Структура и свойства массивных прессованных полуфабрикатов из высокопрочного алюминий-литиевого сплава В-1469
Повышение весовой эффективности перспективных изделий авиационно-космической техники возможно благодаря применению алюминийлитиевых сплавов, обладающих пониженной плотностью. Во ФГУП «ВИАМ» разработан высокопрочный сплав В-1469 системы Al–Cu–Li пониженной плотности, повышенной жесткости, дополнительно легированный микродобавками Ag, Sc и Zr. Разработана промышленная технология прессования массивных профилей из сплава В-1469. Выбрана температура прессования, исследовано влияние режимов термомеханической обработки на структуру и механические свойства профилей. Приведены результаты всесторонних исследований механических, коррозионных и эксплуатационных свойств.
Введение
Создание перспективных конкурентоспособных изделий авиационно-космической техники требует разработки и освоения промышленного производства новых материалов. Разработка новых композиций алюминиевых сплавов пониженной плотности, повышенной жесткости и прочности в сочетании с высокими ресурсными характеристиками, а также технологических параметров получения полуфабрикатов из них в условиях промышленного производства является актуальной задачей [1–4].
Одним из перспективных конструкционных материалов для авиационно-космической промышленности является высокопрочный (σв≥580 МПа) высокомодульный (Е=78 ГПа) сплав В-1469 пониженной плотности (d=2,67 г/см3) системы Al–Cu–Li, дополнительно легированный Ag, Sc и Zr, разработанный в ВИАМ [5, 6]. Этот сплав по удельной прочности превосходит все существующие алюминиевые деформируемые сплавы и обладает высокой коррозионной стойкостью, трещиностойкостью и усталостной долговечностью [7], а также технологической пластичностью при литье и обработке давлением, что позволяет применять его для изготовления в промышленных условиях широкой номенклатуры полуфабрикатов [8, 9]. В настоящее время освоено промышленное производство листов толщиной 0,8–6 мм, плит толщиной 25–80 мм, прессованных профилей различного сечения и раскатных колец на серийном оборудовании ОАО «КУМЗ». Все вышеперечисленные полуфабрикаты и сварные соединения из листов и плит паспортизованы [10–13], за исключением раскатных колец.
Сплав В-1469-Т1 по сравнению с широко применяющимся в настоящее время сплавом В95о.ч./п.ч.-Т2 обладает повышенными прочностью, жесткостью, сопротивлением коррозионному растрескиванию, сваривается всеми основными видами сварки. Сплав В-1469 имеет зарубежные сплавы-аналоги: 2195 – широко используется для сварных конструкций ракетно-космической техники [14, 15]; 2098 и 2198 – применяются в конструкциях самолетов компании Airbus. Сплав 2198 также применяется в сварных элементах фюзеляжа ракеты-носителя одноразового применения Space X Falcon 9 [17].
Применение прессованных полуфабрикатов из сплава В-1469 перспективно и для деталей внутреннего набора изделий авиационно-космической техники. В статье представлены результаты исследования структуры и свойств массивных прессованных полуфабрикатов.
Материал и методы
Материалом для исследований служили круглые слитки диаметром 405 мм и прессованные профили с толщиной полки 40–60 мм (площадь сечения 100 см2) из сплава В-1469, изготовленные в условиях промышленного металлургического производства ОАО «КУМЗ».
Микроструктуру прессованных профилей исследовали на шлифах размером 15×15 мм при помощи металлографического микроскопа Neophot30, оснащенного цифровой камерой фирмы Olympus. Травление шлифов проводили раствором Келлера следующего состава: HF (1 см3)+HCl (1,5 см3)+HNO3 (2,5 см3)+вода (95 см3), с последующим осветлением в 10–20%-ном водном растворе азотной кислоты.
Исследования механических свойств при растяжении, усталостных характеристик, коррозионных свойств прессованных профилей из сплава В-1469, термообработанных по режиму Т1, проведены с использованием современного сертифицированного оборудования в соответствии с действующими стандартами и методиками Российской Федерации.
