Сверхпластичный сплав на основе системы Al-Mg-Si

Изобретение относится к области алюминиевых сплавов с микрозеренной структурой, в частности к сплавам системы Al-Mg-Si, предназначенных для изготовления полуфабрикатов и изделий в различных отраслях промышленности методом сверхпластической формовки.

Метод сверхпластической формовки (СПФ) - перспективная технология получения изделий сложных форм. Основным требованием для достижения сверхпластичности и использования сплавов для сверхпластической формовки является формирование стабильной мелкозернистой структуры (И.И. Новиков, В.К. Портной «Сверхпластичность сплавов с ультрамелким зерном», 1981 г.). Сдерживающим фактором использования эффекта сверхпластичности в промышленности является отсутствие сплавов, обладающих одновременно высокими скоростями сверхпластичности и высокими механическим свойствами при комнатной температуре.

На сегодняшний день существует большое количество патентов, описывающих новые сплавы на основе системы Al-Mg-Si и способы обеспечения в них повышенной прочности.

Так, в патенте РФ 2163939 от 10.03.2001 получен холоднокатаный лист алюминиевого сплава состава Al - (0,3-1,2)% Mg - (0,3-1,7)% Si - (0,15-1,1)% Mn с равноосным рекристаллизованным зерном размером 20-30 мкм, что обеспечивает изотропные свойства и высокую технологичность при холодной штамповке и в состоянии Т1 имеет следующие свойства: σ_B 335 МПа, σ_0,2=275. Данный сплав не является сверхпластичным и уступает патентуемому сплаву по уровню механических характеристик.

В патенте US 6994760B2 от 7.02.2006 представлена технология, обеспечивающая в сплаве Al - (0,75-1,3) % Si - (0,45-0,95) % Mg - (0,6-1,1)% Cu - (0,2-0,8) % Mn предел текучести 335 МПа и предел прочности 355 МПа. Данный сплав не является сверхпластичнным, но не уступает патентуемому сплаву по уровню механических свойств.

В патенте ЕР 2841611 А1 от 04.03.2015 представлен сплав Al - (0,6-1,05) % Mg - (0,5-1) % Si, предел текучести которого по результатам испытания образцов в искусственно состаренном состоянии составил более 280 МПа, что существенно ниже предела текучести патентуемого сплава.

Существует достаточно большое количество патентов, связанных с получением новых сверхпластичных сплавов на основе систем Al-Mg, Al-Zn-Mg-Cu.

Так, например, патент JPH0726342 от 31.01.2013 описывает производство листа сплава Al-Mg для сверхпластической формовки, включающее рекристаллизационный отжиг, горячую и холодную прокатку. Однако недостатком сплавов системы Al-Mg является относительно низкий уровень механических свойств при комнатной температуре.

В патенте US 5772804 от 30.06.1998 описывается технология получения листа для сверхпластической формовки, для примера взят сплав АА7475. Недостатком данного сплава, как и других сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu, является склонность к коррозионному растрескиванию под напряжением.

Таким образом, сверхпластичные сплавы на основе системы Al-Mg-Si, детали из которых можно получать методом СПФ, на сегодняшний день не разработаны. Существует достаточно много сверхпластичных сплавов на основе систем Al-Mg, Al-Zn-Mg-Cu, Al-Cr-Mg, однако данные сплавы обладают либо низким уровнем механических характеристик, либо повышенной склонностью к коррозии.

Техническим результатом изобретения является получение сверхпластичного сплава на основе системы Al-Mg-Si, обладающего повышенной коррозионной стойкостью и способностью подвергаться закалке на воздухе.

Сверхпластичный сплав на основе алюминия, содержащий магний, кремний, никель, железо, медь, цирконий и скандий со следующим соотношением компонентов (мас. %):

Был получен в виде листовых заготовок с использованием следующей технологической схемы:

1) Получение слитков литьем в медную водоохлаждаемую изложницу со скоростью охлаждения 15 К/с.

2) Двухступенчатый гомогенизационный отжиг 380 С, 8 ч + 480 С, 8 ч.

3) Горячая прокатка степенью деформации 78%.

4) Холодная прокатка степенью деформации 75%.

После отжига холоднокатаных листов при 460°С, имитирующего нагрев и выдержку при температуре сверхпластической деформации, структура листов остается нерекристаллизованной.

Концентрации магния и кремния должны находиться в пределах указанных интервалов, а именно 1-1,2% и 0,8-1% соответственно. Выход за пределы концентрационных интервалов приводит к снижению механических характеристик.

Концентрации железа и никеля должны вводиться в соотношении 1:1, т.к. изменения соотношения приводит к выделению первичных фаз, негативно сказывающихся на показателях сверхпластичности. Выход за нижние границы концентрационных интервалов железа и никеля приводит к ухудшению показателей сверхпластичности за счет уменьшения доли частиц фазы Al₉FeNi. Выход за верхний границы концентрационных интервалов Fe и Ni приводит к снижению механических свойств при комнатной температуре.

Добавка меди положительно сказывается на показателях сверхпластичности и механичеких характеристиках сплава, однако избыток меди негативно влияет на коррозионную стойкость. Поэтому медь рекомендуется вводить в сплав в количестве 0,3-0,6%. Для обеспечения термической стабильности структуры суммарная добавка скандия и циркония должна составлять 0,3-0,4%. Введение более 0,4% суммарной добавки скандия и циркония приводит к формированию крупных частиц фазы Al₃(Sc, Zr) кристаллизационного происхождения, что негативно сказывается на свойствах сплава.

