Результат интеллектуальной деятельности: СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО

Изобретение относится к области металлургии, а именно к высокопрочным деформируемым термическим упрочняемым свариваемым сплавам пониженной плотности системы Al-Cu-Li, предназначенным для применения в качестве конструкционных материалов в авиакосмической технике. Из этого сплава изготавливаются такие изделия, как: сварные топливные баки для работы при температуре от +20^oC до -253^oC, различные элементы силового набора и обшивки фюзеляжа и крыла, как в сжатой, так и в растянутой зоне самолетных конструкций, работающих при температуре от +175^oC до -70^oC.

Известен и применяется в промышленности сплава системы Al-Cu-Li марки 1230 (ВАД23) следующего состава, мас.%:
Медь - 4,8 - 5,8
Литий - 0,9 - 1,4
Марганец - 0,4 - 0,8
Кадмий - 0,1 - 0,25
Алюминий - Остальное
(см. Структура и свойства полуфабрикатов из алюминиевых сплавов. Алюминиевые сплавы. Справочник. 2-е изд., М., "Металлургия", 1984, с. 396).

Однако этот сплав не обладает достаточно низкой плотностью, имеет низкий модуль упругости и в искусственно состаренном состоянии пониженную пластичность и повышенную чувствительность к концентраторам напряжений. Сплав не сваривается, непригоден для работы при криогенных температурах. Изделия из этого сплава имеют ограниченное применение, используются в качестве стабилизаторов летательных аппаратов с малым ресурсом.

Известен также сплав марки 2090 американской фирмы ALCOA. Сплав имеет следующий состав, мас.%:
Медь - 2,4 - 4,0
Литий - 1,4 - 2,7
Магний - 0 - 0,8
Хром - 0 - 0,3
Цирконий - 0 - 0,1
Бериллий - 0 - 0,02
Кремний - 0 - 0,1
Марганец - 0 - 0,1
Алюминий - Остальное
(см. патент Франции N 2.561.260, МКИ C 22 C 21/12).

Этот сплава при достаточно высокой удельной прочности (отношение предела прочности к плотности сплава) имеет низкие характеристики пластичности и трещиностойкости, поэтому применяется для обшивки крыла только в сжатой зоне и не применяется в сварных конструкциях.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является свариваемый сплав системы Al-Cu-Li следующего химического состава, мас.%:
Медь - 1,4 - 6,0
Литий - 1,0 - 4,0
Цирконий - 0,02 - 0,3
Титан - 0,01 - 0,15
Бор - 0,0002 - 0,07
Церий - 0,005 - 0,15
Железо - 0,03 - 0,25
по крайней мере один из элементов из группы, содержащей, мас.%:
Неодим - 0,0002 - 0,1
Скандий - 0,1 - 0,35
Ванадий - 0,01 - 0,15
Марганец - 0,05 - 0,6
Магний - 0,6 - 2,0
Алюминий - Остальное
(см. патент РФ 1584414, БИ N 19, 1994 г.).

Сплав обладает хорошей свариваемостью и повышенными прочностными свойствами.

Недостатками этого сплава являются низкие значения пластичности, вязкости разрушения, высокая скорость развития трещины усталости, а также низкая технологическая пластичность при холодной деформации. Поэтому этот сплав непригоден для применения в авиационной технике и может найти ограниченное применение в некоторых сварных изделиях ракетной техники.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание сплава с повышенными характеристиками пластичности и вязкости разрушения, пониженной скоростью роста трещины усталости и повышенной технологической пластичностью при холодной деформации. Изделия из этого сплава будут иметь пониженную массу, повышенные характеристики прочности и надежности при эксплуатации.

