Промышленное освоение высокопрочного сплава В-1469 системы Al–Cu–Li–Mg
Приведены результаты исследований опытно-промышленных партий листов, плит, прессованных профилей и раскатных колец из нового российского высокопрочного коррозионностойкого сплава пониженной плотности В-1469 системы Al–Cu–Li–Mg–Ag.
Введение
На протяжении нескольких десятилетий, как в России, так и за рубежом, с целью повышения весовой эффективности изделий авиационной и ракетно-космической техники ведутся исследования, направленные на разработку алюминиевых сплавов, легированных литием [1–3].
Перспективный сплав В-1469 системы Al–Cu–Li–Mg разработан в ВИАМ и является первым в России алюминийлитиевым сплавом, легированным серебром [4]. За рубежом тенденция применения алюминийлитиевых сплавов, в том числе легированных серебром, в конструкциях изделий авиакосмической техники известна давно: идет постоянное совершенствование составов сплавов и технологий изготовления полуфабрикатов из них [5–7]. Серебро в небольшом количестве усиливает выделение дисперсных упрочняющих фаз при искусственном старении, что обеспечивает повышенные характеристики статической прочности [8–10]. Сплав также содержит скандий и цирконий, которые являются модификаторами литой структуры и обеспечивают получение мелкозернистой структуры в слитке, а также задерживают процессы рекристаллизации при получении полуфабрикатов и улучшают свариваемость.
Сплав В-1469 – высокопрочный, высокомодульный (Е=79 ГПа), пониженной плотности (d=2,67 г/см3) – обладает высокой технологичностью при литье и обработке давлением, что позволяет получать в промышленных условиях широкую номенклатуру полуфабрикатов. В настоящее время на серийном оборудовании ОАО «КУМЗ» освоено промышленное производство листов (0,8–6,0 мм), плит (35–80 мм), прессованных профилей различного сечения и раскатных колец. Все полуфабрикаты и сварные соединения из листов и плит, за исключением раскатных колец, паспортизованы [11–15].
Благодаря высокой технологичности, близкой к технологичности сплава 1441 при прокатке, стало возможным изготовление тонких листов толщиной 0,4–0,5 мм, которые рекомендованы к опробованию в алюмостеклопластике СИАЛ на базе листов из сплава В-1469 [16, 17, 18].
Сплав обладает высокой критической степенью деформации (~20%), что позволяет изготовлять детали холодной деформацией без промежуточных отжигов. Последующий нагрев под закалку не приводит к росту зерна. Освоено промышленное производство гнутых профилей из листов методом стесненного изгиба. Сплав сваривается всеми видами сварки, обладает высоким сопротивлением к коррозионному растрескиванию.
Материал для исследований
Исследования проводили на опытно-промышленных партиях листов и плит различных толщин, прессованных профилей различного сечения и раскатных колец из сплава В‑1469, изготовленных на серийном оборудовании ОАО «КУМЗ» (см. рисунок).
Полуфабрикаты из сплава В-1469:
а – плиты; б – прессованные профили
Результаты эксперимента и их обсуждение
Для изготовления полуфабрикатов из сплава В-1469 в условиях промышленного металлургического производства полунепрерывным методом отлиты слитки: плоские сечением 300×1100 мм и цилиндрические ø400 мм.
В процессе изготовления прессованных профилей отмечена высокая технологичность сплава: при скорости прессования до 1 м/мин профили отлично распрессовывались, отклонений по геометрическим размерам и качеству поверхности не зафиксировано. Механические свойства при растяжении профилей из сплава В-1469 при комнатной температуре приведены в табл. 1.
Таблица 1
Механические свойства при растяжении прессованных профилей из сплава В-1469
Толщина полки, мм | sв | s0,2 | d5, % |
МПа | |||
До 5 | 570 | 540 | 10 |
До 40 | 580 | 550 | 8 |
Св. 40 до 80 | 620 | 590 | 10 |
Малоцикловая усталость (МЦУ) профилей из сплава В-1469 оценена по количеству циклов до разрушения (N) на плоских образцах с концентратором напряжения в виде центрального круглого отверстия Æ5 мм (Kt=2,6). Частота нагружения (f) составляла 5 Гц, коэффициент асимметрии цикла (R) равен 0,1 [19]. При максимальном напряжении в сечении «нетто» (157 МПа) N=300 кцикл. Критический коэффициент интенсивности напряжений в условиях плосконапряженного состояния ( ) определен для образца шириной 80 мм из тонкостенного прессованного профиля и составил 65 МПа . Для массивных профилей критический коэффициент интенсивности напряжений в условиях плоской деформации (K1с) составил 25 МПа . Глубина межкристаллитной коррозии профилей – до 0,14 мм, расслаивающая коррозия: 3 балл. При определении КР на установке «Сигнал» образцы простояли более 45 сут без разрушения при напряжении 300 и 280 МПа в поперечном и высотном направлениях соответственно.
