Результат интеллектуальной деятельности: ВЫСОКОПРОЧНЫЙ ДЕФОРМИРУЕМЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ СИСТЕМЫ Al-Zn-Mg-Cu ПОНИЖЕННОЙ ПЛОТНОСТИ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии алюминиевых сплавов, в частности к деформируемым сплавам на основе алюминия, используемым в качестве высокопрочного конструкционного материала пониженной плотности в изделиях разового применения.

Цель изобретения - создание сплава на основе системы Al-Zn-Mg-Cu с высоким уровнем удельной прочности за счет получения высоких прочностных характеристик и пониженной плотности.

Известен высокопрочный деформируемый термически обрабатываемый сплав на основе алюминия марки В96Ц системы Al-Zn-Mg-Cu, предназначенный для изготовления деталей, использующихся в высоконагруженных конструкциях, например центрифугах, и содержащий, мас.%:

(ОСТ 190048-90).

Сплав рекомендовано использовать для высоконагруженных вращающихся деталей типа центрифуг или других изделий разового применения, требующих высокой прочности используемого материала.

Недостатком этого сплава является высокая плотность - 2,89 г/см³, что приводит к увеличению массы конструкции и, как следствие, к снижению весовой отдачи или к дополнительным энергетическим затратам.

Известен высокопрочный деформируемый сплав на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu, предназначенный для изготовления силовых элементов планера самолета, отличающийся пониженной плотностью и хорошей технологичностью и содержащий, мас.%:

при отношении содержания магния к содержанию цинка, равном 1,3, и содержании водорода в количестве 0,05-0,35 см³/100 г металла (патент РФ 2468107, МКИ7 С22С 21/16, 2011 г.), прототип.

Сплав имеет пониженное значение плотности 2,71 г/см³. Катаные листы из этого сплава в термически обработанном состоянии обладают сравнительно высоким уровнем прочностных характеристик при комнатной температуре, благодаря выбранному составу и получению изделий с нерекристаллизованной структурой.

Недостатком сплава является недостаточно высокая прочность прессованных полуфабрикатов, обусловленная химическим составом сплава.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание сплава на основе системы Al-Zn-Mg-Cu с высоким уровнем прочности и пониженной плотностью, необходимыми для изделий разового применения.

Для решения этой задачи предлагается:

1. Высокопрочный деформируемый сплав на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu пониженной плотности, содержащий цинк, магний, медь, скандий, цирконий, бериллий, титан, кремний, железо, водород и неизбежные примеси, а также дополнительно содержащий церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

при соблюдении соотношения между содержанием магния и цинка от 0,53 до 0,57.

2. Изделие, выполненное из высокопрочного деформируемого сплава на основе алюминия системы Al-Zn-Mg-Cu пониженной плотности следующего химического состава, мас.%:

при соблюдении соотношения между содержанием магния и цинка от 0,53 до 0,57.

Предложенный сплав и выполненное из него изделие отличаются от прототипа тем, что сплав дополнительно содержит церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

при соблюдении соотношения между содержанием магния и цинка от 0,53 до 0,57.

Отличием предложенного сплава является также низкое отношение содержания магния к содержанию цинка, равное в среднем 0,55.

Полуфабрикаты и изделия из предлагаемого сплава имеют пониженную плотность и однородную по всему объему полуфабриката нерекристаллизованную структуру с высокими прочностными характеристиками.

Повышенные прочностные характеристики прессованных полуфабрикатов из этого сплава определяются двумя факторами. Во-первых, при предложенном содержании цинка и магния термическая обработка (закалка и старение) приводит к образованию выделений упрочняющих η- и Т-фаз (AlZnMgCu) с высокой плотностью их распределения в структуре. Дополнительное упрочнение сплава обеспечивает дисперсоид из наночастиц фазы A₃(Sc,Zr). Эти частицы размером 5-20 нм выделяются из пересыщенного твердого раствора при гомогенизации слитка и сохраняют свою дисперсность в термически обработанном полуфабрикате. Их наличие само по себе повышает прочность на 20-30 МПа, благодаря дисперсионному упрочнению, и, кроме того, способствует появлению структурного эффекта - дополнительного упрочнения материала за счет сохранения в полуфабрикате после термической обработки нерекристаллизованной структуры.

Добавка церия позволяет снизить окисляемость расплава и снизить потери от угара, уменьшить загрязненность сплава окисными включениями и, как следствие, повысить механические свойства полуфабрикатов.

Технический результат - повышение удельной прочности полуфабрикатов и деталей в термически обработанном состоянии, и, как следствие, повышение технических и экономических характеристик готовых конструкций.

Пример осуществления

Приготовили в электрической печи плавки сплавов приведенного в таблице 1 состава, из которых отлили полунепрерывным методом слитки диаметром 178 мм. Слитки из сплава-прототипа и предлагаемого сплава после гомогенизации и механической обработки на диаметр 160 мм при температуре 400°C отпрессовали на полосу сечением 20×60 мм. Полученные полосы закалили в воду после нагрева в вертикальной закалочной печи по режиму 475°C - 2 ч и правили растяжением с остаточной деформацией 0,5%. Полосы искусственно старили по режиму 120°C - 24 ч.

Полученный материал с нерекристаллизованной структурой подвергли испытаниям с определением плотности, временного сопротивления σ_В, предела текучести σ_0,2, относительного удлинения δ. При этом механические свойства на растяжение определяли на продольных разрывных образцах при комнатной температуре. Результаты испытаний приведены в таблице 2.

Данные таблицы 2 показывают, что предлагаемый сплав имеет по сравнению с прототипом повышенные прочностные характеристики при комнатной температуре и на 10-20 МПа см³/г более высокие удельные прочностные характеристики.