Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЛИСТОВ ИЗ ТЕРМИЧЕСКИ УПРОЧНЯЕМЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ, ЛЕГИРОВАННЫХ СКАНДИЕМ И ЦИРКОНИЕМ

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии и, в частности, к способам производства листов из высокопрочных термически упрочняемых алюминиевых сплавов, легированных скандием и цирконием, которые используются в летательных аппаратах, в том числе самолетах в качестве обшивочных материалов. Листы из алюминиевых сплавов легированных скандием и цирконием, обладают высоким уровнем служебных свойств недостижимым пока для листов из обычных, традиционных алюминиевых сплавов. Для получения листов с такими высокими свойствами необходимо строгое соблюдение всех технологических параметров при производстве листов по всей технологической цепочке, начиная от плавки и литья слитков и заканчивается термической обработкой готовых листов. Только в этом случае проявляется уникальное действие совместной добавки скандия и циркония.

Известен способ производства листов из термически упрочняемых алюминиевых сплавов, используемый в мировой практике, и заключающийся в проведении плавки, отливке плоских слитков при температуре 690-700°С методом полунепрерывного литья, гомогенизации слитков при 460-520°С в течение 12-24 часов, горячей прокатке при 380-460°С, последующей холодной прокатке до необходимой толщины, закалке и искусственном старении (Плавка и литье алюминиевых сплавов. Справочник. М., Металлургия, 1983, с.159-177. Производство полуфабрикатов из алюминиевых сплавов. Справочное руководство. М., Металлургия, 1971, с 49-75, патент №2394113 С1, кл. С22С 21/08, 10.07.2010).

Использование этого способа для производства листов и: высокопрочных термически упрочняемых алюминиевых сплавов, легированных скандием и цирконием приводит к полной потере положительного эффекта от упомянутой совместной добавки. Листы из высокопрочных алюминиевых сплавов, легированных скандием и цирконием, полностью теряют все свои преимущества относительно листов из обычных алюминиевых сплавов.

Известен способ производства листов из высокопрочных алюминиевых сплавов, содержащих добавку циркония, и заключающийся в проведении плавки, перегреве алюминиевого расплава с цирконием до 720-730°С и литье плоских слитков полунепрерывным методом при повышенной до 700-710°С температуре, гомогенизации слитков при 460-520°С в течение 12-24 часов, горячей прокатке при 380-460°С, и последующей холодной прокатке до необходимой толщины, закалке и искусственном старении (Напалков В.И., Махов С.В. Легирование и модифицирование алюминия и магния. М., МИСиС, 2002. с.358-359. Напалков В.И., Черепок Г.В., Махов С.В., Черновол Ю.М. Непрерывное литье алюминиевых сплавов. М., «Интермет Инжиниринг», 2005 г. с.152-178). Прототип.

Этот способ обеспечивает усвоение циркония алюминиевым расплавом при плавке и литье слитков и создает предпосылки для положительного влияния циркония на свойства готовых листов. Однако при использовании этого способа при производстве листов, содержащих совместную добавку скандия и циркония, положительное действие совместной добавки проявляется лишь частично. Потенциал скандия и циркония используется лишь частично. Листы полученные по такому способу, не достигают требуемого комплекса свойств.

Предлагаемый способ производства листов из высокопрочных термически упрочняемых алюминиевых сплавов, содержащих скандий и цирконий, включает проведение плавки, перегрев алюминиевого расплава, содержащего скандий и цирконий, до 750-780°С с выдержкой до 1 ч, литье плоских слитков при температуре расплава 715-730°С, гомогенизацию слитков при пониженной до 420-440°С температуре в течение 4-10 часов, горячую прокатку при 360-420°С, холодную прокатку с суммарным обжатием больше 70%, закалку и последующее искусственное старение.

Предлагаемый способ производства листов из высокопрочных термически упрочняемых алюминиевых сплавов, содержащих скандий и цирконий, отличается от известного тем, что при проведении плавки алюминиевый расплав, содержащий скандий и цирконий, перегревают до 750-780°С, выдерживают при этой температуре до 1 часа, литье слитков осуществляют при температуре 715-730°С, слитки гомогенизируют при 420-440°С в течение 4-10 часов, горячую прокатку осуществляют при температуре 360-420°С, а холодную прокатку проводят с суммарным обжатием более 70%.

Достигаемый при этом технический эффект заключается в получении листов, с повышенным комплексом служебных свойств не достижимом для обычных традиционных алюминиевых сплавов не содержащих совместной добавки скандия и циркония. Получение листов по предлагаемому способу с уникальным комплексом свойств определяется двумя обстоятельствами: обеспечением оптимальной степени распада твердого раствора (до стадии коагуляции) скандия и циркония в алюминии, образовавшегося при использованных температурно-временных режимах плавки и литья слитков и сохранением в результате этого в листах после закалки нерекристаллизованной полигонизованной структуры с хорошо развитой мелкой субзеренной структурой.

Пример

Был приготовлен сплав на основе системы Al-Zn-Mg-Cu с добавками скандия и циркония следующего химического состава (табл.1).

