Полуфабрикаты из высокопрочного алюминиевого деформируемого свариваемого сплава В-1963 для деталей силового набора изделий современной авиационной техники

Размещено на http://www.allbest.ru/

Полуфабрикаты из высокопрочного алюминиевого деформируемого свариваемого сплава В-1963 для деталей силового набора изделий современной авиационной техники

Селиванов А.А.¹, к.т.н.; Ткаченко Е.А. ¹

¹Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» (ФГУП «ВИАМ»), Москва

Аннотация

В докладе представлены результаты сравнительных исследований структуры и комплекса прочностных, ресурсных и коррозионных свойств деформированных полуфабрикатов из нового алюминиевого высокопрочного сплава В-1963.

Ключевые слова: Сплав В-1963, высокопрочный алюминиевый сплав, микролегирование переходными металлами, сварка алюминиевых сплавов.

Abstract

Semi-finished products of high-strength aluminum wrought weldable V-1963 alloy for details of primary structure of modern aviation engineering

The report presents the results of comparative studies of structure and the complex of strength, resource and corrosion properties of semi-finished products of a new aluminum high-strength V-1963 alloy.

Keywords: V-1963 alloy, high-strength aluminum alloy, microalloying of transition metals, aluminum alloys welding.

Разработанный во ФГУП «ВИАМ» высокопрочный сплав В 1963 системы Al-Zn-Mg-Cu с малыми добавками циркония, скандия и серебра предназначен для массивных сильно нагруженных деталей (типа шпангоутов, фитингов, балок и др.) внутреннего набора планера изделий современной авиакосмической техники. Благодаря легированию серебром и скандием удалось одновременно повысить прочностные характеристики - на 10-20%, и сопротивление усталости - в 1,8-2,3 раза по сравнению с серийными отечественными и зарубежными сплавами. В отличие от других высокопрочных сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu сплав В 1963 обладает улучшенными характеристиками свариваемости по сравнению с аналогичными сплавами без серебра, а также имеет приемлемый уровень характеристик коррозионной стойкости.

В рамках федеральных целевых программ во ФГУП «ВИАМ» при участии специалистов ОАО «КУМЗ» разработаны опытно-промышленные технологии изготовления (плавки и литья слитков, деформации и термической обработки) кованых, прессованных и катаных полуфабрикатов, проведены исследования комплекса свойств полуфабрикатов, выпущена нормативная документация на поковки, штамповки, прессованные полосы, плиты и сварные соединения из сплава В 1963.

В докладе представлены результаты сравнительных исследований структуры и комплекса прочностных, ресурсных и коррозионных свойств штамповок, поковок, прессованных полос и плит толщиной до 100 мм.

Показано, что изготовленные в производственных условиях опытно-промышленные полуфабрикаты в зависимости от режима искусственного старения имеют следующий типичный уровень свойств:

- поковки, штамповки и плиты в состоянии Т2: у_В?560-600 МПа, у_0,2=520-570 МПа, д =7-12 %; К_1С =33-37 МПаvм;

- штамповки и прессованные полосы в состоянии Т12 у_В=580-620 МПа, у_0,2=540-570 МПа, д=8-12%; К_1С = 30-35 МПаvм.

- прочность сварных соединений, полученных сваркой трением с перемешиванием: _{Всв. соед.}0,8_В.

Даны рекомендации по применению полуфабрикатов из сплава В-1963 в особо нагруженных конструкциях авиационной техники.

Для обеспечения весового совершенства конструкций авиакосмической техники, их повышенных надежности и ресурса необходимы материалы с высокими показателями удельной прочности, вязкости разрушения, коррозионной стойкости, усталостной долговечности. Наиболее перспективными, конкурирующими между собой материалами, в этом отношении являются высокомодульные алюминий литиевые сплавы и высокопрочные алюминиевые сплавы на основе системы Al-Zn-Mg-Cu, которые близки по удельной прочности, но высокопрочные сплавы имеют преимущество перед алюминий литиевыми по технологичности.

