Новый сплав системы Al–Cu–Mn для изделий космической техники
Приведены результаты исследований листов из нового свариваемого деформируемого сплава марки В-1208 (типа 1201) на основе системы Al–Cu–Mn, дополнительно легированного микродобавками Sc, Ag и Zr. Листы изготовлены в условиях промышленного производства ОАО «КУМЗ». Показано, что комплексное легирование серебром, скандием и цирконием приводит к повышению прочностных и ресурсных характеристик, коррозионной стойкости и свариваемости. Исследовано влияние режимов термической обработки на механические свойства листов. Проведены комплексные исследования механических, коррозионных и эксплуатационных свойств. Оценена свариваемость с помощью аргоно-дуговой сварки (ААрДЭС) и сварки трением с перемешиванием (СТП). Проведено сравнение со сплавами-аналогами 1201 и 2219.
Введение
С развитием ракетно-космической техники к выбору материала предъявляются следующие требования:
– сплав должен иметь достаточный уровень прочностных и ресурсных характеристик;
– высокая технологичность и энергосбережение при металлургическом производстве – возможность получения различных видов полуфабрикатов;
– технологичность при изготовлении деталей и сборке различных узлов конструкции, в том числе с применением сварки – один из наиболее высокопроизводительных и экономичных методов создания неразъемных соединений, который позволяет производить элементы конструкций, наиболее рациональные по формам и размерам, что делает их ремонтопригодными;
– сплав не должен содержать высокотоксичных компонентов (кадмий, свинец, ртуть, бериллий), которые испаряются при сварке [1–3].
На протяжении многих лет как в России, так и за рубежом, в конструкции изделий космической техники, где необходимо сочетание повышенных прочностных характеристик как при комнатной, повышенных, так и при криогенных температурах, успешно применяются полуфабрикаты из сплавов системы Al–Cu–Mn с дополнительными микродобавками. Эти сплавы хорошо свариваются всеми видами сварки и имеют достаточно высокий уровень прочностных характеристик при температуре жидкого водорода, что позволяет использовать их в изделиях, работающих при криогенных температурах [4–7]. В отечественном производстве для этих целей традиционно применяется сплав 1201, из которого изготовлены сварные топливные баки ракеты «Протон-М» и сварная кабина пилотов корабля «Буран». За рубежом применяется сплав-аналог марки 2219. Эти сплавы при понижении температуры вплоть до температуры жидкого водорода или гелия не только не охрупчиваются, а, наоборот, упрочняются [8; 9; 10, С. 12; 11; 12; С. 175‒183] (рис. 1).

Рис. 1. Металлические материалы в конструкции корабля «Буран»
Совершенствование изделий космической техники и расширение диапазона выполняемых ими задач влекут за собой необходимость создания новых сплавов, имеющих наилучшее сочетание повышенной прочности с хорошей свариваемостью, при возможности изготовления из них широкой номенклатуры полуфабрикатов [12, С. 13–14; 13].
В связи с этим была поставлена задача разработать свариваемый сплав типа 1201 с повышенными характеристиками прочности. Специалистами ВИАМ разработан новый свариваемый деформируемый термоупрочняемый сплав В-1208 на базе системы Al–Cu–Mn с микродобавками Ag, Sc, Zr и др. К настоящему времени на серийном оборудовании ОАО «КУМЗ» освоено опытно-промышленное производство листов, а также поковок и прессованных профилей.
Основной упрочняющей фазой в сплавах этой системы является Al2Cu. Повышение механических характеристик, улучшение свариваемости, жаропрочности и коррозионной стойкости достигается путем выбора оптимального состава и комплексного легирования (Ag, Zr, Sc), а также за счет режимов деформации и термической обработки [14–16]. Добавки серебра в небольших количествах способствуют упрочнению при искусственном старении алюминиевых сплавов, воздействуя на состав и кристаллографические ориентировки упрочняющих фаз, выделяющихся в процессе искусственного старения. Кроме того, введение серебра позволяет повысить коррозионную стойкость [17]. Комплексное легирование серебром, цирконием и скандием алюминиевых сплавов приводит к улучшению их свариваемости, повышая прочность основного материала и сварного соединения, оказывая положительное влияние на трещиностойкость [18–23], при этом цирконий и скандий являются модификаторами литой структуры [24–28].