Для достижения поставленной задачи предлагается сплав на основе алюминия следующего химического состава, мас.%:
Медь - 2,5 - 3,5
Литий - 1,5 - 1,95
Цирконий - 0,05 - 0,15
Скандий - 0,01 - 0,15
Кальций - 0,001 - 0,05
Хром - 0,01 - 0,3
Водород - 1,5 · 10^-5 - 5,0 · 10^-5
по крайней мере один элемент из группы, содержащей, мас.%:
Магний - 0,01 - 0,6
Титан - 0,005 - 0,009
Бор - 0,0002 - 0,007
Марганец - 0,005 - 0,6
Ванадий - 0,01 - 0,15
Церий - 0,005 - 0,2
Железо - 0,01 - 0,5
и по крайней мере один элемент из группы, содержащей, мас.%:
Цинк - 0,01 - 0,8
Олово - 0,0005 - 0,1
Никель - 0,005 - 0,15
Бериллий - 0,0001 - 0,2
Натрий - 0,0003 - 0,001
Алюминий - Остальное
В сплаве поддерживается определенное соотношение концентраций меди и лития, необходимое для достижения относительно низкой плотности. При этом сохранение положительного влияния меди на прочностные свойства достигается за счет введения в сплав дополнительных легирующих элементов.

Введение в сплав кальция повышает технологичность при холодной деформации, так как кальций связывает кремний (примесь в алюминии) и снижает поверхностное натяжение, способствуя образованию более округлой формы выделившихся избыточных интерметаллидов.

Хром вместе с цирконием, скандием и водородом, который образует дисперсные гидриды лития, способствуют формированию однородной мелкозернистой структуры в полуфабрикатах и повышению технологической пластичности при холодной прокатке, повышению характеристик вязкости разрушения и улучшению свариваемости всеми видами сварки.

Натрий, бериллий, олово, никель, цинк измельчают частицы кремния, а также связывают свободный кремний, что приводит к повышению технологичности при прокатке.

Магний, титан, бор, ванадий, марганец, железо и церий способствуют упрочнению сплава, облагораживают форму выделившихся избыточных интерметаллидов, способствуя округлости их формы, что, в свою очередь, благотворно сказывается на технологичности сплава. Изделия из предлагаемого сплава, такие как: сварные топливные баки, в том числе для низких температур, различные элементы силового набора и обшивки фюзеляжа и крыла будут иметь пониженную массу, повышенные характеристики прочности и надежности при эксплуатации.

Пример осуществления:
Из слитков, состав которых приведен в табл. 1, после гомогенизации при температуре 530^oC в течение 24 часов, были изготовлены листы. Листы изготавливались путем горячей прокатки при температуре 430^oC до толщины 4,5 мм и затем после отжига при температуре 400^oC путем холодной прокатки до толщины 2,5 мм. Листы подвергали закалке с температуры 530^oC с охлаждением в воде, правке растяжением со степенью деформации 1,5% и искусственному двухступенчатому старению по режиму: первая ступень - при температуре 130^oC, 8 час и вторая ступень - при температуре 160^oC, 14 час.

Состав сплава N 1 соответствует прототипу, остальные сплавы N 2-10 являются предлагаемыми.

Образцы из листов испытывали при статическом растяжении с определением предела прочности, предела текучести, относительного удлинения, определяли характеристики вязкости разрушения и трещиностойкости (K_c^y, СРТУ). Технологическая пластичность оценивалась по уровню степени холодной деформации при холодной прокатке, при которой появлялись боковые трещины величиной более 10 мм (ε_КР) .

Из табл. N 2 видно, что предлагаемый состав нового сплава превосходит известный сплав (прототип) по характеристике вязкости разрушения (K_c^y) в 1,4 - 1,6 раз, по пластичности в 1,6 - 2,0 раз по технологической пластичности при холодной деформации в 1,9 - 2,3 раза. Новый сплав имеет меньшую скорость развития трещины усталости (СРТУ) в 1,8 - 3,0 раз при практически одинаковом уровне предела прочности и предела текучести.

Таким образом, предлагаемый сплав обеспечивает достижение поставленной цели - повышение характеристик пластичности и вязкости разрушения, понижение скорости роста трещины усталости и повышение технологической пластичности при холодной деформации, по сравнению с известными сплавами.

Новый сплав с такими повышенными характеристиками и с пониженной плотностью позволяет изготавливать необходимую номенклатуру полуфабрикатов на существующем металлургическом оборудовании. Применение полуфабрикатов из предлагаемого сплава в изделиях, таких как: сварные топливные баки для работы при температуре от +20^oC^o до -253^oC, различные элементы силового набора и обшивки фюзеляжа и крыла, как в сжатой, так и в растянутой зоне самолетных конструкций, работающих при температуре от +175^oC до -70^oC позволит обеспечить снижение их массы на 15 - 35%, повысить надежность и ресурс эксплуатации.