95-135°С, выдержка 2-12 час,
б) II ступень - нагрев при температуре 149-168°С, выдержка 4-18 час (предпочтительный режим: температура 156-163°С, выдержка 7-13 час),
в) III ступень - нагрев при температуре 95-135°С (предпочтительный режим: выдержка не менее 6 час при температуре 110-127°С)
(Патент США №20020121319).
Недостатком этого способа является то, что он предназначен для толстых полуфабрикатов (толщиной более 51 мм, преимущественно 76-305 мм). Но при закалке не достигается скорость охлаждения, необходимая для максимального пересыщения твердого раствора легирующими элементами и, соответственно, не обеспечивается максимальная прочность.
Ввиду относительно медленного нагрева и охлаждения массивных полуфабрикатов на разных ступенях старения ограничена возможность для регулирования скоростей нагрева и охлаждения и соответственно параметров структуры полуфабриката, а большая общая длительность процесса трехступенчатого старения повышает стоимость производства изделий.
в
Известный способ не предназначен для термической обработки основной номенклатуры применяемых в авиационной технике полуфабрикатов и деталей толщиной менее 50 мм (длинномерных плит, листов, прессованных профилей, панелей для обшивок, стрингеров и др.), которые требуют резкого охлаждения при закалке (в холодной воде с помощью спреера или погружением) для достижения максимального уровня прочности (σ>600 МПа) и сопротивления усталости.
Технической задачей настоящего изобретения является разработка режимов термической обработки изделий (катаных, прессованных и кованых), толщиной преимущественно до 50 мм, из высокопрочных, особенно сверхпрочных высоколегированных алюминиевых сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu-Zr, позволяющих получать стабильно высокие прочностные свойства и повышенное сопротивление усталости при высоком уровне коррозионной стойкости, что обеспечивает увеличение весовой эффективности и ресурса изделий.
Для решения данной задачи предложен способ термической обработки изделий из высокопрочных алюминиевых сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu-Zr, включающий закалку и искусственное трехступенчатое старение, при котором на первой ступени осуществляют низкотемпературный нагрев при температуре 110-125°С с выдержкой 1-12 час, на второй ступени - нагрев при повышенной температуре 150-168°С, отличающийся тем, что на второй ступени проводят кратковременный нагрев с последующим регламентированным ускоренным охлаждением до температуры 30-40°С со скоростью не менее 0,5°С/мин, на третьей ступени выполняют низкотемпературный нагрев при температуре 70-90°С, обеспечивающий выделение дополнительных тонкодисперсных упрочняющих фаз из пересыщенного твердого раствора.
При этом предпочтительно выполнять закалку с температуры (465-480°С) с быстрым охлаждением в холодной воде с температурой не более 30°С, на второй ступени осуществлять кратковременный нагрев с выдержкой 1-3 час, а на третьей ступени - с выдержкой 8-25 час.
Кратковременный нагрев (выдержка 1-3 час) на второй ступени искусственного старения при умеренно повышенных температурах 150-168°С имеет две цели:
- ограничение коагуляции и размеров метастабильных, частично когерентных выделений фазы М', образующихся на равномерно и плотно распределенных в матричном твердом растворе зонах ГП гомогенного зарождения в процессе низкотемпературной первой ступени старения, для получения основной доли (более 90%) высокой прочности;
- формирование относительно крупных частиц преимущественно стабильной фазы М с дискретным расположением и устранение дислокаций по границам зерен для обеспечения коррозионной стойкости к РСК и КР. При этом рекомендуется после второй ступени старения ускоренное регламентированное охлаждение изделий (при выдвижении пода печи с использованием вентилятора и т.п.) до температуры 30-40°С со скоростью не менее 0,5°С/мин для фиксирования определенного пересыщения твердого раствора и во избежание его распада для того, чтобы получить наибольший эффект от последующего старения на третьей ступени.
Низкотемпературный нагрев на третьей ступени старения при температуре 70-90°С необходим для дополнительного выделения из твердого раствора тонкодисперсных ("мелких") упрочняющих полукогерентных фаз М' в зерне, что приводит к дополнительному упрочнению изделий и достижению в предлагаемом способе уровня прочности, как правило, выше прочности в состоянии T1 (T6).
При закалке нагрев до максимально высокой температуры 465-480°С (которая зависит от типа и габаритов исходных полуфабрикатов, а также от особенностей печи) требуется для наиболее полного растворения избыточных фаз в твердом растворе, особенно в сильнолегированных многофазных сплавах, а последующее быстрое охлаждение в холодной воде с температурой не более 30°С позволяет избежать распад пересыщенного твердого алюминиевого раствора.
