Патент на изобретение №2368687

(54) СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области металлургии сплавов на основе алюминия, в частности сплавов системы Al-Li-Mg-Be, используемых в качестве конструкционного материала для стрингеров, панелей и других деталей в авиакосмической технике, гражданской авиации, судостроении и наземном транспортном машиностроении, в том числе и в сварных конструкциях. Сплав имеет следующий химический состав, мас.%: литий 1,5-3,0, магний 1,7-2,8, бериллий 2,0-5,0, медь 0,3-0,9, цирконий 0,05-0,3, железо 0,01-0,1, никель 0,01-0,1, серебро 0,01-0,3, кремний 0,01-0,1, окись бериллия 0,1-0,5, алюминий остальное. Способ получения указанного сплава на основе алюминия включает расплавление шихтовых материалов в вакуумной индукционной печи с подачей гелия, после подачи гелия магний и литий вводят в расплав в виде лигатуры Al-Mg и Al-Li. Затем расплав подогревают с одновременным электромагнитным перемешиванием и осуществляют слив расплава в атмосфере гелия в изложницу, при этом бериллий вводят в струю сливаемого расплава в виде порошка с размером частиц не более 250 меш. Получают сплав, обладающий повышенной пластичностью в термоупрочненном состоянии и теплопроводностью при сохранении высокой прочности, повышенной жесткости и высокой весовой эффективности материала. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к области металлургии сплавов на основе алюминия, в частности сплавов системы Al-Li-Mg-Be, используемых в качестве конструкционного материала для стрингеров, панелей и других деталей в авиакосмической технике, судостроении и наземном транспортном машиностроении, в том числе и в сварных трубчатых конструкциях.

Известны алюминиевые сплавы системы Al-Li-Mg-Be, которые характеризуются пониженной плотностью и относительно высокой прочностью, но обладают низкой пластичностью.

Например, известен порошковый сплав системы Al-Li-Be, имеющий следующий химический состав, мас.%:

В качестве оптимального в патенте США предложен сплав с 10% Be и 3% Li.

Способ получения этого сплава включает: расплавление алюминия и бериллия электродуговой плавкой в небольшом углублении в медном охлаждаемом поддоне, находящемся в камере с атмосферой аргона с получением промежуточной заготовки Al-Ве сплава в виде таблетки по 20 г. Расплавление повторяли по 3-5 раз для получения сплава с гомогенным распределением бериллия в алюминии. Ввод лития осуществлялся размещением элементарного лития при подведении тока к верхней стороне дисков в месте образования дуги, что исключило потери лития за счет испарения. Эту расплавленную массу перемешивали в течение нескольких минут перед кристаллизацией сплава Al-Li-Be, и затем таблетки переплавляли три раза. Вновь расплавляли и направляли на быстро вращающийся водоохлаждаемый медный диск с целью получения гранул порошка Al-Li-Be. Полученный порошок Al-Li-Be компактировали в заготовку и прессовали в полосу (патент США 4.557.770).

Недостатком сплава и способа его получения является низкая пластичность сплава в термоупрочненном состоянии, вызванная большой ликвацией (до 70%) бериллия по объему заготовки, и сложность осуществления в промышленности. Изделия, полученные из этого сплава, используются только в ракетной технике и не могут использоваться в гражданской авиации.

Известен сплав на основе алюминия, имеющий следующий химический состав, мас.%:

Сплав получают индукционной плавкой в вакуумных печах путем расплавления шихтовых материалов, за исключением магния и цинка, до 1000°С, введения лигатур Al-Mg и Al-Zn, рафинирования и слива в изложницу при 800-850°С.

(Заявка Японии 2915490)

Сплав обладает достаточно высокой прочностью при использовании в качестве материала сварных конструкций.

Недостатком сплава является малая пластичность, что не позволяет его использовать в получении деформированных полуфабрикатов.

Известен сплав на основе алюминия, имеющий следующий химический состав, мас.%:

Сплав получают плавлением в вакуумных индукционных печах. Литий и магний вводят в виде лигатуры Al-Li и Al-Mg, при 1100°С перед сливом расплава (патент Японии 64-76479).