Материалы и методы
В данной статье представлены результаты комплексных исследований структуры и свойств листов из сплава В-1208, изготовленных на промышленном металлургическом оборудовании ОАО «КУМЗ», а также свойства сварных соединений из них.
При выборе химического состава нового сплава руководствовались данными, полученными при использовании программного комплекса Thermo-Calc (версия 4.0, база данных TТAL8). Для входных данных максимальные и минимальные значения концентраций легирующих компонентов выбирали по результатам патентных исследований, литературных научных данных и ранее проведенных исследований.
Микроструктуру листов исследовали на шлифах размером 15×15 мм при помощи металлографического микроскопа Neophot 30, оснащенного цифровой камерой фирмы Olympus. Микрошлифы протравливали на установке для электролитической полировки и травления с использованием 2%-ного водного раствора борофторводородной кислоты (HBF) с одновременным пропусканием электрического тока (U=15–20 В,продолжительность от 3 до 6 мин, катод – свинец). Размер зерна определяли методом секущих.
Исследования механических свойств при статических и динамических нагрузках, усталостных характеристик, вязкости разрушения, коррозионных свойств листов из сплава В-1208-Т1, оценка их свариваемости проведены в соответствии с действующими стандартами и методиками РФ.
Результаты и обсуждение
Известно, что, для получения высоких механических свойств при комнатной температуре, жаропрочности, а также высокой сопротивляемости образованию кристаллизационных трещин при охлаждении, содержание меди в сплавах системы Al–Cu должно быть близким к предельной ее растворимости в алюминии. Марганец в пределах от 0,2 до 0,8% (по массе) повышает жаропрочность и тормозит рост зерна, однако присутствие его в количестве ˃0,4% (по массе) ухудшает свариваемость материала. На свариваемость материала сильное влияние оказывает примесь магния. Присутствие ее в сплаве ˃0,02% (по массе) резко снижает сопротивляемость материала кристаллизационным трещинам при сварке [29, С. 125–135].
Для оценки влияния добавки Sc на механические свойства при растяжении при комнатной температуре проведены исследования листов двух партий – со скандием и без него (табл. 1). Значительный эффект повышения прочностных свойств наблюдается при использовании правки растяжением после закалки. В связи с этим проведена правка растяжением листов со степенью остаточной деформации от 2 до 3%, далее – искусственное старение, а затем определены механические свойства при растяжении в продольном направлении, минимальные значения которых приведены в табл. 1. Термическая обработка и правка растяжением листов проводились в лабораторных условиях.
Таблица 1
Механические свойства листов из сплава В-1208-Т1
Сплав В-1208-Т1 | σв | σ0,2 | δ | ε |
МПа | % | |||
Без Sc | 475 | 380 | 12 | 2–3 |
450 | 340 | 11 | – | |
С добавкой Sc | 490 | 390 | 10,5 | 2–3 |
470 | 360 | 13 | – | |
Исследования механических свойств показали, что наилучший уровень свойств имеют листы из сплава, легированного скандием, подвергнутые правке растяжением со степенью остаточной деформации 2–3%.
Для выбора режима искусственного старения листов, обеспечивающего максимальный уровень прочности, проведено исследование влияния различных режимов на механические свойства (табл. 2). Закалка и правка растяжением (ε≈2%) проводились в цеховых условиях, искусственное старение – в лабораторных.
Таблица 2
Механические свойства листов из сплава В-1208-Т1
(закалка в цехе, искусственное старение в лаборатории)
Режим старения | σв | σ0,2 | δ, % | |
температура, °С | продолжительность выдержки | МПа | ||
160 | Длительная | 460–480 | 370–400 | 9,5–12 |
180 | -«- | 425–435 | 335–340 | 8–9,7 |
190 | Короткая | 415–425 | 325–335 | 8,9–10 |
| Длительная | 405–415 | 305–315 | 8,4–11 |
Как следует из полученных результатов, наилучшим уровнем механических свойств обладают листы после искусственного старения при температуре 160°С – предел прочности и условный предел текучести выше не менее чем на 25–35 МПа в сравнении с другими исследуемыми режимами.