Раскатные кольца Æ1030/850–888×320 мм из сплава В-1469 получены из кованых заготовок Æ400×650 мм. Ковка и раскатка при изготовлении раскатных колец проведены без промежуточных отжигов. При проведении ультразвукового контроля раскатных колец из сплава В-1469 эхо-сигналы от дефектов, равные или превышающие по амплитуде эхо-сигналы от плоскодонного отражателя диаметром 1,2 мм, не обнаружены. Механические свойства при растяжении определены на образцах, вырезанных в хордовом, радиальном и осевом направлениях (табл. 2).
Таблица 2
Механические свойства при растяжении раскатных колец из сплава В-1469
Направление вырезки | sв | s0,2 | d5, % |
МПа | |||
Хордовое Радиальное Осевое | 520 500 500 | 465 445 455 | 11,0 10,0 7,0 |
Листы из сплава В-1469 толщиной 0,8–3,0 мм изготовлены холодной рулонной прокаткой из горячекатаного рулона толщиной 7,0 мм с одним промежуточным отжигом без плакировки. Микроструктура листов тонковолокнистая с расположенными по границам зерен мелкодисперсными фазовыми составляющими.
Сплав В-1469 разработан как высокопрочный. Однако, учитывая современные тенденции развития алюминийлитиевых сплавов, задача получения на листах повышенных характеристик трещиностойкости при достаточно высоком уровне механических свойств весьма актуальна [20, 21]. Одним из способов, с помощью которого возможно повлиять на характеристики трещиностойкости материала, является воздействие на характер выделений упрочняющих фаз, образующихся при искусственном старении [22–24]. В результате проведенных исследований кинетики искусственного старения при различных температурах и выдержках разработан смягчающий режим, позволивший повысить трещиностойкость листов при незначительном снижении статической прочности [26, 27]. Комплекс эксплуатационных и коррозионных свойств листов из сплава В-1469 с повышенными трещиностойкостью и прочностью приведен в табл. 3.
Таблица 3
Характеристики листов толщиной 1,5–3,0 мм из сплава В‑1469-Т1
Свойства | Уровень свойств для сплава В-1469-Т1 | |
с повышенной трещиностойкостью | с повышенной прочностью | |
sв, МПа | ≥550 | ≥580 |
s0,2, МПа | ≥510 | ≥540 |
δ5, % | ≥10,5 | ≥7,5 |
МЦУ: N, кцикл (f=40 Гц, smах=157 МПа) | 285 | 230 |
, МПа при В=200 мм | 85 | 65 |
СРТУ: dl/dN, мм/кцикл, при DK=31 МПа | 2,3 | 4 |
РСК, балл | 3 | 3 |
МКК, мм | ≤0,12 | ≤0,14 |
sкр, МПа, (П) «Сигнал» | 380* | 400* |
* Без разрушения.
Для оценки возможности применения в конструкции нового изделия ОАО «РКК «Энергия» освоено промышленное производство плит из сплава В-1469 толщиной 35 мм и проведены их комплексные испытания. В настоящее время ведется разработка технологии изготовления и проводятся исследования плит толщиной 40, 60 и 80 мм. Механические свойства при растяжении плит из сплава В-1469 в продольном направлении при комнатной температуре приведены в табл. 4. Для сравнения уровня свойств плит толщиной 40, 60 и 80 мм в различных зонах, испытаны образцы, отобранные на 1/2 и 1/4 части плиты по толщине.
Таблица 4
Механические свойства* при растяжении плит из сплава В-1469
Толщина плиты, мм | sв | s0,2 | d5, % |
МПа | |||
35 | 580 | 540 | 8,0 |
40 | 590/590 | 560/560 | 7,0/6,5 |
60 | 600/600 | 560/560 | 7,0/6,5 |
80 | 570/570 | 530/540 | 6,5/5,5 |
* Для плит толщиной 35 мм приведены свойства по ТУ; для плит толщиной 40–80 мм приведены фактические свойства, определенные на образцах, вырезанных из зон 1/4 толщины плиты / 1/2 толщины плиты.
