сплав на основе алюминия

Формула изобретения

Сплав на основе алюминия, включающий цинк, магний, медь, скандий, цирконий, марганец, титан, молибден, отличающийся тем, что он дополнительно содержит железо, кремний при следующем соотношении компонентов, мас.%:

цинк	4,6-5,4
магний	1,6-2,1
медь	0,31-0,50
скандий	0,18-0,30
цирконий	0,05-0,12
марганец	0,15-0,35
титан	0,01-0,06
молибден	0,01-0,06
железо	0,05-0,15
кремний	0,01-0,10
алюминий	остальное,

при этом отношение содержания цинка к содержанию магния составляет 2,5-2,9, а отношение содержания магния к содержанию меди - 4,4-4,8.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии легких сплавов, в частности сплавов на основе алюминия, для изготовления деформированных полуфабрикатов, используемых в качестве конструкционного материала в летательных аппаратах.

Известен сплав на основе системы Al-Zn-Mg марки АЦМ, явившийся основой для преобладающего большинства отечественных сплавов этой системы и имеющий следующий химический состав, мас.%:

Цинк	4,2-4,8
Магний	1,6-2,1
Марганец	0,4-0,8
Цирконий	0,15-0,22
Алюминий	- остальное

(Елагин В.И., Захаров В.В., Дриц A.M. Структура и свойства сплавов Al-Zn-Mg. Москва, «Металлургия», 1982 г., с.10).

Сплав АЦМ обладает уникальным комплексом механических свойств, прекрасно сваривается, но не обладает сверхпластическими свойствами и склонен к коррозии под напряжением.

Известен алюминиевый сплав системы алюминий-цинк-магний следующего состава, мас.%:

Цинк	4,5-5,6
Магний	1,6-2,1
Марганец	0,2-0,8
Скандий	0,03-0,09
Цирконий	0,05-0,12
Медь	0,1-0,3
Титан	0,01-0,07
Молибден	0,01-0,07
Церий	0,001-0,01
Алюминий	- остальное

(Патент РФ №2280092, М. кл. С22С 21/10, 2006), прототип.

Недостатком этого сплава являются низкие сверхпластические свойства и недостаточное сопротивление коррозии под напряжением. Предлагается сплав на основе алюминия состава, мас.%:

Цинк	4,6-5,4
Магний	1,6-2,1
Медь	0,31-0,50
Скандий	0,18-0,30
Цирконий	0,05-0,12
Марганец	0,15-0,35
Титан	0,01-0,06
Молибден	0,01-0,06
Железо	0,05-0,15
Кремний	0,01-0,10
Алюминий	- остальное

При этом отношение содержания цинка к содержанию магния составляет 2,5-2,9, а отношение содержания магния к содержанию меди - 4,4-4,8.

Предлагаемый сплав отличается от прототипа тем, что он дополнительно содержит железо, кремний при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Цинк	4,6-5,4
Магний	1,6-2,1
Медь	0,31-0,50
Скандий	0,18-0,30
Цирконий	0,05-0,12
Марганец	0,15-0,35
Титан	0,01-0,06
Молибден	0,01-0,06
Железо	0,05-0,15
Кремний	0,01-0,10
Алюминий	- остальное

При этом отношение содержания цинка к содержанию магния составляет 2,5-2,9, а отношение содержания магния к содержанию меди - 4,4-4,8.

Технический результат - повышение сверхпластических свойств и увеличение сопротивления коррозии под напряжением, и как следствие, расширение сортамента полуфабрикатов и увеличение срока службы изделий.

Предлагаемый сплав позволяет получать деформированные полуфабрикаты, и в частности листы со стабильной нерекристаллизованной структурой с равномерным распределением числа наночастиц Al₃ (Sc, Zr, Ti, Мо), сдерживающих рекристаллизацию и рост зерен, и с ограниченным числом крупных (микронных) частиц фазы Al (Mn, Fe, Si), инициирующих рекристаллизацию и рост зерен. Такая структура обеспечивает высокие сверхпластические свойства: низкое сопротивление деформации, высокое относительное удлинение и высокую чувствительность к скорости деформации.