Микроструктура листов – рекристаллизованная, мелкозернистая с размером зерна 20–40 мкм (рис. 2).

Рис. 2. Микроструктура (×100) листов из сплава В-1208-Т1
Критический коэффициент интенсивности напряжений в условиях плосконапряженного состояния (
) определен на образцах шириной 100 мм и составил 60 МПа
.
Проведены также испытания механических свойств при повышенных и отрицательных температурах (табл. 3).
Таблица 3
Механические свойства листов из сплава В-1208-Т1 при различных температурах
Характеристика | Значения характеристики при температуре испытания, °С | |||||
-196 | -70 | +20 | +125 | +150 | +175 | |
σв, МПа | 510–525 | 480–485 | 465 | 425–430 | 390–395 | 365–375 |
σ0,2, МПа | 425–450 | 395–410 | 395–400 | 375 | 350–355 | 330–340 |
δ, % | 8–8,5 | 10–13 | 10–12,5 | 17–18 | 21–23 | 22–23 |
KCU, кДж/м2 | – | 180–202 | 169–180 | – | – | – |
При отрицательных температурах испытания прочностные свойства повышаются на 5–10%; при повышении температуры испытания от 125 до 175°С, монотонно снижаясь, – остаются на достаточно высоком уровне. Ударная вязкость при отрицательной температуре повышается на 6%.
Определена статическая чувствительность листов к отверстию(σв.отв/σв) при растяжении при 20°С (Kt=2,6). Листы практически не чувствительны к концентратору, отношение σв.отв/σв составляет ~1.
Механические свойства после эксплуатационных нагревов в течение 100 и 1000 ч при температуре 125°С (σв=460–470 МПа после выдержки в течение 100 ч, σв=455–460 МПа – после 1000 ч) находятся на уровне с исходными значениями, а при 150°С (σв=445–460 МПа – после 100 ч, σв=420–430 МПа – после 1000 ч) и 175°С (σв=415–425 МПа – после 100 ч, σв=390–395 МПа – после 1000 ч) незначительно снижаются.
Исследования коррозионной стойкости листов показали следующие результаты: глубина межкристаллитной коррозии (МКК) – до 0,16 мм, расслаивающая коррозия (РСК): 3 балл. При определении склонности к коррозионному растрескиванию (КР) на установке «Сигнал» образцы простояли ˃45 сут без разрушения при напряжении 270 МПа в поперечном направлении относительно оси прокатки.
Исследована свариваемость листов из сплава В-1208-Т1. Сварку проводили поперек направления прокатки листа. Сплав хорошо сваривается автоматической аргоно-дуговой сваркой (ААрДЭС) и сваркой трением с перемешиванием (СТП). ААрДЭС осуществляется с применением присадочной проволоки Св-1201. Прочность сварных соединений после различных режимов термической обработки приведена в табл. 4.
Таблица 4
Свойства сварных соединений листов из сплава В-1208
Вид сварки | Режим термообработки | σв.св/σв | Угол изгиба α, град | KСUшов, кДж/м2 |
Автоматическая аргоно-дуговая (ААрДЭС) | Закалка+сварка+искусственное старение | 0,75 | 60 | 260 |
Закалка+искусственное старение+сварка | 0,70 | 60 | 270 | |
То же+ искусственное старение | 0,80 | 35 | 185 | |
Трением с переме- шиваним (СТП) | Закалка+сварка+искусственное старение | 0,70 | 80 | 130 |
Закалка+искусственное старение+сварка | 0,80 | 95 | 295 | |
То же+ искусственное старение | 0,80 | 150 | 320 |
Исследования показали, что применение дополнительной термической обработки (искусственного старения) после сварки повышает прочностные свойства сварных соединений, при сохранении характеристик пластичности (α) и ударной вязкости на достаточно высоком уровне.