Характеристика МЦУ для плит из сплава В-1469 толщиной 35 мм определена при тех же условиях испытания (как для листов) и оценена по количеству циклов нагружения: 315 кцикл при максимальном нагружении цикла =157 МПа. Вязкость разрушения (K1с) составила 30 МПа , СРТУ: 3,0 мм/кцикл при DK=31 МПа .
Образцы для определения склонности к РСК и МКК вырезаны из поверхностных слоев и из середины по толщине плиты. Для всех зон РСК составляет 3 балла, глубина МКК – низкая и составляет 0,07–0,11 и 0,11–0,14 мм соответственно. При определении КР на установке «Сигнал» образцы, вырезанные в высотном направлении, простояли более 45 сут без разрушения при напряжении 350 МПа.
Предел текучести (s0,2сж)и модуль упругости (Есж) плит сопоставимы со свойствами при растяжении. Чувствительность к концентратору напряжений в виде отверстия отсутствует. Проведены кратковременные испытания при температурах от 100 до 175°С, а также определены пределы длительной прочности и ползучести, свойства после длительных нагревов при этих температурах.
Заключение
Таким образом, результаты комплексных исследований позволяют рекомендовать полуфабрикаты из сплава В-1469 для элементов конструкций авиационно-космической техники, работающих в условиях сжатия длительно во всеклиматических условиях при температурах от -70 до +150°С (верхние поверхности крыла, лонжероны, балки, стрингеры и другие детали). Применение полуфабрикатов из сплава В-1469 в клепаных и сварных конструкциях обеспечивает снижение массы деталей и узлов на 10 и 20% соответственно. Перспективно применение тонких листов толщиной 0,4–0,5 мм в алюмостеклопластике СИАЛ.
В результате проведенной работы отмечена высокая технологическая пластичность сплава при изготовлении, освоено промышленное производство полуфабрикатов: плит различных толщин; неплакированных листов толщиной 0,4–0,5 и 0,8–3,0 мм, полученных рулонной холодной прокаткой с одним промежуточным отжигом; прессованных профилей различного сечения; раскатных колец.
В сравнении с зарубежными аналогами – сплавами 2195, 2098, 2198 системы Al–Cu–Li – полуфабрикаты из сплава В-1469 не уступают по комплексу прочностных, коррозионных свойств и характеристикам трещиностойкости, обладая при этом меньшей анизотропией свойств.
- Фридляндер И.Н. Воспоминания о создании авиакосмической и атомной техники из алюминиевых сплавов. М.: Наука. 2005. 277 с.
- Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7–17.
- Антипов В.В., Сенаторова О.Г., Ткаченко Е.А., Вахромов Р.О. Алюминиевые деформируемые сплавы //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 167–182.
- Фридляндер И.Н., Грушко О.Е., Антипов В.В., Колобнев Н.И., Хохлатова Л.Б. Алюминийлитиевые сплавы /В сб. 75 лет. Авиационные материалы. Избранные труды «ВИАМ» 1932–2007: Юбилейный научн.-техн. сб. М.: ВИАМ. 2007. С. 163–171.
- Rioja R.J., Denzer D.K., Mooy D., Venema G. Lighter and Stiffer Materials for Use in Space Vehicles /In: Proceedings of the 13-th International Conference on Aluminum Alloys (ICAA-13). 2012. P. 593–598.
- Rioja R., Liu J. The evolution of Al–Li base products for aerospace and space applications //Metallurgical and Materials Transactions A. 2012. V. 43. №9. P. 3325–3337.
- Na J., Xiang G., Zheng Z.Q. Microstructure evolution of aluminum-lithium alloy 2195 undergoing commercial product //Transactions of nonferrous metals society of China. 2010. P. 740–745.
- Mukhopadhyay A.K. Compositional Characterization of Cu-Rich Phase Particles Present in As-Cast Al–Cu–Mg (Li) Alloys Containing Ag //Metallurgical and materials transactions A. 1999. V. 30a. №7. P. 1693–1704.
- Zheng Z.Q., Chen X.Z., Chen Z.G., Li S.C., Wei X.Y. The element effects on micro-structure and mechanical properties in Al–Cu–Li alloy after thermal exposure /In: Proceedings of the 10-th International Conference on Aluminum Alloys (ICAA-10). 2006. P. 1931–1936.
- Bakavos D., Prangnell P.B., Bes B., Eberl F. The effect of silver on microstructural evolution in two 2xxx series Al-alloys with a high Cu: Mg ratio during aging to a T8 temper //Mat. Sci. Eng. 2008. V. 491. P. 214–223.