Сплав по прочности и удлинению превышает алюминиевые сплавы США серии 7000 и пригоден для изготовления деталей летательных аппаратов.

Недостатком сплава и способа его получения является то, что в нем не достигается оптимальное сочетание прочности и жесткости с пластичностью в термоупрочненном состоянии, что не позволяет использовать его в качестве панелей и других силовых деталей самолетов гражданской авиации.

Наиболее близким по составу и назначению к предлагаемому изобретению является сплав, имеющий следующий химический состав, мас.%:

Литий	1,5-3,0
Магний	1,5-2,5
Бериллий	1,5-4,5
Медь	0,2-0,7
Цирконий	0,05-0,3
Железо	0,01-0,1
Никель	0,01-0,1
по крайней мере один элемент, выбранный из группы, включающей
Ниобий	0,01-0,1
Скандий	0,01-0,3
Тантал	0,001-0,01
Алюминий	Остальное
(Патент Р.Ф. 2208655)

Способом получения данного алюминиевого сплава системы Al-Li-Mg-Be является способ, включающий расплавление шихтовых материалов в вакуумной индукционной печи (ВИП) с подачей гелия в ВИП и слив расплава в атмосфере гелия в изложницу (Патент РФ 2208655).

Технической задачей настоящего изобретения является получение сплава, обладающего повышенной пластичностью в термоупрочненном состоянии и теплопроводностью при 300°С, при сохранении высокой прочности, повышенной жесткости, высокой весовой эффективности материала. Изделия из сплава предлагается использовать в народном хозяйстве, в частности, в гражданской авиации в качестве свариваемых трубчатых полуфабрикатов.

Для достижения поставленной задачи предлагается:

Сплав на основе алюминия, содержащий литий, магний, бериллий, медь, цирконий, железо, никель и алюминий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит серебро, кремний, окись бериллия при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Способ получения сплава на основе алюминия, включающий расплавление шихтовых материалов в вакуумной индукционной печи с подачей гелия и слив расплава в атмосфере гелия в изложницу, отличающийся тем, что расплавляют шихтовые материалы для получения сплава предлагаемого состава, причем магний и литий вводят в расплав в виде лигатуры Al-Li и Al-Mg после подачи гелия, перед сливом расплав подогревают с одновременным электромагнитным перемешиванием, а бериллий вводят в струю сливаемого расплава в виде порошка с размером частиц не более 250 меш.

Введение серебра, кремния, а также наличие в сплаве окиси бериллия обеспечивает повышение прочностных свойств, свариваемости при одновременном повышении пластичности. Повышение этих свойств обеспечивается не только количественным и качественным составом предлагаемого сплава, но и суспензионным способом его получения. Введение порошка бериллия размером до 250 меш в струю сливаемого расплава способствует получению более мелкой кристаллической структуры, т.к. значительно возрастает количество дополнительных центров кристаллизации слитка при скорости кристаллизации, приближенной к сверхбыстрой кристаллизации.

Цирконий и серебро в количестве до 0,3% являются не только модифицирующей добавкой при отливке слитков, но и обеспечивают структурное упрочнение в деформируемых полуфабрикатах в результате формирования полигонизованной структуры при наличии железа и никеля в указанном количестве. Они улучшают также показатели теплопроводности данного материала при 300°С, что благоприятно сказывается на прочностных свойствах сварного шва.

Количественный и качественный состав и способ получения предлагаемого сплава позволяют:

– значительно увеличить количество дополнительных центров кристаллизации слитка;

– приблизить скорость кристаллизации слитка к скорости сверхбыстрой кристаллизации;

– получить более мелкие размеры зерен отливаемого материала и способствуют повышению прочностных свойств и пластичности деформируемых полуфабрикатов;

– улучшить показатели теплопроводности материала при 300°С;

– возрасти уровню прочностных свойств сварного соединения материала;

– уменьшить пересыщенный твердый раствор за счет дополнительного выделения дисперсной фазы ¹(Al₃Li), равномерно распределенной в объеме матрицы сплава;

– предотвратить выделение ¹(Al₃Li) фазы в процессе низкотемпературного нагрева при 85°С за 1000 час;

– предотвратить выделение по границам зерен стабильных фаз и образование приграничных зон, свободных от выделения ¹(Al₃Li) фазы.