Одним из перспективных направлений в улучшении комплекса свойств алюминиевых сплавов служит разработка новых систем легирования с использованием микродобавок переходных и редкоземельных металлов, а также изыскание способов регламентирования структуры сплавов для получения требуемого комплекса свойств.

С целью получения высокого уровня прочностных свойств и сопротивления усталости, повышения температуры рекристаллизации и измельчения зеренной структуры, в последние годы для легирования получила распространение комплексная добавка скандий + цирконий, которая обладает более сильным модифицирующим и антирекристаллизационным эффектом, чем цирконий. Цирконий в этом случае позволяет значительно снизить концентрацию скандия в сплаве (менее 0,2%) при сохранении высокого модифицирующего воздействия последнего 1-4.

Роль добавки серебра в алюминиевых сплавах изучена в меньшей степени по сравнению с добавками скандия и циркония, однако известно, что серебро (0,1-0,2%) оказывает заметное влияние на кинетику распада алюминиевого твердого раствора, повышая критическую температуру устойчивости упрочняющих выделений и, таким образом, может способствовать одновременному повышению прочности и коррозионной стойкости сплава 5, 6.

При разработке композиции сплава было проведено всестороннее исследование связи тонкой структуры полуфабрикатов с различным содержанием микродобавок скандия, циркония и серебра, а также изучено влияние режимов термической обработки, особенно старения, на комплекс механических и коррозионных свойств, характеристик трещиностойкости и усталостной долговечности. Учитывая достаточно высокую стоимость скандия и серебра, большое внимание было уделено поиску экономного легирования этими микродобавками, обеспечивающего эффективное улучшение требуемого комплекса свойств. В результате во ФГУП «ВИАМ» был разработан высокопрочный сплав В-1963 7, 8 на основе системы Al-Zn-Mg-Cu c микродобавками серебра и скандия+цирконий.

В настоящем докладе приведены сравнительные данные по свойствам различных деформированных полуфабрикатов, предназначенных для изготовления ответственных высоконагруженных деталей внутреннего набора планера (шпангоутов, фитингов, кронштейнов) из высокопрочного алюминиевого сплава В-1963 на основе системы Al-Zn-Mg-Cu с легирующими микродобавками скандия и серебра (таблица 1).

Таблица 1 Химический состав сплава В-1963

Деформированные полуфабрикаты из этого сплава имеют субзеренную структуру со средним размером субзерен 2-4 мкм (рис. 1, а). Особенностью структуры исследованных образцов является образование в них дисперсоидов - вторичных частиц -фазы (Al₃Sc_xZr_1-x), когерентно связанных с матрицей (рис. 1, б). Хотя на границах субзерен дисперсоиды не были обнаружены, присутствие этих частиц в сплаве и обеспечивает сильный антирекристаллизационный эффект в полуфабрикатах из сплава В-1963 [9, 10]. Типичная структура сплава В-1963 представлена на рис. 1, в, г.

При разработке режимов термической обработки были опробованы двух- и трехступенчатые режимы старения. Исследования тонкой структуры показали, что фазовый состав сплава, состаренного по различным режимам одинаков, однако после старения по трехступенчатому режиму наблюдается большая объемная плотность частиц упрочняющей -фазы, чем после двухступенчатого старения, также как и при увеличении содержания серебра в сплаве. Ширина зоны, свободной от выделений у границ зерен и субзерен состаренного сплава, содержащего серебро, почти в 2 раза уже, чем в сплавах без серебра.

Далее будет показано, что установленные структурные особенности сплава с микродобавками скандия и серебра приводят к одновременному повышению прочностных характеристик, вязкости разрушения и сопротивления усталости, а также к улучшению свариваемости сплава по сравнению с серийными сплавами Al-Zn-Mg-Cu.

В качестве заготовок для изготовления сложнопрофильных деталей (шпангоутов, фитингов и т.п.) используют поковки, штамповки, прессованные полосы и катаные плиты. Производство таких полуфабрикатов из высокопрочного сплава В-1963 освоено на ОАО «КУМЗ».