Результаты
В условиях ОАО «КУМЗ» на промышленном плавильно-литейном агрегате массой 8 т с индукционной тигельной печью ИАТ-10/2,5 и электрическим вакуумным миксером проведена плавка сплава В-1469 и отлиты круглые слитки диаметром 405 мм. Химический состав сплава соответствует требованиям ОСТ 1 90048. Проведен гомогенизационный отжиг слитков по серийному режиму.
С целью выбора температурного интервала прессования проведено исследование механических свойств слитков при повышенных (350–480°С) температурах (рис. 1).
Рисунок 1. Механические свойства слитков из сплава В-1469 при высоких температурах: ■ – относительное сужение; □ – относительное удлинение
Установлено, что в температурном интервале 390–480°С достигаются практически максимальные значения характеристик пластичности (δ=30–60%, ψ=88–94%). Это позволяет проводить горячую деформацию в указанном интервале температур. В результате для опробования технологии прессования были выбраны две температуры 390 и 480°С. Профили с толщиной полки 40–60 мм, с площадью сечения 100 см2 изготовлены в одно очко на горизонтально-гидравлическом прессе с усилием 5000 тс из контейнера Ø370 мм (рис. 2). Размеры заготовок под прессование Ø360×640 мм, скорость прессования 0,8 м/мин, коэффициент вытяжки 9,4%.
Рисунок 2. Внешний вид прессованного профиля из сплава В-1469
Анализ макроструктуры поперечного сечения профилей, отпрессованных при двух температурах, проведенный на образцах, отобранных с выходного и утя́жинного концов, показал, что структура однородная мелкозернистая по всему сечению. Дефектов в виде плен, неметаллических включений, пористости не обнаружено (рис. 3).
Рисунок 3. Макроструктура прессованных профилей из сплава В-1469
С утя́жинного и выходного концов из толстой и тонкой части, соответственно, по всему сечению профилей, отпрессованных при двух температурах, в продольном направлении были отобраны образцы для проведения термообработки и испытаний механических свойств с целью выбора оптимального режима. В лабораторных условиях опробованы различные температуры нагрева под закалку (510–530°С) с продолжительностью выдержки (90–250 мин). Правка растяжением профилей после закалки не проводилась.
Микроструктура полуфабрикатов из сплава В-1469 представляет собой тонкую волокнистую субзеренную структуру на периферии и крупнозернистую – в центральной части (зоне) профилей (рис. 4). Существенных различий в микроструктуре профилей, подвергшихся различным режимам термической обработки, не наблюдается.
Исследование распределения механических свойств по сечению профилей при двух температурах прессования показало, что прочностные характеристики в центральной зоне несколько ниже, чем на периферии, при более высоких значениях относительного удлинения ввиду пониженной теплопроводности сплава В-1469. Максимальный уровень прочности при сохранении высокой пластичности обеспечивает проведение закалки после выдержки при температуре 520–530°С, длительность выдержки должна быть увеличена в два раза по сравнению с выдержкой, рекомендованной в ПИ1.2.699, для тех же толщин полуфабрикатов из серийных алюминиевых сплавов.
Рисунок 4. Микроструктура прессованных профилей из сплава В-1469:
а – выходной; б – утя́жинный
Исследовано влияние продолжительности выдержки при старении на механические свойства. Установлено, что максимальный уровень свойств в продольном, поперечном и высотном направлениях достигается после старения по режиму: 150–160°С в течение 30–40 ч. Из анализа полученных значений механических свойств сделан вывод, что после термической обработки по рекомендованному режиму (закалка+старение, без правки растяжением) при обеих температурах прессования (390 и 480°С) достигается максимальный уровень прочности при сохранении высокого относительного удлинения: σв=590 МПа; σ0,2=530–540 МПа; δ=9,7–10,5%.
Известно, что значительный эффект в повышении прочностных свойств, характеристик трещиностойкости и коррозионной стойкости наблюдается при использовании правки растяжением полуфабрикатов [18]. Фактическая степень остаточной деформации после правки профилей в промышленных условиях составила 4–5,5%. Значения механических свойств профилей по сечению после термической обработки в промышленных условиях ОАО «КУМЗ» приведены на рис. 5.
