Структура и свойства тонких листов Al-Li сплава 1441 и слоистый алюмостеклопластик на их основе

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Сплав 1441 на базе четверной системы Al-Cu-Mg-Li с дополнительным легированием малыми добавками Zr и Ti относится к Al-Li сплавам второго поколения. Установлено, что сплавы системы Al-Cu-Mg-Li обладают наиболее оптимальным среди алюминий-литиевых сплавов сочетанием прочностных и ресурсных характеристик.

По сравнению с Al-Li сплавами других систем легирования, сплав 1441 обладает наилучшей технологичностью при холодной и горячей деформации. Удачное соотношение основных легирующих элементов при ограничении содержания примесей позволяет получать холоднокатаные листы вплоть до толщины 0,3 мм.

Имея хороший комплекс эксплуатационных характеристик и учитывая высокую технологическую пластичность сплава 1441, на его основе был создан конкурентоспособный класс слоистых гибридных алюмостеклопластиков. При сохранении низкой скорости трещины усталости и высокой прочности, алюмостеклопластик на основе листов из сплава 1441 обладает меньшей плотностью и повышенным модулем упругости, по сравнению с зарубежным аналогом Glare на базе листов из дуралюмина 2024Т3. Кроме того, слоистый алюмостеклопластик имеет повышенную температуру эксплуатации, ввиду того, что листы 1441 используются в искусственно состаренном состоянии Т11, а формование выполняется при повышенной температуре вместо 120°С как для зарубежного аналога.

ВИАМ имеет несомненный приоритет в области класса сверхлегких алюминиевых сплавов с литием, созданного группой специалистов под руководством академика И.Н. Фридляндера [1-4]. Впервые в мировой практике разработаны и применены самые легкие алюминиевые сплавы серии 1420 системы Al-Mg-Li (d=2,47 г/см3). Были открыты (1969 г.) эффект старения и эффект повышения модуля упругости (Е) алюминиевых сплавов с ~70 до ~80 ГПа, несмотря на пониженный модуль упругости лития (49 ГПа), вопреки правилу аддитивности. Поэтому практически все сплавы, легированные литием, помимо пониженной плотности, обладают повышенным модулем упругости.

Следует отметить большую роль ОАО «КУМЗ» в освоении различных полуфабрикатов из Al-Li сплавов и, прежде всего, в организации и реализации специального производства по отливке слитков. До настоящего времени ОАО «КУМЗ» является единственным производителем и поставщиком в России этой важной продукции.

В связи с вышесказанным, актуальна проблема создания технологичных Al-Li сплавов, к которым относится сплав 1441.

Среднепрочный сплав 1441 создан в 90-х годах на базе четверной системы Al-Cu-Mg-Li, с дополнительным легированием добавками Zr и Ti. Он является наиболее технологичным Al-Li сплавом при горячей и холодной прокатке. Из него производятся листы, в том числе тонкие толщиной до 0,3 мм, методом холодной рулонной прокатки (рис.1), без промежуточных отжигов по технологии, близкой к используемой для производства листов из традиционных алюминиевых сплавов типа дуралюмин Д16ч, 1163 системы Al-Cu-Mg.

холоднокатаный алюмостеклопластик армирование легирующий

Рис. 1 - Листовые рулоны из сплава 1441

Листы производятся с несколькими видами плакировки: нормальной (А) и технологической (Б) - сплавом АЦпл, твердой регламентированной - сплавом АД33 системы Al-Mg-Si (РД); обладают небольшой (до 20 МПа) обратной анизотропией по прочности.

Зеренная структура листов из сплава 1441, как правило, рекристаллизованная, равноосная, мелкозернистая со средним размером зерна ~ 20-25 мкм.

Основной упрочняющей фазой сплава 1441 считается `-фаза (Al3Li), она имеет сферическую форму с размерами выделений при старении 4-10 нм, которые гомогенно распределяются в объеме зерна (рис. 2, а). Наблюдается также определенное количество S`-фазы (Al2CuMg) стерженьковой формы, которая выделяется преимущественно гетерогенно на дислокациях (рис. 2, б).

Рис. 2 - Темнопольное изображение `- фазы (а) и S` - фазы (б) после старения по режиму Т1

Зернограничные выделения образуют стабильные фазы S (Al2CuMg) и Т2[Al5Cu(LiMg)3] размером 40-50 нм. В структуре также присутствуют полукогерентные дисперсоиды циркония - в`-фаза (Al3Zr), которые способствуют измельчению зерна, повышению пластичности и характеристик усталости.

Сплав 1441 считается ресурсным Al-Li сплавом, обладая определенными преимуществами по сопротивлению усталости, трещиностойкости (табл. 1) перед распространенными традиционными ресурсными сплавами Д16чТ, 1163 системы Al-Cu-Mg, широко применяемыми в качестве обшивочного материала фюзеляжа [2, 3]. Поэтому листы (толщиной свыше 0,5 мм) и профили из сплава 1441 использованы с весовой эффективностью ~ 10 % в конструкции планера самолетов Бе-200, Бе-103; накоплен длительный положительный опыт эксплуатации реальных конструкций.

Таблица 1. Основные свойства листов 1441Т1 толщиной 0,5-4 мм.