Из вышеупомянутого сплава были отлиты методом полунепрерывного литья два плоских слитка сечением 165x550 мм длиной около 1300 мм весом по 340 кг. При приготовлении плавки и литья слитка №1 использовали обычные традиционные режимы: плавку приготавливали в интервале температур 700-720°С, литье вели при температуре 700°С. При приготовлении плавки и осуществлении литья слитка №2 использовали предлагаемые технологические режимы: алюминиевый расплав после введения в него лигатур Al-Sc и Al-Zr и других переходных металлов перегревали до 770°C, выдерживали около 40 мин, вводили необходимое количество цинка и меди и после понижения температуры до 730°C вводили магний. Литье слетка вели при температуре 720-725°C.

Слиток №1 гомогенизировали при 460°C в течение 24 часов, а слиток №2 при 430°C в течение 8 часов. Затем слитки механически обрабатывали на заготовки под прокатку размером 150×530×900 мм. После этого слитки подвергали горячей прокатке. Слиток №1 нагревали до 440°С и прокатывали до 6 мм. Слиток №2 нагревали до 390°С и прокатывали до 9 мм. Затем горячекатаный подкат отжигали при 350°С, 1 час, охлаждение на воздухе и вхолодную катали до 2 мм. Листы, прокатанные по известному способу, получали суммарное обжатие при холодной прокатке 66%, а листы по предлагаемому способу 78%.

Холоднокатаные листы толщиной 2 мм, полученные двумя способами, были закалены в воде с температуры 470°С, выправлены на ролико-правильной машине и искусственно состарены по двухступенчатому режиму 100°С, 10 час + 150°С, 8 час.

Исследование структуры закаленных листов с помощью светового микроскопа и рентгеноструктурного анализа показало, что листы, полученные по известному способу, имеют полностью рекристаллизованную структуру, а листы, полученные по предлагаемому способу, имели нерекристаллизованную полигонизованную структуру. Кроме того, в структуре листов, полученных по известному способу, наблюдали включения первичных интерметаллидов (Al₃(Sc, Zr) размером до 10 мкм, которые отсутствовали в листах по предлагаемому способу.

Исследования тонких фольг в просвечивающем электронном микроскопе показало, что в листах, полученных по известному способу, вторичные частицы (Al₃(Sc, Zr) скоагулированы, имеют диаметр около 50-60 нм и число их в алюминиевой матрице невелико. В листах, полученных по предлагаемому способу вторичные частицы (Al₃(Sc, Zr) имеют сферическую форму, диаметр 10-15 нм, а число их в единице объема алюминиевой матрицы на порядок больше.

Нерекристаллизованная полигонизованная структура и присутствие большого числа мелких сферических частиц (Al₃(Sc, Zr) в листах, полученных по предлагаемому способу, обусловили уникальный комплекс служебных свойств, полученных листов.

В таблице 2 представлены результаты механических испытаний листов на растяжение.

Листы, полученные по предлагаемому способу, обладают заметно более высокими прочностными характеристиками при близких значениях относительно удлинения.

Из листов были вырезаны образцы размером 160×320 мм в продольном и в поперечном направлении и испытаны на вязкость разрушения и на скорость развития усталостной трещины da/dN (табл.3 и 4).

Таблица 3 Характеристики статической трещиностойкости листов сплава Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr: вязкость разрушения и остаточная прочность Состояние: закалка и искусственное старение Способ получения листов Продольное направление Поперечное направление , МПа√м МПа , МПа√м МПа Известный 79,0 380 78,0 381 Предлагаемый 85,3 415 89,8 436

Листы, полученные по предлагаемому способу, обладают более высокими значениями вязкости разрушения и остаточной прочности

Рассмотрение таблицы 4 показывает, что скорость развития усталостной трещины у листов, полученных по предлагаемому способу, при больших значениях размаха коэффициента интенсивности напряжений ΔK заметно ниже, чем у листов, полученных по известному способу, а при значениях ΔK - 30 МПа√м ниже в два раза.

Были осуществлены испытания на малоцикловую усталость при частоте нагружения f=30 Гц, ассиметрии цикла R=0,1, максимальном напряжении цикла σ_max=160 МПа на образцах с концентратором напряжений α_σ=2,5. Образцы, взятые из листов полученных по известному способу, простояли до разрушения 180-247 килоциклов, а образцы, взятые из листов, полученных по предлагаемому способу - 380-500 килоциклов.

Были проведены испытания листов на сверхпластичность при 450°С при скоростях деформации 2÷8×10^-3 сек^-1. Относительное удлинение образцов, взятых из листов, изготовленных по известному способу, составило 70-100%, а образцов листов, изготовленных по предлагаемому способу - 400-425%.

Таким образом, листы из сплава Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Zr, изготовленные по предлагаемому способу, на 18-20% прочнее листов, изготовленных по известному способу при одинаковом уровне пластичности, вязкость разрушения и остаточная прочность выше на 7-14%, скорость распространения усталостной трещины при больших значениях размаха коэффициента интенсивности напряжений ΔK значительно меньше (при ΔK=30 МПа√м меньше в два раза), число циклов до разрушения при испытаниях на малоцикловую усталость в два раза больше, кроме того листы, полученные по предлагаемому способу, обладают способностью к сверхпластической деформации.