- Шамрай В.Ф., Грушко О.Е., Тимофеев В.Н., Лазарев Э.М., Клочкова Ю.Ю., Гор-деев А.С. Структурные состояния материала прессовок и листов сплава системы Al–Cu–Li, легированного серебром //Металлы. 2009. №6. C. 53–59.
- Shamray V., Grushko O., Timofeev V., Lazarev E., Klochkova J. Structural Evolution in Aluminum–Copper–Lithium–Magnesium Alloy Sheets During Processing /In: The 12-th International Conference of Aluminium Alloys (ICAA-12). 2010. P. 2141–2146.
- Клочкова Ю.Ю., Грушко О.Е., Ланцова Л.П., Бурляева И.П., Овсянников Б.В. Освоение в промышленном производстве полуфабрикатов из перспективного алюминийлитиевого сплава В-1469 //Авиационные материалы и технологии. 2011. №1. С. 8–12.
- Антипов В.В., Колобнев Н.И., Хохлатова Л.Б. Развитие алюминийлитиевых сплавов и многоступенчатых режимов термической обработки //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 183–195.
- Фридляндер И.Н., Грушко О.Е., Шамрай В.Ф., Клочков Г.Г. Высокопрочный конструкционный Al–Cu–Li–Mg сплав пониженной плотности, легированный серебром //МиТОМ. 2007. №6(624). С. 3 7.
- Каблов Е.Н., Антипов В.В., Сенаторова О.Г., Лукина Н.Ф. Новый класс слоистых алюмостеклопластиков на основе алюминий-литиевого сплава 1441 с пониженной плотностью//Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». 2011. №SP2. С. 174–183.
- Каблов Е.Н., Антипов В.В., Сенаторова О.Г. Слоистые алюмостеклопластики СИАЛ-1441 и сотрудничество с Airbus и TU Delft //Цветные металлы. 2013. №9 (849). С. 50–53.
- Антипов В.В., Сенаторова О.Г., Сидельников В.В. Исследование пожаростойкости слоистых гибридных алюмостеклопластиков класса СИАЛ //Авиационные материалы и технологии. 2011. №3. С. 36-41.
- Ерасов В.С., Нужный Г.А., Гриневич А.В., Терехин А.Л. Трещиностойкость авиационных материалов в процессе испытания на усталость //Труды ВИАМ. 2013. №10. Ст. 06 (viam-works.ru).
- Magnusen P.E., Mooy D.C., Yocum L.A., Rioja R.J. Development of high toughness sheet and extruded products for airplane fuselage structures /In: Proceedings of the 13-th International Conference on Aluminum Alloys (ICAA-13). 2012. P. 535–540.
- Karabin L.M., Bray G.H., Rioja R.J., Venema G. Al–Li–Cu–Mg (Ag) products for lower wing skin applications /In: Proceedings of the 12-th International Conference on Aluminum Alloys (ICAA-12). 2012. P. 529–534.
- Елагин В.И. Состояние и пути повышения трещиностойкости высокопрочных алюминиевых сплавов //МиТОМ. 2002. №9. С. 10–15.
- Polmear I.J. Aluminium alloys – a century of age hardening //Materials forum. 2004. V. 28. P. 1–14.
- Колобнев Н.И., Хохлатова Л.Б., Оглодков М.С., Клочкова Ю.Ю. Высокопрочные сплавы системы Al–Cu–Li с повышенной вязкостью разрушения для самолетных конструкций //Цветные металлы. 2013. №9. С. 66–71.
- Cheng Y., Feng Y.D., Xiang Y.X. Solution Treatment on Mechanical Properties and Microstructures of Al–Li–Cu Alloy //J. Material Sci. Eng. 2012. V. 1. P. 1–5.
- Лукина Е.А., Алексеев А.А., Антипов В.В., Зайцев Д.В., Клочкова Ю.Ю. Применение диаграмм фазовых превращений при старении для оптимизации режимов старения в Al–Li сплавах В-1469, 1441 //Металлы. 2009. №6. С. 60–67.
- Lukina E.A., Alekseev A.A., Antipov V.V., Zaitsev D.V., Klochkova Y.Y. Application of the Diagrams of Phase Transformations during Aging for Optimizing the Aging Conditions for V-1469 and 1441 Al–Li Alloys /In: Proceedings of the 12-th International Conference of Aluminium Alloys (ICAA-12). 2010. P. 1984–1989.