Имея хороший комплекс эксплуатационных характеристик листов из сплава 1441, сопоставимый с применяющимися листами из сплавов типа дуралюмин и, учитывая высокую технологическую пластичность сплава, которая позволяет получать тонкие листы (0,3-0,5 мм) по традиционной технологии, был создан и осваивается оригинальный конкурентоспособный класс слоистых гибридных алюмостеклопластиков 1441-СИАЛ (рис. 3) [6, 7].

Рис. 3 - Типичная микроструктура алюмостеклопластика пятислойного строения (3/2) с перекрестным армированием (0/90) слоя пластика

При сохранении уникального комплекса свойств СИАЛов перед монолитными алюминиевыми листами (высокое сопротивление развитию трещины - рис. 4, высокая прочность - В 600 МПа), СИАЛы на базе листов из сплава 1441 обладают меньшей плотностью (до 2,4 г/см3), повышенным модулем упругости (до 70 ГПа), по сравнению с зарубежными аналогами GLARE на базе листов из дуралюмина 2024Т3 в естественно состаренном состоянии (аналог Д16чТ в России), что позволяет повысить весовую эффективность и жесткость конструкции на 5%. Кроме того, слоистый материал 1441-СИАЛ имеет повышенную теплостойкость (температуру эксплуатации до 120°С), ввиду того, что листы 1441 используются в искусственно состаренном состоянии Т11, а формование выполняется с применением специального теплостойкого связующего при повышенной температуре [9, 10].

Рис. 4 - Зависимость скорости роста трещины усталости в 1441-СИАЛ и монолитных листах от размаха коэффициента интенсивности напряжений (образец 140Ч420 мм, уmax=118 МПа, f=5 Гц, R=0,1)

Широкие коррозионные испытания показали высокую устойчивость к коррозии алюмостеклопластиков 1441-СИАЛ как в зоне усталостных микротрещин, так и в области отверстий и кромок. Это можно отнести к низкой сорбции влаги стекловолокнами, а также наличием антикоррозионных адгезионных покрытий алюминиевых листов - анодной пленки и грунта перед формообразованием материала [8].

Установлено, что дополнительной особенностью 1441-СИАЛ является его повышенная пожаростойкость (отсутствие сквозного прогорания при 1100°С в течение 15 мин), обусловленная присутствием высокотемпературных стеклонаполнителей в прослойках пластика [7].

Al-Li ресурсный сплав 1441 системы Al-Cu-Mg-Li благодаря удачному составу обладает повышенной технологической пластичностью, позволяющей производить тонкие листы (толщиной до 0,3 мм) методом холодной рулонной прокатки. На базе этих листов создан и осваивается новое конкурентоспособное семейство перспективных слоистых гибридных алюмостеклопластиков класса СИАЛ пониженной плотности и повышенного модуля упругости.

Литература

1. 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.

2. R.K. Bird, D.L. Dicus, J.N. Fridlyander, V.S. Sandler. Al-Li Alloy 1441 for Fuselage Applications// Proc. of ICAA-7, Switzerland, 2000, part 2, p.p. 907-912.

3. I.N. Fridlyander, V.V. Antipov, T.P. Fedorenko. Product Properties of High Workability 1441 Al-Li Alloy// Proc. of ICAA-9, Australia, 2004, p.p. 1051-1054.

4. И.Н. Фридляндер, О.Е. Грушко, В.В. Антипов, Н.И. Колобнев, Л.Б. Хохлатова. Алюминий-литиевые сплавы// Энциклопедический справочник «Все материалы», 2008, №8, С. 22-27.

5. E.A. Lukina, A.A. Alekseev, V.V. Antipov a.o. Application of the Diagrams of Phase Transformations during Aging for Optimizing the Aging Conditions for V1469 and 1441 Al-Li Alloys// Proc. of ICAA-12, Japan, 2010, p.p. 1984-1989.

6. О.Г. Сенаторова, В.В. Антипов, Н.Ф. Лукина, В.В. Сидельников, В.В. Шестов. Высокопрочные трещиностойкие легкие слоистые алюмостеклопластики класса СИАЛ - перспективный материал для авиационных конструкций// Технология легких сплавов. 2009. № 2. С. 28-31.

7. Е.Н. Каблов, В.В. Антипов, О.Г. Сенаторова, Н.Ф. Лукина. Новый класс слоистых алюмостеклопластиков на основе алюминий-литиевого сплава 1441 с пониженной плотностью// Вестник МГТУ им. Баумана. 2011, Спецвыпуск, серия. Машиностроение. С.174-183.

8. В.В. Антипов, О.В. Старцев, О.Г. Сенаторова. Закономерности влагопереноса в СИАЛах// Коррозия: материалы, защита. 2012. №3. С.13-18.

9. Шестов В.В., Антипов В.В., Сенаторова О.Г., Сидельников В.В. Конструкционные слоистые алюмостеклопластики 1441-СИАЛ //МиТОМ. 2013. № 9. С. 28-32.

10. Антипов В.В., Сенаторова О.Г., Сидельников В.В., Шестов В.В. Конструкционные слоистые материалы СИАЛ //Клеи, герметики, технологии, 2012, №6, С. 13-17.

Размещено на Allbest.ru