Оптимальную скорость деформации определяли по результатам серии испытаний с постоянной скоростью деформации. Листы проявляют сверхпластичность при температуре 460°С и скорости деформации 10^-2 с^-1, в данных условиях относительное удлинение до разрушения составило 410%.

Механические свойства листов из разработанного сплава в отожженном состоянии при комнатной температуре: предел текучести 320-340 МПа, предел прочности 350-380 МПа и относительное удлинение (10-14)%. Механические свойства снижаются незначительно (менее чем на 5%) после вылеживания в коррозионно-агрессивно среде (стандарт испытания на коррозионную стойкость ASTMG110-92). Поверхность образцов остается гладкой без продуктов коррозии.

Разработанный сплав относится к разряду самозакаливающихся термически упрочняемых сплавов. Вследствие чего полученные из данного сплава изделия могут подвергаться закалке на воздухе, что позволяет избежать коробления, часто наблюдаемого после закалки в более плотных средах, и позволит закаливать детали сложной формы, полученные методом сверхпластической формовки. Листы из разработанного сплава, полученные по оптимизированной технологии, имеют нерекристаллизованную структуру перед сверхпластической формовкой. Сплав не уступает своим аналогам по механическим свойствам, превосходя их по прочности и пластичности при комнатной температуре. Листы из разработанного сплава способны к высокоскоростной сверхпластической деформации: при температуре 460°С и скорости деформации 0,01 с^-1 относительное удлинение составляет не менее 400%.

Пример 1

Листы из сплава с химическим составом Al - 1% Mg - 0,8% Si - 1% Fe - 1% Ni - 0,6% Cu - 0,2% Zr - 0,2% Sc получены по следующей технологической схеме:

1) Получение слитков литьем в медную водоохлаждаемую изложницу со скоростью охлаждения 15 К/с.

2) Двухступенчатый гомогенизационный отжиг 380 С, 8 ч+480 С, 8 ч.

3) Горячая прокатка степенью деформации 78%.

4) Холодная прокатка степенью деформации 75%.

После отжига холоднокатаных листов при 460°С, имитирующего нагрев и выдержку при температуре сверхпластической деформации, структура листов остается нерекристаллизованной.

В искусственно состаренном состоянии листы имеют предел текучести 320-330 МПа, предел прочности 360-370 МПа и относительное удлинение (12-14)%, которые практически не снижаются после теста на общую коррозию по стандарту ASTMG110-92.

Максимальное удлинение до разрыва, полученное при температуре 460°С и оптимальной скорости сверхпластической деформации 10^-2 с^-1, составило 400±10%.

Пример 2

Листы из сплава с химическим составом Al - 1% Mg - 1% Si - 1% Fe - 1% Ni - 0,6% Cu - 0,2% Zr - 0,2% Sc получены по технологической схеме, описанной в примере 1. В состаренном состоянии листы имеют предел текучести 320-330 МПа, предел прочности 360-380 МПа и относительное удлинение (11-13) %, которые практически не снижаются после теста на общую коррозию по стандарту ASTMG110-92.

Максимальное удлинение до разрыва, полученное при температуре 460°С и оптимальной скорости сверхпластической деформации 10^-2 с^-1, составило 410±10%.

Пример 3

Листы из сплава с химическим составом Al - 1,2% Mg - 1% Si - 1% Fe - 1% Ni - 0,6% Cu - 0,2% Zr - 0,2% Sc получены по технологической схеме, описанной в примере 1. В состаренном состоянии листы имеют предел текучести 330-340 МПа, предел прочности 360-380 МПа и относительное удлинение (10-12) %, которые практически не снижаются после теста на общую коррозию по стандарту ASTMG110-92.

Максимальное удлинение до разрыва, полученное при температуре 460°С и оптимальной скорости сверхпластической деформации 10^-2 с^-1, составило 405±10%.

Пример 4

Листы из сплава с химическим составом Al - 1,2% Mg - 0,8% Si - 0,8% Fe - 0,8% Ni -0,6% Cu - 0,2% Zr - 0,2% Sc получены по технологической схеме, описанной в примере 1. В состаренном состоянии листы имеют предел текучести 320-330 МПа, предел прочности 360-380 МПа и относительное удлинение (12-14)%, которые практически не снижаются после теста на общую коррозию по стандарту ASTMG110-92.

Максимальное удлинение до разрыва, полученное при температуре 460°С и оптимальной скорости сверхпластической деформации 10^-2 с^-1, составило 390±10%.

Пример 5

Листы из сплава с химическим составом Al - 1,2% Mg - 1,2% Si - 1,2% Fe- 0,8% Ni - 0,6% Cu - 0,2% Zr - 0,2% Sc получены по технологической схеме, описанной в примере 1. В состаренном состоянии листы имеют предел текучести 330-340 МПа, предел прочности 360-380 МПа и относительное удлинение (10-12)%, которые практически не снижаются после теста на общую коррозию по стандарту ASTMG110-92.

Максимальное удлинение до разрыва, полученное при температуре 460°С и оптимальной скорости сверхпластической деформации 10^-2 с^-1, составило 395±10%.

Пример 6

Листы из сплава с химическим составом Al - 1,2% Mg - 0,5% Si - 0,5%Fe - 0,5% Ni - 0,6% Cu - 0,2%Zr - 0,2% Sc получены по технологической схеме, описанной в примере 1. В состаренном состоянии листы имеют предел текучести 310-320 МПа, предел прочности 350-370 МПа и относительное удлинение (14-15) %, которые практически не снижаются после теста на общую коррозию по стандарту ASTMG110-92.

Максимальное удлинение до разрыва, полученное при температуре 460°С и оптимальной скорости сверхпластической деформации 10^-2 с^-1, составило 300±10%.