Кроме того, предлагаемый сплав обеспечивает близкие электрохимические характеристики границ и тела зерен, обусловливая тем самым заметный рост сопротивления коррозии под напряжением.

Предлагаемый сплав обладает высокой устойчивостью пересыщенного твердого раствора основных легирующих компонентов цинка, магния и меди в алюминии, обеспечивая высокие механические свойства при медленном охлаждении с температуры закалки, например, при охлаждении на спокойном воздухе листов и позволяя закаливать массивные детали толщиной до 350 мм в воде.

Пример. Методом непрерывного литья были отлиты слитки диаметром 370 мм двух сплавов: известного среднего химического состава и предлагаемого среднего химического состава. Химический состав сплавов представлен в таблице 1.

Таблица 1
Сплав	Zn	Mg	Cu	Sc	Zr	Mn	Ti	Mo	Fe	Si	Al
Известный	5,1	1,9	0,21	0,07	0,09	0,52	0,03	0,02	0,26	0,13	Ост.
Предлагаемый	5,0	1,9	0,4	0,22	0,10	0,21	0,02	0,03	0,09	0,04	Ост.

Слитки гомогенизировали, резали и обтачивали на заготовки, которые прессовали на полосу сечением 60х200 мм. Часть полос оставляли для исследования механических свойств, сопротивления коррозии под напряжением, а часть - прокатывали в листы толщиной 2 и 1 мм, которые использовали для исследования сварных соединений, сверхпластических и механических свойств.

Прессованные полосы из известного и предлагаемого сплавов закаливали в воде комнатной температуры с температуры 450°С и искусственно старили по режиму 100°С, 20 ч +160°С, 10 ч.

Из прессованных полос в коротком поперечном (высотном) направлении вырезали образцы для испытания на коррозию под напряжением при постоянно действующем напряжении на установке «Сигнал».

В качестве критерия, характеризующего склонность сплавов к коррозии под напряжением, была взята величина критического напряжения _кр, представляющая собой максимальное напряжение, которое выдерживают испытываемые образцы без разрушения в конкретных условиях испытаний. Испытания проводили в интервале напряжений 75-250 МПа с шагом в 25 МПа.

Результаты испытаний показали, что критическое напряжение _кр для высотного направления прессованной полосы известного сплава составило 100 МПа, а предлагаемого сплава - 150 МПа. Сопротивление коррозии под напряжением предлагаемого сплава в 1,5 раза выше.

Исследование механических свойств прессованных полос известного и предлагаемого сплава показало, что исследованные свойства близки при небольшом преимуществе предлагаемого сплава (таблица 2),

Таблица 2
Сплав	Направление	в, МПа	0,2, МПа	, %	K1c, МПа м	МЦУ, кцикл	кр, МПа
Известный	продольное	470	430	13	48	210	-
	поперечное	440	420	12	37	-	-
	высотное	440	410	11		-	100
Предлагаемый	продольное	480	440	11	50	240	-
	поперечное	450	420	12	38	-	-
	высотное	440	420	10	-	-	150
Примечание: K1с - вязкость разрушения в условиях плоской деформации; МЦУ - количество килоциклов до разрушения образцов в условиях малоцикловой усталости f=10 герц, =2,6, max=160 МПа; кр - критическое напряжение, характеризующее сопротивление сплава коррозии под напряжением

Более высоким сопротивлением коррозии под напряжением обладает не только основной материал предлагаемого сплава, но и его сварные соединения.

Закаленные листы толщиной 2 мм были сварены аргонно-дуговой сваркой с использованием присадочной проволоки из сплава 1571 и после 1-го месяца вылеживания были испытаны на коррозию под напряжением для определения величины _кр, характеризующей сопротивление сплава коррозии под напряжением, а также были определены характеристики механических свойств - временное сопротивление _в, ударная вязкость KCU и угол загиба . Результаты испытаний представлены в таблице 3.