Рисунок 5. Механические свойства прессованных профилей из сплава В-1469-Т1 (предел прочности/предел текучести/относительное удлинение)
С целью паспортизации профилей из сплава В-1469-Т1 определены их механические свойства при растяжении (σв, σ0,2, δ) при комнатной температуре (табл. 1). Образцы для испытания были вырезаны из двух зон профиля: толщиной 60 мм (в продольном (Д), поперечном (П) и высотном (В) направлениях); толщиной 40 мм (в направлениях Д и П).
Таблица 1
Механические свойства при растяжении массивных прессованных профилей
из сплава В-1469-Т1 при комнатной температуре
Толщина полки, мм | Направление вырезки образца | σв | σ0,2 | δ, % |
МПа | ||||
60 | Д | 600–650 | 580–620 | 9–12 |
П | 540–550 | 520 | 6–7 | |
В | 520–530 | 460–530 | 4–5 | |
40 | Д | 610–640 | 580–620 | 10,5–11,0 |
П | 550 | 520 | 6,8–8,0 | |
Модуль упругости (Е) составляет 78 ГПа, что на 8–10% превосходит модуль упругости серийно применяемых алюминиевых сплавов. При испытании механических свойств при растяжении при 20°С после нагрева при 85°С до 3000 ч не происходит снижения относительного удлинения, при этом пределы прочности и текучестиостаются на том же уровне.
Модуль нормальной упругости (Есж) и условный предел текучести при сжатии (σ0,2сж) определены на образцах, вырезанных в продольном направлении. Средние значения составили Есж=80 ГПа, σ0,2сж=600 МПа.
Малоцикловая усталость (МЦУ) профилей определена при f=40 Гц, R=0,1,
и составляет 350–700 кциклов.
Значение вязкости разрушения (KQ) в направлении ДП составило 40 МПа
. Скорость роста трещины усталости (СРТУ) определена на компактных образцах, среднее значение СРТУ (dl/dN) профилей при ΔK=31,0 МПа составляет 1,65 мм/кциклов.
Испытания на межкристаллитную коррозию (МКК) проведены в соответствии с требованиями ГОСТ 9.021–74 в растворе 2 в течение 6 ч, глубина МКК составляет <0,14 мм. Испытания на расслаивающую коррозию (РСК) проведены в соответствии с требованиями ГОСТ 9.904–82 в растворе 2 в течение 2 сут, склонность к РСК: 2–4-й балл. При испытании на стойкость к коррозионному растрескиванию на установке «Сигнал» образцы, вырезанные в высотном направлении, простояли более 45 сут без разрушения при напряжении 280 МПа.
Технология прессования массивных профилей из сплава В-1469 освоена и внедрена в промышленное металлургическое производство ОАО «КУМЗ», разработана нормативная документация на их изготовление и поставку. Результаты всесторонних исследований, в том числе при высоких и низких (криогенных) температурах, позволили рекомендовать сплав для конструкций перспективных изделий авиационно-космической техники, работающих в интервале температур от -70 до +150°С (длительно) и от -150 до +175°С (кратковременно).
Характеристики прессованных профилей из сплава В-1469-Т1 в сравнении с базовым сплавом В95о.ч./п.ч.-Т2 приведены в табл. 2.
Таблица 2
Характеристики прессованных профилей из сплава В-1469-Т1
в сравнении с аналогичными полуфабрикатами из сплава В95о.ч./п.ч.-Т2
Характеристика | Значение характеристик сплавов | Квоты преимущества, % | |
В-1469-Т1 (паспортные данные) | В95о.ч./п.ч.-Т2 [19]
| ||
σв, МПа | 600–650 | ≥510 | ≥18 |
σв/d, км (усл. ед.) | ≥22,5 | ≥17,9 | ≥26 |
σ0,2, МПа | 580–620 | ≥450 | ≥29 |
Е, ГПа | 78 | 71 | 10 |
СРТУ: dl/dN, м/кцикл (при ΔK=31 Па | 1,65 | 2,7 | 64 |
σкр, МПа | >280 | 170 | >65 |
Видно, что полученные свойства прессованных профилей из сплава В-1469-Т1 превосходят свойства аналога – отечественного сплава В95о.ч./п.ч.-Т2: по удельной прочности более чем на 20%, модулю упругости – на 10%, сопротивлению коррозионному растрескиванию – на 65%.