Повышенное сопротивление малоцикловой усталости обусловлено увеличением локальной пластичности матрицы сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu-Zr в результате аннигиляции дислокаций, однородного и достаточно полного мелкодисперсного распада твердого раствора, сформированного при использовании предлагаемого трехступенчатого способа термической обработки.
Примеры осуществления
В условиях промышленного производства методом прокатки были изготовлены плиты толщиной 20-50 мм из сверхпрочного алюминиевого сплава следующих составов, % по массе: 8,0-8,4 Zn; 1,95-2,2 Mg; 1,5-1,8 Cu; 0,1-0,12 Zr; 0,10-0,11 Fe; 0,04-0,06 Si.
Использовались крупногабаритные плоские слитки, отлитые полунепрерывным методом из электрической печи.
В таблице 1 приведены режимы термической обработки (закалки и трехступенчатого старения) по предлагаемому способу и известному способу прототипа, а в таблице 2 представлены характеристики полуфабрикатов, полученных по предлагаемому и известному способам, где примеры 1-3 относятся к предлагаемому способу, а пример 4 - к известному способу прототипа.
2
4
отв
Механические свойства при статическом растяжении определяли на цилиндрических образцах, вырезанных из центральной части сечения (s/) и четверти сечения (s/), где s - толщина полуфабриката. Диаметр рабочей части цилиндрических образцов составлял d=5 мм.
отв
t
Малоцикловую усталость оценивали по долговечности образцов-полос с открытым отверстием диаметром d=5 мм (коэффициент концентрации напряжений K=2,6) при испытании на машинах типа MTS при частоте f=40 Гц и коэффициенте ассиметрии цикла R=0,1.
Тонкую структуру плит исследовали с помощью просвечивающих электронных микроскопов JEM 200CX и Tesia BS540.
Оценку коррозионной стойкости проводили прямыми испытаниями на РСК по 10-бальной системе в соответствии с ГОСТ9.904 плоских образцов размером 5×4×80 мм и по измерению удельной электропроводимости вихретоковым методом на поверхности образцов.
Как свидетельствуют данные в таблице 2, предложенный способ термической обработки позволяет получить оптимальную структуру изделий, характеризующуюся умеренным распадом твердого раствора с высокой дисперсностью и однородностью распределения упрочняющих метастабильных выделений М' в зерне, что позволяет обеспечить высокий уровень прочности и долговечности в условиях усталостных нагрузок. При этом сформированная структура пограничных выделений стабильной фазы М с дискретным расположением обеспечивает высокую коррозионную стойкость к РСК (4-6 баллов), аналогичную стойкости, получаемой по известному способу.
Предложенный способ термической обработки позволяет повысить весовую эффективность и ресурс изделий в результате достижения стабильно высоких прочностных характеристик, сочетающихся с повышенным уровнем сопротивления усталости и коррозионной стойкости.
Таблица 1.Режимы термической обработки по предлагаемому способу и способу-прототипу
№ п/п
Закалка
Искусственное старение
Толщина изделия, мм
Температура, °С
* Охлаждение. Температура воды, °С
I ступень
II ступень
III ступень
Температура, °С
Выдержка, час
Температура, °С
Выдержка, час
Скорость охлаждения, °С/мин
Температура, °С
Выдержка, час
1
480
25
125
1
168
1
1,0
80
15
20
2
465
18
110
2
160
2
0,6
90
8
40
3
472
30
110
12
150
3
0,5
70
25
50
4
472
30
120
2
160
10
-
120
10
52
* Методом погружения.
Таблица 2.Характеристики полуфабрикатов, полученных по предлагаемому способу и способу-прототипу
Режим термообработки
σ<sub>B</sub>
σ<sub>0,2</sub>
Размеры метастабильной фазы М' в зерне, нм
Размер частиц стабильной фазы М по границам зерен, нм
Удельная электропроводимость, МСм/м
Малоцикловая усталость. Долговечность N, кциклы
МПа
«крупных»
«мелких» (M'+ГП)
1
629
609
14-17
5-7
40-60
20,8
507
2
640
620
12-15
4-6
40-50
20,6
605
3
634
613
9-12
3-5
30-40
20,4
410
4
580
540
20-25
7-10
70-80
21,3
255