Результат интеллектуальной деятельности: СВЕРХПЛАСТИЧНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ

Изобретение относится к области металлургии, а именно к разработке новых сплавов и получения из них сверхпластичных деформированных листовых полуфабрикатов методами термической обработки и обработки давлением. Изобретение - новый алюминиевый сплав, предназначенный для изготовления сверхпластичных листов.

Одним из необходимых факторов достижения эффекта сверхпластичности является микрозеренная структура сплавов, с размером зерна менее 10 мкм (И.И.Новиков, В.К.Портной «Сверхпластичность сплавов с ультрамелким зерном», 1981 г.).

Среди существующих способов (технологий) в промышленности известны способы получения листов различных сплавов с микрозеренной структурой при помощи термомеханической обработки и последующей рекристаллизации.

Формирование микрозеренной структуры при рекристаллизации возможно двумя способами. Во-первых, благодаря рекристаллизации при нагреве листа до температуры сверхпластической деформации, во-вторых, в случае, торможения статической рекристаллизации, микрозеренная структура может формироваться в процессе сверхпластической деформации благодаря непрерывной динамической рекристаллизации. Данный материал относиться ко второму типу. Обеспечить эффект торможения статической рекристаллизации можно в присутствие при температуре сверхпластической деформации дисперсных частиц размером менее 100 нм. Такие частицы в алюминиевых сплавах образуют переходные металлы - скандий и цирконий. Хорошо известен сплав для сверхпластической листовой формовки Supral 100. Данный сплав имеет состав Al-(5-6)%Cu-(0,4-0,6)%Zr. Технология его получения основана на высокой скорости охлаждения при кристаллизации, обеспечивающей повышенное содержание циркония в твердом растворе и последующее выделение при термодеформационной обработке дисперсных частиц алюминида циркония, стабилизирующих зеренную структуру и сдерживающих рекристаллизацию. В процессе сверхпластической деформации сплав рекристаллизуется, формируется микрозеренная структура, что обеспечивает высокие показатели сверхпластичности. Однако сплав по уровню механических свойств среди алюминиевых является среднепрочным.

Наиболее близкими по составу являются следующие сплавы АА7022 или АА7122. Однако данные сплавы содержат большее количество цинка (4,3-5,5)%, но меньшее количество магния (2,6-3,7)% и не содержат никеля. Известен никельсодержащий сплав системы Al-Zn-Mg-Cu-Ni (USA Patent 6,585,932), однако описанный в патенте сплав содержит в среднем 2% магния и 6% цинка, т.е. цинк и магний в другом количестве и соотношении.

Способы получения сверхпластичного состояния для высокопрочных сплавов (АА 7000 серии) описаны в патентах US 4.486.244 от 4.12.1984, 4.618.382 от 21.10.1986, 4.867.805 от 19.09.1989, 5.490.885 от 13.02.1996 и 5.772.804 от 30.06.1998, 5.122.196 от 16.06.1992, 06-010087 от 18.01.1994.

Однако сплавы имеют размер зерна около 8-10 мкм и сверхпластичны только в интервале скоростей 10^-5-10^-3 с^-1.

Наиболее близка к данной технология получения сверхпластичных листов из сплавов АА7000 серии описанная в патенте US 4.486.244 от 4.12.1984. Однако описываемый способ исключает необходимость применения операции гетерогенизации (промежуточной закалки с последующим отжигом при 400°С), не требует высокоскоростных нагревов до температур сверхпластической деформации, применения больших или интенсивных пластических деформаций.

Технической задачей данного изобретения является получение листа из высокопрочного алюминиевого сплава с однородной мелкозернистой структурой, формирующейся только в процессе сверхпластической деформации, и равномерным распределением дисперсных частиц интерметаллидов, детали из которого, могут быть получены методом сверхпластической формовки.

Высокопрочные сплавы разработаны на базе системы Al-Zn-Mg-Cu (сплавы АА7000 серии (USA) или сплавы типа В95 (РФ)). Настоящий сплав имеет следующий химический состав (3,5-4,5)% Mg-(3,5-4,5)% Zn-(0,6-1,0)% Cu-(2-3)% Ni-(0,25-0,30)% Zr. Цинк и магний содержатся в примерно равных концентрациях. Указанное содержание легирующих элементов позволяет достичь заданного комплекса свойств: механических свойств (предел текучести, предел прочности) после обработки по режиму закалка и старение и высоких показателей сверхпластичности.

Для решения поставленной задачи предлагается следующая технология; расплав с температуры 800°С заливают в водоохлаждаемую изложницу (скорость охлаждения не менее 15 К/с). Далее следует двухступенчатый гомогенизационный отжиг (440°С, 3-6 часов и 500°С, 3-4 часа). Температура второй ступени выше температуры неравновесного солидуса 485°С. Горячую прокатку проводят при температуре 430°С с суммарным обжатием 70%. Далее следует холодная прокатка с обжатием 70%.