Рис. 3. Микроструктура сварных соединений листов из сплава В-1208:
а – ААрДЭС, ×200; б – СТП, ×50
На рис. 3 представлена микроструктура сварных соединений листов, выполненных ААрДЭС (рис. 3, а) и СТП (рис. 3, б). В сварных соединениях отсутствуют дефекты. Из-за больших скоростей охлаждения наблюдается резкий переход от сварного шва к основному металлу.
Листы из сплава В-1208-Т1 превосходят листы из отечественного 1201-Т1 и зарубежного 2219-Т8 (США) сплавов-аналогов по прочностным и пластическим характеристикам (табл. 5).
Таблица 5
Сравнительные характеристики листов из сплавов В-1208-Т1, 1201-Т1, 2219-Т8
Сплав | σв | σ0,2 | δ, % | Е, ГПа | KCU, кДж/м2 |
МПа | |||||
В-1208-Т1 | 460 | 360 | 9,5 | 72 | 169–180 |
1201-Т1 | 412 | 314 | 11 | 70 | 120 |
2219-Т8 | 420 | 330 | 8 | 72 | – |
Заключение
Разработан новый сплав В-1208-Т1 системы Al–Cu–Mn. Отмечена его высокая технологическая пластичность при промышленном изготовлении полуфабрикатов. К настоящему времени на серийном оборудовании ОАО «КУМЗ» освоено опытно-промышленное производство листов, а также поковок и прессованных профилей.
Листы из сплава В-1208-Т1, дополнительно легированного Ag, Sc и Zr, имеют повышенные прочностные характеристики как основного материала, так и сварного соединения, по сравнению с серийными сплавами-аналогами (1201-Т1, 2219-Т8). Правка растяжением после закалки способствует повышению прочностных характеристик, практически не снижая пластичности.
Сплав В-1208-Т1 сваривается основными методами сварки ААрДЭС и СТП. Прочность сварных соединений при 20°С составляет 0,7–0,8 от прочности основного металла.
Листы из сплава В-1208-Т1 обладают высокими прочностными характеристиками при комнатной, повышенных и отрицательных температурах и рекомендуются к применению для сварных и несварных конструкций (топливные баки) изделий космической техники, работающих длительно в интервале температур от -196 до +150°С, кратковременно – до +175°С, взамен аналогичных полуфабрикатов из сплава 1201-Т1, что позволит повысить прочность и надежность конструкции.
Авторы статьи выражают благодарность ведущему инженеру ВИАМ Е.Н. Иоде, а также специалистам ОАО «КУМЗ» Б.В. Овсянникову и В.И. Попову, которые внесли неоценимый вклад в проведенную работу.
- 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.
- Сплав на основе алюминия: пат. 2447173 Рос. Федерация; опубл. 05.04.2011.
- Антипов В.В., Сенаторова О.Г., Ткаченко Е.А., Вахромов Р.О. Алюминиевые деформируемые сплавы //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 167–182.
- Клочков Г.Г., Плотников А.Д. Применение новых сплавов в ракетно-космической технике //Цветные металлы. 2013. №9. С. 54–57.
- Фридляндер И.Н., Антипов В.В., Колобнев Н.И., Якимова Е.Г. Конструкционные жаропрочные алюминиевые сплавы /В кн. 75 лет. Авиационные материалы. Избранные труды «ВИАМ» 1932–2007: Юбилейный. науч.-технич. сб. М.: ВИАМ. 2007. С. 172–180.
- Rioja R.J., Denzer D.K., Mooy D., Venema G. Lighter and Stiffer Materials for Use in Space Vehicles /Proceedings of the 13-th International Conference on Aluminum Alloys (ICAA-13). 2012. P. 593–598.
- Polmear I.J. Light Alloys: From Traditional Alloys to Nanocrystals //Elsevier Butterworth-Heinemann. U.K. 2006. 132 p.
- Сенаторова О.Г., Колобнев Н.И., Ткаченко Е.А. И.Н. Фридляндер и его сплавы //Цветные металлы. 2013. №9. С. 28–30.