В ходе освоения опытно-промышленных полуфабрикатов из сплава В-1963 в производственных условиях металлургического завода были разработаны технологии получения слитков цилиндрических (диаметром до 390 мм) и плоских (габаритные размеры: 300Ч1100 мм) и технологии изготовления поковок и штамповок толщиной до 100 мм, прессованных полос толщиной 40-70 мм и катаных плит толщиной 100 мм.

Свойства опытно-промышленных полуфабрикатов из сплава В-1963 приведены в таблицах 2, 3, 4, из которых следует, что наиболее высокий уровень прочностных характеристик (_В=590-620 МПа) достигается у прессованных полос и штамповок, состаренных по трехступенчатому режиму Т12. После старения по этому режиму получены также и более высокие показатели трещиностойкости (СРТУ) и усталостной долговечности (МЦУ).

Таблица 2 Механические свойства при растяжении и вязкость разрушения (средние значения) полуфабрикатов из сплава В-1963

Таблица 3 Характеристики трещиностойкости и усталости полуфабрикатов из сплава В-1963

Таблица 4 Коррозионные свойства полуфабрикатов из сплава В-1963

Коррозионные свойства всех видов полуфабрикатов близки между собой.

Следует отметить, что массивные плиты (толщиной 100 мм) были предложены как альтернатива поковкам, но с тем преимуществом, что, благодаря общепринятой серийной технологии правки плит в свежезакаленном состоянии путем растяжения с остаточной деформацией 1,5-3%, в плитах снимаются остаточные закалочные напряжения, что позволяет избежать поводок и коробления при последующем изготовлении из них путем механической обработки сложноконтурных деталей и приводит к снижению общей трудоемкости изготовления последних. Устранение остаточных напряжений в поковках путем обжатия со степенью остаточной деформации 1,5-5% технологически более сложная операция.

На рисунке 2 на примере штамповок приведено сравнение сплава В-1963 с другими высокопрочными отечественными и зарубежным сплавами - аналогами по применению. Видно, что штамповки из сплава -1963 превосходят уровень свойств аналогичных полуфабрикатов из отечественного сплава В93пчТ2 по прочностным характеристикам на 22-24%, по вязкости разрушения (К_1С) на 30%, по малоцикловой усталости (МЦУ) почти в 2 раза, по скорости роста трещины усталости (СРТУ) сплав В-1963 имеет преимущество на 30%. По сравнению с зарубежным сплавом 7050Т7452 преимущество сплава В-1963 составляет: по прочностным свойствам 18-21%, по К_1С - 30%, по МЦУ и СРТУ более, чем в 2 раза.

В изделиях авиационной техники из деформированных полуфабрикатов эффективно применение сварных конструкций, полученных различными способами сварки [11, 12]. Для этой цели разработаны и успешно применяются в производстве новые технологические процессы и аппаратура. Одним из достоинств сплава В-1963 является то, что благодаря легированию микродобавками скандия и серебра, он обладает высоким уровнем технологичности при сварке и прочности сварных соединений.

При исследовании микроструктуры сварных образцов из сплава В-1963, полученных по различным режимам сварки трением с перемешиванием (СТП), установлено, что изменение режима сварки в выбранном диапазоне скоростей не оказывает существенное влияние на структуру сварного шва. В виду отсутствия расплавления и интенсивного перемешивания металла, находящегося в состоянии пластического течения, ядро сварного шва имеет мелкозернистую равноосную структуру (рис. 3) с размером зерна 5-10 мкм. В переходной зоне наблюдается увеличение размера зерна до 300-400 мкм.

Определены механические и коррозионные свойства сварных соединений из плит сплава В-1963 в зависимости от режима СТП. Выбран оптимальный режим СТП, обеспечивающий наиболее оптимальный уровень прочностных и коррозионных свойств сварного соединения: у_{в св.соед.}/ у_{в осн. мет.} ?0,83, угол изгиба 86°, МКК 0,06-0,16 мм (основной металл и околошовная зона), в сварном шве МКК отсутствует, РСК 3-6 балл.

На АО «Московский вертолетный завод им. М.Л. Миля» выполнено технологическое опробование изготовления деталей из массивных плит толщиной до 100 мм из сплава В-1963. По серийной технологии путем механической обработки из плит были изготовлены детали. Опробование показало хорошую обрабатываемость резанием при механической обработке и полное отсутствие коробления и поводок в полученных деталях.