Таблица 3
Сплав	в св, МПа	, град	KCU, кДж/см 2	кр св, МПа
Известный	415	90	25	175
Предлагаемый	447	100	35	225

Механические свойства сварных соединений, а также _кр, характеризующее сопротивление сварных соединений коррозии под напряжением, у предлагаемого сплава выше, чем у известного.

Таким образом, сопротивление коррозии под напряжением основного материала и сварных соединений предлагаемого сплава превосходит соответствующую характеристику известного сплава.

Из листов толщиной 1 мм из известного и предлагаемого сплавов в поперечном направлении были взяты образцы для испытания на сверхпластичность.

Испытания проводили при температуре 470°С, скорость деформации при этом составила 5·10^-2 сек ^-1. Результаты испытаний представлены в таблице 4.

Таблица 4
Сплав	, МПа	, %	М
Известный	18-19	200-300	0,23
Предлагаемый	12-14	600-800	0,40-0,45

Из таблицы 4 видно, что известный сплав обладает низкими сверхпластическими свойствами (мало относительное удлинение , высоко сопротивление деформации и мал коэффициент скоростной чуствительности m). Предлагаемый сплав характеризуется высокими сверхпластическими свойствами.

Сочетание сверхпластических свойств и высокой устойчивости твердого раствора делает предлагаемый сплав уникальным. Из листов толщиной 1 мм предлагаемого сплава методом пневмоформовки при 470°С в условиях сверхпластической деформации были получены детали сложной формы, которые при охлаждении с температуры пневмоформовки на спокойном воздухе самозакаливались. После искусственного старения полученные детали имели очень высокие прочностные характеристики при хорошей пластичности: _в=510 МПа, _0,2=470 МПа, =10%.

Высокая устойчивость твердого раствора обеспечивает предлагаемому сплаву повышенную прокаливаемость. Из сплава могут изготавливаться и насквозь прокаливаться деформированные полуфабрикаты толщиной до 350 мм, сохраняя высокие прочностные и пластические свойства, в том числе вязкость разрушения в центре детали. В таблице 5 приведены свойства массивной штамповки из предлагаемого сплава массой около 300 кг после закалки в воде и искусственного старения, полученной в промышленных условиях.

Таблица 5
Сплав	Направление	в, МПа	0,2, МПа	, %	KCU, кДж/см2	K1c, МПа м	МЦУ, кцикл	кр, МПа
Предлагаемый	Продольное (по волокну)	480	415	17	20	42	140	-
	Поперечное (поперек волокна)	475	405	16	18	41		>175

Из таблицы 5 видно, что предлагаемый сплав в массивных сечениях обладает уникальным сочетанием служебных свойств: высокими прочностью, пластичностью, вязкостью разрушения, сопротивлением усталостным нагрузкам при минимальной анизотропии свойств.

Прессованные, кованые и катаные полуфабрикаты из предлагаемого сплава являются хорошим конструкционным материалом для летательных аппаратов. В таблице 6 представлены механические свойства листов из предлагаемого сплава после закалки и искусственного старения.

Таблица 6
Сплав	Направление	в, МПа	0,2, МПа	, %	Кc, МПа м, W=400 мм	МЦУ, кцикл	СРТУ Мм/кцикл при К=31,3 МПа м	РСК балл
Предлагаемый	Продольное	520	490	11	160	240	3	2-3
	Поперечное	520	490	11	-	-	-	-
Примечание: К с - вязкость разрушения в условиях плоского напряженного состояния; РСК - склонность к расслаивающей коррозии по 10-ти балльной шкале. См. примечание к табл.2.

Из таблицы 6 видно, что листы предлагаемого коррозионно-стойкого свариваемого сплава по комплексу механических, ресурсных, коррозионных свойств превосходят обшивочные листы из лучших современных авиационных материалов типа 1163Т, которые не свариваются и характеризуются низкими коррозионными свойствами.

Таким образом, предлагаемый сплав обладает высокими сверхпластическими свойствами, коррозионно-стоек, из него можно изготавливать все виды деформируемых полуфабрикатов, которые являются прекрасным конструкционным материалом летательных аппаратов, обеспечивая их надежность и длительный срок эксплуатации.