- Каблов Е.Н. Материалы для изделия «Буран» – инновационные решения формирования шестого технологического уклада //Авиационные материалы и технологии. 2013. №S1. С. 3–9.
- Доспехи для «Бурана». Материалы и технологии ВИАМ для МКС «Энергия–Буран» /Под общ. ред. Е.Н. Каблова. М.: Фонд «Наука и жизнь». 2013. С. 127.
- Мохов В. Модуль для Бурана //Новости космонавтики. 1998. №23/24.
- Фридляндер И.Н. Воспоминания о создании авиакосмической и атомной техники из алюминиевых сплавов. М.: Наука. 2005. 277 с.
- Anil K.S., Raja K.M., Anirban M., Ahmet A. Vehicle lightweighting: challenges and opportu-nities with aluminum /Proceedings of the 13-th International Conference on Aluminum Alloys (ICAA-13). 2012. P. 609–622.
- Елагин В.И. Легирование деформируемых алюминиевых сплавов переходными металлами. М.: Металлургия. 1975. 248 с.
- Чирков Е.Ф. Темп разупрочнения при нагревах – критерий оценки жаропрочности кон-струкционных сплавов систем Al‒Cu‒Mg и Al‒Cu //Труды ВИАМ. 2013. №2. Ст. 02
- (viam-works.ru).
- Григорьев М.В., Антипов В.В., Вахромов Р.О. и др. Структура и свойства слитков из сплава системы Al‒Cu‒Mg с микродобавками серебра //Авиационные материалы и технологии. 2013. №3. С. 3–6.
- Иванова А.О., Вахромов Р.О., Григорьев М.В., Сенаторова О.Г. Исследование влияния малых добавок серебра на структуру и свойства ресурсных сплавов системы Al–Cu–Mg //Труды ВИАМ. 2014. №10. Ст. 01 (viam-works.ru).
- Davydov V.G., Rostova T.D., Zakharov V.V. Scientific principles of making an alloying addition of scandium to aluminium alloys //Material Science and Engineering. A 280. 2000. P. 30–36.
- Royset J., Ryum N. Scandium in aluminium alloys //International Material Reviews. 2005. V. 50. №1. P. 19–44.
- Sawtell R.R., Jensen C.L. Mechanical properties and microstructures of Al–Mg–Sc alloys //Metallurgical and Material Transactions A. 1990. V. 21. №1. P. 421–430.
- Ocenasek V., Slamova M. Effect of Sc and Zr on the structure and properties of Al–Mn1.5 alloy //Material Characteristics. 2001. V. 47. P. 157–162.
- Fuller C.B., Seidman D.N., Dunand D.C. Evolution of nanoscale precipitates in Al microal-loyed with Sc and Er //Acta Materialia. 2003. V. 51. P. 4803–4814.
- Mondol S., Praveen G., Kumar S. et al. Effect of Addition of Sc and Mg on 2219 Al Alloy /Proceedings of the 12-th International Conference on Aluminum Alloys (ICAA-12). 2010.
- P. 447–452.
- Lee Y.Y. Scandium Effect on Mechanical and Physical Properties for 2x19 Al Alloy /Proceedings of the 12-th International Conference on Aluminum Alloys (ICAA-12). 2010. P. 2281–2286.
- Nikulin I., Kipelova A., Gazizov M. et al. Novel Al–Cu–Mg–Ag Alloy for High Temperature Applications /Proceedings of the 12-th International Conference on Aluminum Alloys (ICAA-12). 2010. P. 2303–2308.
- Vural M., Caro J. Experimental analysis and constitutive modeling for the newly developed
- 2139-T8 alloy //J. Material Sci. Eng. 2009. V. 520. №1–2. P. 56–65.
- Pouget G., Sigli C. Thermal Stability of Al–Cu–Mg Alloys /Proceedings of the 14-th ICAA. 2014. P. 691–696.
- Захаров В.В. Особенности кристаллизации алюминиевых сплавов, легированных скан-дием //МиТОМ. 2011. №9. С. 12–18.
- Фридляндер И.Н. Алюминиевые деформируемые конструкционные сплавы. М.: Металлургия. 1979. 208 с.