Примеры осуществления:

В промышленных условиях были отлиты сплавы, химический состав которых приведен в табл.1, температура ликвидус 850°С.

Пример 1. В тигель вакуумной индукционной печи загружали шихтовые материалы (кроме Li, Mg и Be) и расплавляли их, подавали гелий, вводили лигатуры Al-Mg, Al-Li в атмосфере гелия, подогревали расплав с одновременным электромагнитным перемешиванием и затем проводили слив расплава и ввод в струю сливаемого расплава порошка Be с размером частиц 250 меш.

Пример 2 (получение слитка состава 3 табл.1). В тигель ВИП загружали шихтовые материалы (кроме Li, Mg и Be) и расплавляли их в вакууме, вводили лигатуры Al-Mg, Al-Li в атмосфере гелия, подогревали расплав с одновременным электромагнитным перемешиванием и затем проводили слив расплава и ввод в струю сливаемого расплава порошка Be с размером частиц 200 меш.

У полученных слитков отрезали литниковую часть, разрезали слитки вдоль на три части и обтачивали до заготовок 35 мм и длиной 70 мм, из которых выдавливали на прессе прутки 12 мм. Полученные из прутков образцы для механических свойств проходили термоупрочнение.

В табл.2 приведены свойства предлагаемого сплава и сплава-прототипа.

Как видно из табл.2, предлагаемый сплав обладает заметными преимуществами по сравнению со сплавом-прототипом. Пределы прочности, текучести, пластичности и модуля упругости предлагаемого сплава выше соответствующих значений у известного сплава на 10; 12; 27 и 5% соответственно. Теплопроводность сплава при 300°С выше на 20%, чем у сплава-прототипа, что значительно повышает прочность сварных соединений. Сплав существенно превосходит прототип по удельным прочностным свойствам.

Таким образом, применение заявленного сплава и способа его получения в виде прессованных профилей, панелей, плит и труб в конструкциях авиационной техники гражданской авиации позволяет повысить надежность и ресурс эксплуатации в общеклиматических условиях, позволяет получать трубы с повышенными свойствами сварных соединений.

Таблица 1
Химический состав исследованных сплавов
Сплав	Состав				Состав сплавов	мас.%
Li	Mg	Be	ВеО	Cu	Zr	Ag	Fe	Ni	Si	Al
Предложенный	1	1,5	2,0	2,0	0,5	0,3	0,05	0,02	0,01	0,1	0.1	ост
2	2,0	1,7	3,0	0,08	0,55	0,2	0,3	0,1	0,01	0.01	ост
3	2,78	2,19	2,50	0,1	0,46	0,1	0,03	0,05	0,05	0,03	ост
4	3,0	2,8	5,0	0,4	0,9	0,3	0,01	0,08	0,08	0,08	ост
Прототип	5	2,7	2,1	2,5	–	0,4	0,1	–	0,01	0,03	–	ост

Таблица 2
Механические свойства исследованных сплавов
Сплав	Состав	, г/см3	в	0,2	, %	Е, ГПа	300 Вт.м/град
			МПа
Предложенный	1	2,58	503	385	16,0	85,0	91,0
2	2,57	495	360	17,0	87,0	92,0
3	2,55	510	415	18,0	87,0	95,0
4	2,57	485	405	14,0	89,0	93,0
Прототип	5	2,55	465	310	12,0	85,0	75,0

Формула изобретения

1. Сплав на основе алюминия, содержащий литий, магний, бериллий, медь, цирконий, железо, никель и алюминий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит серебро, кремний, окись бериллия при следующем соотношении компонентов, мас.%:

2. Способ получения сплава на основе алюминия, включающий расплавление шихтовых материалов в вакуумной индукционной печи с подачей гелия и слив расплава в атмосфере гелия в изложницу, отличающийся тем, что расплавляют шихтовые материалы для получения сплава по п.1, причем магний и литий вводят в расплав в виде лигатуры Al-Mg и Al-Li после подачи гелия, перед сливом расплав подогревают с одновременным электромагнитным перемешиванием, а бериллий вводят в струю сливаемого расплава в виде порошка с размером частиц не более 250 меш.