Патент на изобретение №2310005
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(54) СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ И ИЗДЕЛИЕ ИЗ НЕГО
(57) Реферат:
Изобретение относится к области металлургии сплавов на основе алюминия, применяемых для изготовления полуфабрикатов и изделий, используемых в качестве конструкционных материалов для авиакосмической техники. Сплав и изделие, выполненное из заготовки из этого сплава, содержат следующие компоненты, мас.%: литий 1,6-1,9; медь 1,3-1,5; магний 0,7-1,1; цирконий 0,04-0,2; бериллий 0,02-0,2; титан 0,01-0,1; никель 0,01-0,15; марганец 0,01-0,2; галлий до 0,001; цинк 0,01-0,3; натрий – до 0,0005; кальций 0,005-0,02; и по крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей ванадий 0,005-0,01 и скандий 0,005-0,01; алюминий – остальное. Данный сплав и изделия, выполненные из него, обладают повышенной пластичностью, что позволяет повысить их технологичность, увеличить выход годного при изготовлении полуфабрикатов и изделий, обеспечить возможность производства тонких листов, тонкостенных профилей и штамповок при снижении трудоемкости производства. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к области металлургии сплавов на основе алюминия, в частности к сплаву системы алюминий – медь – магний – литий, применяемому для изготовления полуфабрикатов и изделий из него, используемых в качестве конструкционных материалов для авиакосмической техники. Известно, что алюминий – литиевые сплавы обладают уникальным сочетанием механических свойств, а именно малой плотностью, повышенным модулем упругости и достаточно высокими прочностными характеристиками. Наличие указанных свойств дает возможность использовать сплавы этой системы в качестве конструкционного материала для авиакосмической техники, что позволяет улучшить ряд летно-технических характеристик летательных аппаратов, в частности снижение массы аппаратов, экономия горючего, увеличение грузоподъемности. Однако алюминий – литиевые сплавы обладают одним недостатком низкой пластичностью в состояниях близких к максимальной прочности (Н.И.Фридляндер., К.В.Чуистов, А.Л.Березина, Н.И.Колобнев. Алюминий-литиевые сплавы. Структура и свойства., Киев: Наук. думка, 1992, с.177). Известен сплав на основе алюминия, содержащий, мас.%:
(Авторское свидетельство СССР №1767916, МКИ С22С 21/16, дата публикации 1997.08.20). Недостатками указанного сплава являются его низкая технологичность, высокая трудоемкость изготовления и низкие выходы годного при изготовлении полуфабрикатов и изделий из него, невозможность получения из него тонких листов, тонкостенных профилей и штамповок. К причинам, обуславливающим возникновение указанных выше недостатков при использовании известного сплава, относится то, что в известном сплаве относительно высокое содержание меди отрицательно влияет на горячеломкость и пластичность при обработке давлением, что приводит к повышенному трещинообразованию, повышенной отбраковке по зажимам и неплоскостности при отделочных операциях, а именно при прогладке и правке полуфабрикатов. Известен сплав на основе алюминия – 8093 (обозначение сплава находится в соответствии с номерами сплавов и соответствует определениям, зарегистрированным Алюминиевой ассоциацией, Вашингтон, США) содержащий, мас.%:
(Международное обозначение сплавов и пределы химического состава деформируемых алюминия и алюминиевых сплавов. Алюминиевая ассоциация: 2004, с.12, 13). Недостатками указанного сплава являются повышенная стоимость сплава, его низкая технологичность, высокая трудоемкость изготовления и низкие выходы годного при изготовлении полуфабрикатов и изделий из него, невозможность получения из него тонких листов, тонкостенных профилей и штамповок. К причинам, обуславливающим возникновение указанных выше недостатков при использовании известного сплава, относится то, что в известном сплаве повышенное содержание лития, имеющего высокую стоимость, кроме того, повышенное содержания лития приводит к образованию упрочняющих фаз, несколько повышающих прочностные характеристики сплава, но при этом значительно снижающих его пластичность при литье и обработке давлением, что приводит к повышенному трещинообразованию, повышенной отбраковке по зажимам и неплоскостности при отделочных операциях, а именно при прогладке и правке полуфабрикатов. Наиболее близким сплавом по химическому составу и назначению к заявленному сплаву на основе алюминия является сплав, содержащий, мас.%:
(Патент РФ №2180928, МПК 7 С22С 21/00, С22С 21/16, дата публикации 2002.03.27). Недостатком указанного сплава, принятого за прототип, являются его относительно низкая технологичность, высокая трудоемкость изготовления и низкие выходы годного при изготовлении полуфабрикатов и изделий из него, невозможность получения из него тонких листов, тонкостенных профилей и штамповок. К причинам, обуславливающим возникновение указанных выше недостатков при использовании известного сплава, принятого за прототип, относится то, что известный сплав характеризуется повышенным содержание меди, что отрицательно влияет на горячеломкость и пластичность при обработке давлением, что приводит к повышенному трещинообразованию, повышенной отбраковке по зажимам и неплоскостности при отделочных операциях, а именно при прогладке и правке полуфабрикатов, более того, повышенное содержание натрия и галлия приводит к значительному увеличению горячеломкости сплава, еще большему снижению его пластических характеристик (А.В.Курдюмов, С.В.Инкин, B.C.Чулков, Г.Г.Шадрин. Металлические примеси в алюминиевых сплавах. – М.: Металлургия. 1988, с.90, 99), что значительно усложняет задачу получения годных слитков и последующего получения полуфабрикатов различными видами обработки давлением, а также проведение качественной плакировки катаных полуфабрикатов вследствие образования на их поверхности значительных участков неприварившейся плакировки. Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в разработке сплава на основе алюминия, предназначенного для изготовления из него полуфабрикатов и изделий для авиакосмической техники, свободных от недостатков, перечисленных выше и присущих известным техническим решениям. Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в получении сплава, обладающего повышенной пластичностью, что позволит повысить его технологичность, увеличить выход годного при изготовлении полуфабрикатов и изделий, обеспечить возможность производства тонких листов, тонкостенных профилей и штамповок при снижении трудоемкости производства, при сохранении требуемых прочностных и эксплуатационных характеристик сплава, а также полуфабрикатов и изделий из него, предъявляемых к конструкционным материалам для авиакосмической техники. Поставленная задача с достижением упомянутого технического результата при осуществлении изобретения решается тем, что известный сплав на основе алюминия, содержащий литий, медь, магний, цирконий, бериллий, титан, никель, марганец, галлий, цинк, натрий, дополнительно содержит кальций и по крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей ванадий и скандий, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
По крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей:
Сплав на основе алюминия, используемый для изготовления полуфабрикатов и изделий, отличается от прототипа как количественно (пониженное содержание меди, галлия и натрия), так и качественно (дополнительно содержит кальций и по крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей ванадий и скандий). Авторы установили, что повышенное содержание меди приводит к образованию внутри зерен и на их границах грубых интерметаллидов неправильной формы, являющихся медьсодержащими фазами, образующимися при кристаллизации сплава в участках с повышенным содержанием меди. Данные фазы представляют не отдельные частицы, а обширные скопления, затрудняющие сдвиговые деформации в процессе обработки давлением, что приводит к значительному снижению пластичности сплава. Снижение содержания меди в сплаве до пределов 1,3-1,5 мас.% позволяет практически полностью перевести ее в твердый раствор, что приводит к значительному уменьшению объемной доли грубых интерметаллидов медьсодержащих фаз, что было установлено электронно-микроскопическим исследованием сплава, и как следствие повышению пластичности сплава. Снижение содержания меди ниже 1,3 мас.% не повлияет на повышение характеристик пластичности сплава, но значительно снизит его прочностные характеристики. Дополнительно установили, что галлий и натрий не образуют фаз с алюминием и скапливаются на границе зерна, что приводит к хрупкому разрушению по границе зерна в процессах кристаллизации сплава и его обработки давлением. Авторами установлено, что при содержании галлия и натрия ниже 0,001 и 0,0005 мас.% соответственно они практически полностью растворяются в твердом растворе, что приводит к повышению пластичности сплава. Кальций в количестве 0,005-0,02 мас.% является добавкой, связывающей избыточный натрий и другие примесные элементы сплава, приводящей к образованию более округлой формы выделяющихся интерметаллидов и их коагуляции, что приводит к более благоприятным условиям сдвиговой деформации и, как следствие, повышению технологической пластичности сплава. Введение одного или более элементов из группы ванадия, скандия в указанных количествах способствует формированию однородной мелкозернистой структуры, что способствует усилению роли циркония как модифицирующей добавки, обеспечивающей структурное упрочнение полуфабрикатов и изделий из сплава, что позволяет достичь необходимого уровня прочностных свойств сплава. Из предложенного сплава на основе алюминия могут быть изготовлены различные полуфабрикаты: листы и плиты, штамповки, прессованные изделия. Из полуфабрикатов предложенного сплава могут быть получены различные изделия, например панели для обшивки фюзеляжных конструкций летательных аппаратов, элементы силового набора, сварные топливные баки и другие элементы авиакосмической техники. В предложенном изделии, выполненном из сплава на основе алюминия, используемого для изготовления полуфабрикатов, технический результат достигается тем, что в качестве материала заготовки используется сплав при следующем соотношении компонентов, мас.