На изготовление и поставку полуфабрикатов (штамповок, поковок, прессованных полос и массивных плит) из сплава В-1963 разработана вся необходимая документация: технические условия, технологические рекомендации на все этапы технологического цикла (плавку и литье, деформацию, термическую обработку), разработаны паспорта и для плит получены расчетные значения характеристик прочности, вязкости разрушения, усталостной долговечности.

Разработан новый сплав В-1963, предназначенный, в виде кованых и прессованных и катаных полуфабрикатов, для массивных сильно нагруженных деталей (типа шпангоутов, фитингов, балок и др.) внутреннего набора планера в изделиях современной авиакосмической техники.

Благодаря легированию сплава системы Al-Zn-Mg-Cu серебром и скандием совместно с цирконием удалось одновременно повысить прочностные характеристики - на 15-20 %, и сопротивление усталости в 1,8-2,3 раза по сравнению с серийными отечественными и зарубежными сплавами-аналогами по применению, при сохранении на высоком уровне показателей вязкости разрушения и коррозионной стойкости.

Сплав В-1963 обладает улучшенными характеристиками свариваемости по сравнению с аналогичными сплавами без серебра и скандия (_{в.св. соед.}0,8_в).

Сплав рекомендуется к опробованию в производственных условиях для особо нагруженных элементов конструкций авиакосмической техники и транспорта.

коррозийный алюминиевый сплав цирконий

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. С. 3-33.

2. Давыдов В.Г., Елагин В.И., Захаров В.В., Ростова Т.Д. О легировании алюминиевых сплавов добавками скандия и циркония // МиТОМ. 1996. №8. С. 25-30.

3. Tkachenko E.A., Fridlyander I.N., Matveyets E.N., Kaigorodova L.I. The effect of rare earth metal minor addition on structure and properties of Al-Zn-Mg-Cu alloy // Proceed/ ICAA6, Toyohashi, Japan. 1998. V.3. P. 2049-2054.

4. Кайгородова Л.И., Сельнихина E.И., Ткаченко E.А., Сенаторова О.Г. Влияние малых добавок скандия и циркония на структуру и механические свойства сплава Al-Zn-Mg-Cu // ФММ. 1996. Т. 81, вып. 5. С. 78-86.

5. Polmer I.J. Nucliation from Supersaturated Solid Solution // The Journal of the Australian Institute of Metals. 1966. V. 11, No 14. P. 246.

6. Фридляндер И.Н., Добромыслов А.В., Ткаченко Е.А., Сенаторова О.Г. Перспективные высокопрочные материалы на алюминиевой основе // МиТОМ. 2005. №7. С. 17-23.

6. Высокопрочный сплав на основе алюминия и изделие, выполненное из этого сплава: пат. 2233902. Рос. Федерация; опубл. 10.08.2004 г.

8. Высокопрочный сплав на основе алюминия и способ получения изделия из него: пат. 2443793. Рос. Федерация; опубл. 08.10.2010 г.

9. Ogura Т., Hirosawa S., Sato T. Quantitative Analysis of the Vicinity of Grain Boundaries with Precipitate Free Zones in Al-Zn-Mg(-Ag) Alloys // Proceed. ICAA9, Australia. 2004. P. 1061-1066.

10. Vakhromov R.O., Antipov V.V., Tkachenko E.A. Research and Development of High-strength of Al-Zn-Mg-Cu Alloys /Proc. of ICAA-13/ Pittsburg. USA. 2012. P. 1515-1520.

11. Каблов Е.Н., Лукин В.И., Жегина И.П., Иода Е.Н., Лоскутов В.М. Особенности и перспективы сварки алюминийлитиевых сплавов //Авиационные материалы и технологии. 2002. №4. С. 3-12.

12. Vakhromov R.O., Antipov V.V., Tkachenko E.A. Research and Development of High-strength of Al-Zn-Mg-Cu Alloys /Proc. of ICAA-13/ Pittsburg. USA. 2012. P. 1515-1520.

Размещено на Allbest.ru