Массивные прессованные профили из сплава В-1469Т1 рекомендованы для изготовления направляющих крепления кресел, каркаса пола пассажирского салона, рельсов грузового отсека, деталей внутреннего набора и других изделий авиационно-космической техники.
Обсуждение и заключения
Разработана технология прессования массивных профилей из высокопрочного алюминийлитиевого сплава В-1469, на серийном оборудовании ОАО «КУМЗ» освоено их опытно-промышленное производство.
Исследовано влияние различных режимов упрочняющей термической обработки на структуру и механические свойства прессованных профилей. Выбран режим, обеспечивающий максимальный уровень прочности при сохранении высокого относительного удлинения: σв≥600 МПа, σ0,2≥580 МПа, δ≥9%.
Проведены комплексные исследования массивных прессованных профилей, разработана нормативная документация на их изготовление и поставку.
Сплав В-1469 рекомендован для применения в конструкциях перспективных изделий авиационно-космической техники, работающих длительно в интервале температур от -70 до +150°С (длительно) до +175°С (кратковременно).
Прессованные профили из сплава В-1469-Т1 рекомендованы для замены аналогичных полуфабрикатов из сплава В95о.ч./п.ч.-Т2, так как превосходят их по удельной прочности более чем на 20%, модулю упругости – на 10%, сопротивлению коррозионному растрескиванию – на 65%.
- Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» //Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3–33.
- Каблов Е.Н. Авиакосмическое материаловедение //Все материалы. Энциклопедический справочник. 2008. №3. С. 2–14.
- Фридляндер И.Н. Воспоминания о создании авиакосмической и атомной техники из алюминиевых сплавов. М.: Наука. 2005. 275 с.
- Тарасов Ю.М., Антипов В.В. Новые материалы ВИАМ − для перспективной авиационной техники производства ОАО «ОАК» //Авиационные материалы и технологии. 2012. №2. С. 5–6.
- Антипов В.В., Сенаторова О.Г., Ткаченко Е.А., Вахромов Р.О. Алюминиевые деформируемые сплавы //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 167–182.
- Сплав на основе алюминия и изделие, выполненное из него: пат. 2237098 Рос. Федерация; опубл. 24.07.2003.
- Фридляндер И.Н., Грушко О.Е., Антипов В.В., Колобнев Н.И., Хохлатова Л.Б. Алюминийлитиевые сплавы /В кн. 75 лет. Авиационные материалы. Избранные труды «ВИАМ» 1932–2007: Юбилейный научн.-техн. сб. М.: ВИАМ. 2007. С. 163–171.
- 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.
- Клочков Г.Г., Грушко О.Е., Клочкова Ю.Ю., Романенко В.А. Промышленное освоение высокопрочного сплава В-1469 системы Al–Cu–Li–Mg //Труды ВИАМ. 2014. №7. Ст. 01 (viam-works.ru).
- 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.
- Шамрай В.Ф., Грушко О.Е., Тимофеев В.Н., Лазарев Э.М., Клочкова Ю.Ю., Гордеев А.С. Структурные состояния материала прессовок и листов из 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 /Proceedings of the 12-th International Conference of Aluminium Alloys. 2010. P. 2141–2146.
- 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.
- Troeger P., Domack M.S., Wagner J.A. Microstructural and Mechanical Property Characterization of Shear Formed Aerospace Aluminum Alloys /NASA. Langly Research Center Hampton. Virginia. 2000.
- Hales S.J., Hafley R.A. Structure-Property Correlations in Al–Li Alloy Integrally Stiffened Extrusions /NASA, Langly Research Center Hampton. 2001.
- Prasad N.E., Gokhale A., Wanhill R.J.H. Aluminium-lithium alloys: processing, properties, and applications. 2013. 608 p.
- Фридляндер И.Н., Чуистов К.В., Березина А.Л., Колобнев Н.И. Алюминиево-литиевые сплавы. Структура и свойства. К.: Наукова думка. 1992. 192 с.
- Авиационные материалы: Справочник в 13-ти томах. 7-е изд., перераб. и доп. /Под общ. ред. Е.Н. Каблова. М.: ВИАМ. 2009. Т. 4. Ч. 1. Кн. 2. 170 с.