%: литий 1,6-1,9; медь 1,3-1,5; магний 0,7-1,1; цирконий 0,04-0,2; бериллий 0,02-0,2; титан 0,01-0,1; никель 0,01-0,15; марганец 0,01-0,2; галлий до 0,001; цинк 0,01-0,3; натрий до 0,0005; кальций 0,005-0,02; и по крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей ванадий 0,005-0,01 и скандий 0,005-0,01; алюминий – остальное. Пример осуществления В промышленных условиях из каждого сплава, химический состав которых приведен в таблице 1, были отлиты плоский слиток сечением 300×1100 мм и круглые слитки диаметрами 190 и 350 мм. Сплав №1 соответствует сплаву, принятому в качестве прототипа, сплавы №2, 3, 4 соответствуют предлагаемому. Плавление шихты, рафинирование и литье слитков производили при температуре 710-730°С. Пример 1 В дальнейшем из плоских слитков каждого сплава были изготовлены плакированные листы. Листы изготавливались по одной технологической схеме путем горячей прокатки при температуре 430°С до толщины 6,5 мм со сверткой в рулоны и затем после отжига при температуре 400°С путем холодной прокатки. Следует отметить, что лист из сплава №1 удалось прокатать только до толщины 0,9 мм и дальнейший прокат был остановлен из-за наличия на боковых кромках листа рванин глубиной более 30 мм и наличия в рулоне двух обрывов. Листы из сплавов №2, 3, 4 были прокатаны без обрывов до толщины 0,5 мм. Дальнейшие отделочные операции прогладка и правка листов растяжением из сплавов №2, 3, 4 в сравнении со сплавом №1 несмотря на их меньшую толщину прошли более успешно и с меньшей отбраковкой на окончательной приемке по дефектам: зажимы, неплоскостность и трещины. Выход годного при производстве листов из сплавов №2, 3, 4 был выше на 30%, чем из сплава №1. В дальнейшем образцы из листов №1, 2, 3, 4 испытали при статическом растяжении с определением предела прочности ( Образцы вырезались вдоль, поперек и под углом 45° относительно направления прокатки. Результаты механических испытаний представлены в таблице 2. Из таблицы 2 видно, что предлагаемый сплав превосходит известный сплав (прототип) по характеристикам пластичности при сохранении требуемых прочностных характеристик. Пример 2 Из круглых слитков диаметром 190 мм каждого сплава были изготовлены профили (уголки с толщиной полок до 5 мм). Профили из разных сплавов изготавливались по одной технологической схеме путем прессования при температуре 400°С, с последующей закалкой профилей в воде и старением при температуре 150°С в течение 24 часов. Выход годного при производстве профилей из сплавов №2, 3, 4 был выше на 15%, чем из сплава №1. Пример 3 Из круглых слитков диаметром 350 мм каждого сплава были изготовлены штамповки толщиной стенки 40 мм. Штамповки из разных сплавов изготавливались по одной технологической схеме путем заготовительной штамповки при температуре 410°С, предварительной штамповки при температуре 410°С и после травления путем окончательной штамповки при температуре 400°С, с последующей закалкой при температуре 500°С в течение 2 часов и старением при температуре 150°С в течение 24 часов. Выход годного при производстве штамповок из сплава №2, 3, 4 был выше на 10%, чем из сплава №1. Таким образом, предлагаемый сплав обеспечивает достижение поставленной цели – повышение характеристик пластичности сплава и, как следствие, повышение его технологичности, увеличение выхода годного при производстве полуфабрикатов и изделий из него, обеспечение возможности производства тонких листов, тонкостенных профилей и штамповок при снижении трудоемкости производства и сохранении требуемых прочностных и эксплуатационных характеристик сплава, а также полуфабрикатов и изделий из него, предъявляемых к конструкционным материалам для авиакосмической техники.
Формула изобретения
1. Сплав на основе алюминия, содержащий литий, медь, магний, цирконий, бериллий, титан, никель, марганец, галлий, цинк, натрий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кальций и по крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей ванадий и скандий, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
по крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей:
2. Изделие из заготовки, выполненной из сплава на основе алюминия, отличающееся тем, что сплав содержит следующие компоненты, мас.%: литий 1,6-1,9; медь 1,3-1,5; магний 0,7-1,1; цирконий 0,04-0,2; бериллий 0,02-0,2; титан 0,01-0,1; никель 0,01-0,15; марганец 0,01-0,2; галлий до 0,001; цинк 0,01-0,3; натрий до 0,0005; кальций 0,005-0,02, и по крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей ванадий 0,005-0,01 и скандий 0,005-0,01; алюминий – остальное.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
в), предела текучести (
, %).