Деформируемый термически неупрочняемый сплав на основе алюминия

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым сплавам на основе алюминия, предназначенным для использования в виде деформированных полуфабрикатов, преимущественно в виде листов, в качестве конструкционного материала в авиакосмической технике, судостроении, транспортном машиностроении и других отраслях промышленности.

Известен деформируемый термически неупрочняемый сплав на основе алюминия марки АМг61, применяемый в виде деформированных полуфабрикатов в качестве конструкционного материала, содержащий, мас. %:

(см. Алюминиевые сплавы. Промышленные деформируемые спеченные и литейные алюминиевые сплавы. Справочное руководство. М.: Металлургия. 1972. С. 44-45).

Однако существующий сплав имеет низкие прочностные свойства.

Известен деформируемый термически неупрочняемый сплав на основе алюминия, применяемый в виде деформированных полуфабрикатов в качестве конструкционного материала (см. патент RU 2081934, МПК С22С 21/06 - прототип), следующего химического состава, мас. %:

Недостатком сплава-прототипа является недостаточно высокая прочность и низкая пластичность изготовленных из него листов, что утяжеляет конструкцию, изготовленную из листовых материалов, и снижает ее надежность. Также недостатком сплава-прототипа является довольно высокое содержание в нем дорогостоящего скандия, что удорожает сплав.

Предлагается деформируемый термически неупрочняемый сплав на основе алюминия, содержащий магний, марганец, цирконий, бериллий, скандий и титан, который дополнительно содержит гадолиний, железо и неизбежные примеси, основными из которых являются кремний, цинк и медь, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Алюминий и неизбежные примеси, в том числе кремний в количестве не более 0,12 мас. %, цинк в количестве не более 0,1 мас. % и медь в количестве не более 0,1 мас. %, при суммарном содержании примесей кремния, цинка и меди не более 0,22 мас. % - остальное. При этом величина отношения содержания гадолиния к содержанию скандия должна быть от 0,5 до 0,9, а величина отношения содержания железа к содержанию кремния должна быть равна или больше единицы.

Предлагаемый сплав отличается от известного тем, что он дополнительно содержит гадолиний, железо и неизбежные примеси, основными из которых являются кремний, цинк и медь, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Алюминий и неизбежные примеси, в том числе кремний в количестве не более 0,12 мас. %, цинк в количестве не более 0,1 мас. % и медь в количестве не более 0,1 мас. %, при суммарном содержании примесей кремния, цинка и меди не более 0,22 мас. % - остальное. При этом величина отношения содержания гадолиния к содержанию скандия должна быть от 0,5 до 0,9, а величина отношения содержания железа к содержанию кремния должна быть равна или больше единицы.

Отличием предлагаемого сплава является также то, что соотношение между содержанием железа и неизбежной примеси кремния в сплаве должно быть не менее единицы. Кроме того, предлагаемый сплав имеет более низкое содержание скандия.

Технический результат - повышение прочности и пластичности, что позволяет снизить массу конструкции и повысить ее надежность, а также снижение стоимости сплава, что позволит снизить стоимость элементов конструкции, изготавливаемой из предлагаемого сплава, и конструкции в целом.

При предлагаемом содержании и соотношении компонентов в процессе кристаллизации слитка сплава предлагаемого состава образуется пересыщенный твердый раствор основных легирующих компонентов (Mg, Mn, Zr, Sc, Gd) в алюминии. При последующих неизбежных технологических нагревах слитка происходит распад пересыщенного твердого раствора, при этом продуктами распада являются дисперсные наноразмерные частицы фазы Al₃ (Sc, Zr, Gd), оказывающие сильное упрочняющее действие как непосредственно, так и за счет формирования в деформированном полуфабрикате нерекристаллизованной (полигонизованной) структуры. При предлагаемом соотношении между содержанием скандия и гадолиния обеспечивается наиболее полное усвоение этих элементов расплавом, что обеспечивает максимальное упрочнение при последующем распаде твердого раствора. Основная часть магния и марганца остается в матрице сплава, обеспечивая твердорастворное упрочнение. Титан входит в состав упрочняющей фазы Al₃ (Sc, Zr, Gd), растворяясь в ней и способствуя тем самым повышению прочности сплава. При предлагаемом содержании Sc, Zr и Gd в сплаве и предлагаемом соотношении между содержанием этих элементов образовавшаяся при распаде твердого раствора фаза Al₃ (Sc, Zr, Gd) обладает высокой термической стабильностью, что позволяет повысить температуру технологических нагревов и предотвратить возможное разупрочнение материала вследствие коагуляции продуктов распада. Частицы фазы Al₃ (Sc, Zr, Gd) обладают высокой устойчивостью против перерезания их дислокациями, что приводит к дополнительному упрочнению сплава за счет повышения плотности дислокаций. Добавка железа в сплав формирует частицы фазы Al (Fe, Mn) кристаллизационного происхождения, способствующие упрочнению сплава. Микродобавка бериллия предохраняет плавку от окисления и выгорания магния, что также способствует упрочнению сплава. При предлагаемом содержании Sc, Zr и Gd в сплаве и предлагаемом соотношении между содержанием этих компонентов снижается вероятность образования грубых первичных интерметаллидов Al₃ (Sc, Zr, Gd), что способствует повышению пластичности сплава. Повышению пластичности сплава способствует также ограничение содержания неизбежных примесей кремния, цинка и меди. Предлагаемое соотношение между содержанием железа и кремния способствует улучшению литейных свойств сплава. Снижение содержания дорогостоящего скандия в предлагаемом сплаве и его частичная замена цирконием и гадолинием, стоимость которых на порядок ниже стоимости скандия, позволяет снизить стоимость предлагаемого сплава и изготавливаемых из него деформированных полуфабрикатов.

Пример

Получили предлагаемый сплав из шихты, состоящей из алюминия А7, магния Мг90 и двойных лигатур алюминий-марганец, алюминий-цирконий, алюминий-бериллий, алюминий-скандий, алюминий-титан, алюминий-гадолиний и алюминий-железо. Сплав готовили в электрической тигельной печи и отливали плоские слитки размером 16×160×200 мм. Химический состав сплава приведен в таблице 1.

Слитки гомогенизировали, затем механически обрабатывали до толщины 14 мм, после чего нагревали до 400°С и прокатывали вгорячую до толщины 6 мм, затем при 100°С - до толщины 2,8 мм. Полученные листы толщиной 2,8 мм отжигали при 320°С в течение 1 ч. Отожженные листы испытывали при комнатной температуре с определением предела прочности σ_В и относительного удлинения δ на стандартных плоских образцах с шириной рабочей части 10 мм (ГОСТ 11701-84), вырезанных в долевом направлении. Также проводили испытания изготовленных тем же способом листов из сплава-прототипа, содержащего, мас. %: магний 5,8, марганец 0,41, цирконий 0,13, бериллий 0,001, скандий 0,19, титан 0,04, алюминий - остальное. Результаты испытаний листов приведены в таблице 2.

Таким образом, предлагаемый сплав имеет примерно на 5% более высокий предел прочности и примерно в 1,3 раза более высокое относительное удлинение, что позволит примерно на 5% снизить массу конструкции и соответственно повысить характеристики весовой отдачи, а также позволит повысить надежность конструкций, изготовленных из тонкого листа, например, топливных баков, что крайне важно для космической техники. Кроме того, за счет того, что предлагаемый сплав, содержит примерно на 47% меньше дорогостоящего скандия, его стоимость может быть уменьшена соответственно.