Для листов сплава, полученных по указанной технологии, определен режим старения 110°С, 6 ч +140°С, 12 часов, обеспечивающий максимальные характеристики прочности при комнатной температуре - предел текучести 570 МПа, предел прочности 600 МПа, твердость 160 HV.

В результате нагрева холоднодеформированного листа до температуры сверхпластической формовки формируется частично рекристаллизованная структура. Сплав полностью рекристаллизуется только во время сверхпластической деформации. Равноосная микрозеренная структура формируется за счет равномерного распределения частиц интерметаллидов никель и цирконий содержащих фаз. Равномерность распределения частиц достигается за счет проработки структуры в процессе обработки давлением.

Пример 1:

Сплав 1

Сплав состава 4% Mg - 4% Zn - 0,8% Cu - 3% Ni - 0,28% Zr был обработан следующим образом.

Технология 1

1. Для приготовления сплава использовали алюминий марки А99, магний Мг90, цинк Ц0 и лигатуры, например «Al - 53,5 масс.% Cu», «Al - 20 масс.% Ni» и «Al - 3,5 масс.% Zr».

2. Плавку вели в графито-шамотных тиглях с последовательным введением в расплавленный алюминий лигатур «Al-3,5% Zr»; «Al - 20% Ni»; «Al - 53,5 масс.% Cu» и магния в чистом виде. Перед введением магния расплав доводили до температуры 780°С для более быстрого растворения и меньших потерь на угар во время последующего нагрева до 800°С. Для более полной гомогенизации расплава перед разливкой выдерживали его в течение 10-15 мин. при 800°С. Если не обеспечить указанного перегрева расплава, то при кристаллизации выделяются первичные алюминиды циркония, что в последствие снижает показатели сверхпластичности материала.

3. Разливку расплава проводили на установке полунепрерывного литья со скоростями охлаждения не менее 15 К/с. Меньшие скорости охлаждения могут привести к обеднению алюминиевого твердого раствора цирконием из-за выделения первичных кристаллов.

4. Гомогенизационный отжиг слитков проводили в 2 ступени - при 440°С в течение 3 часов и при 500°С в течение 3 часов. Вторая ступень гомогенизации по температуре выше неравновесного солидуса. При таком режиме гомогенизация слитков проходит полностью. После гомогенизации слитки следует обработать для удаления поверхностных дефектов и отрезать усадочную раковину. Температура солидуса гомогенизированного сплава составляет 506°С.

5. Горячую прокатку проводили при 420±10°С с суммарным обжатием 70%.

6. Холодную прокатку проводили с суммарным обжатием 70%.

Далее оценивали механические свойства и показатели сверхпластичности листов.

Для определения механических свойств образцы подвергали закалке с температуры 480°С, 20 минут выдержки и старению по режиму 110°С, 6 ч +140°С, 12 часов. Предел текучести составил 570 МПа, предел прочности 600 МПа, относительное удлинение 5%.

Технологический режим обеспечил формирование частично нерекристаллизованнои структуры перед началом сверхпластическои деформации при температуре до 480°С. В процессе сверхпластической деформации структура полностью рекристаллизуется, после 600% деформации со скоростью 2×10^-3 с^-1 средний размер зерна в сплаве составил 4,5 мкм.

Максимальное удлинение до разрыва, полученное при температурах 440-480°С и максимальной скорости деформации 1×10^-2 c^-1, составило 650%, при скорости (5×10^-3 c^-1) - 750%, а при (2×10^-3 c^-1) - составило 690%.

Пример 2

Сплав 2

Сплав состава 3,5% Mg - 4,0% Zn - 0,8% Cu - 3% Ni - 0,30% Zr был обработан по технологии 1, описанной в примере 1.

Максимальное удлинение до разрыва, полученное при температурах 440-480°С и максимальной скорости деформации 1×10^-2 c^-1, составило 470%, а при скорости (2×10^-3 с^-1) - составило 550%.

Пример 3

Сплав 3

Сплав состава 4,5% Mg - 3,5% Zn - 0,8% Cu - 3% Ni - 0,30% Zr был обработан по технологии 1, описанной в примере 1.

Максимальное удлинение до разрыва, полученное при температурах 440-480°С и скорости деформации 1×10^-2 c^-1, составило 300%, а при скорости (2×10^-3 c^-1) составило 580%.

Пример 4

Сплав 4

Сплав состава 4,0% Mg - 4,0% Zn - 0,8% Cu - 2% Ni - 0,30% Zr был обработан по технологии 1, описанной в примере 1.

Максимальное удлинение до разрыва, полученное при температурах 440-480°С и скорости деформации 1×10^-2 c^-1 составило 400%, а при скорости (2×10^-3 c^-1) 440%.