сплав на основе алюминия и изделие, выполненное из этого сплава

Формула изобретения

1. Сплав на основе алюминия, содержащий медь, литий, цирконий, скандий, железо, магний, марганец, отличающийся тем, что он дополнительно содержит водород, галлий, барий и сурьму при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Медь - 3,0-3,8

Литий - 1,4-1,7

Цирконий - 0,0001-0,04

Скандий - 0,16-0,35

Железо - 0,01-0,5

Магний - 0,01-0,7

Марганец - 0,05-0,5

Водород - 1,010^-5-5,010^-5

Барий - 0,001-0,2

Галлий - 0,001-0,08

Сурьма - 0,00001-0,001

Алюминий - Остальное

2. Изделие, выполненное из сплава на основе алюминия, отличающееся тем, что сплав имеет следующий химический состав, мас. %:

Медь - 3,0-3,8

Литий - 1,4-1,7

Цирконий - 0,0001-0,04

Скандий - 0,16-0,35

Железо - 0,01-0,5

Магний - 0,01-0,7

Марганец - 0,05-0,5

Водород - 1,010^-5-5,010^-5

Барий - 0,001-0,2

Галлий - 0,001-0,08

Сурьма - 0,00001-0,001

Алюминий - Остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области цветной металлургии, а именно к сплавам па основе алюминия системы алюминий-медь-литий. Изделия из этих сплавов используются в авиакосмической технике, например в баках, обшивке и силовом наборе.

Известны конструкционные деформируемые сплавы системы Al-Cu-Li (патенты РФ 1707986 и 1720291, патент Франции 2561260, МКИ С 22 С 21/12). Они предназначены для баков, элементов крыла и силового набора. Однако эти сплавы, имея пониженную плотность, высокие прочностные свойства при однократном и повторном нагружении, обладают пониженными значениями конструктивной прочности, ударопрочности и повышенной скоростью роста трещины усталости (СРТУ), а также недостаточно высокими характеристиками свариваемости.

Эти свойства во многих случаях являются определяющими при эксплуатации изделий авиакосмической техники.

Наиболее близким по назначению и по химическому составу, принятым за прототип, является сплав на основе алюминия системы алюминий-медь-литий следующего химического состава (мас.%):

Медь - 1,4-6,0

Литий - 1,0-4,0

Цирконий - 0,02-0,3

Титан - 0,01-0,15

Бор - 0,0002-0,07

Церий - 0,005-0,15

Железо - 0,03-0,25

по крайней мере один элемент из группы, содержащей (мас. %):

Неодим - 0,0002-0,1

Скандий - 0,1-0,35

Ванадий - 0,01-0,15

Марганец - 0,05-0,6

Магний - 0,6-2,0

Алюминий - Остальное

(патент РФ 1584414, БИ 19, 1994г.)

Этот сплав обладает улучшенным сочетанием прочностных характеристик, параметров пластичности, свариваемости. Он используется как конструкционный материал в авиакосмической технике.

Однако указанный сплав обладает пониженными конструктивной прочностью, ударопрочностью и повышенной скоростью роста трещины усталости, что затрудняет его использование, например, в самолетостроении, в частности, в изделиях, длительно работающих при повторных нагрузках или подверженных внешним ударам.

Технической задачей данного изобретения является создание сплава, обладающего, наряду с высокими прочностными свойствами (пределами прочности, текучести) и свариваемостью, повышенными конструктивной прочностью, ударопрочностью и пониженной СРТУ. Это позволит изготавливать изделия авиакосмической техники с большим ресурсом эксплуатации, повышенной надежности и безопасности.

Для достижения поставленной задачи предложен сплав на основе алюминия, имеющий следующий химический состав (мас.%):

Медь - 3,0-3,8

Литий - 1,4-1,7

Цирконий - 0,0001-0,04

Скандий - 0,16-0,35

Железо - 0,01-0,5

Магний - 0,01-0,7

Марганец - 0,05-0,5

Водород - 1,010^-5-5,010^-5

Барий - 0,001-0,2

Галлий - 0,001-0,08

Сурьма - 0,00001-0,001

Алюминий - Остальное

и изделие, выполненное из этого сплава.

Предлагаемый сплав отличается от прототипа тем, что он дополнительно содержит водород, барий, галлий и сурьму.

Улучшение конструктивной прочности, ударопрочности и снижение СРТУ как важных характеристик, обеспечивающих повышение эксплуатационных свойств и ресурса ряда изделий, достигается дополнительным легированием водородом, барием, а также добавкой галлия и сурьмы.

Присутствие водорода в виде соединений (например, гидридов лития) затрудняет деформацию вблизи вершины растущей трещины, замедляя ее распространение. Барий совместно со скандием и цирконием снижает поверхностное натяжение расплава в процессе сварки, что сказывается на уменьшении размеров интерметаллидов при кристаллизации металла шва. Это улучшает работоспособность и конструктивную прочность сварного соединения. Галлий и сурьма, находясь в твердом растворе, влияют на взаимодействие дислокации с выделениями, затрудняя деформацию у вершины трещины, тем самым снижая СРТУ.

Пример осуществления

Из слитков сплавов 1-4 в лабораторных условиях при температуре 450^oС были отпрессованы полосы. Из полос путем поперечной горячей (при 420-470^oС), а затем холодной прокатки получали листы толщиной 3 мм. Листы закаливали от 530^oС в воде, подвергали растяжке на 2-3% и старили по ступенчатому режиму при 160-180^oС.

Сварные соединения получали аргонодуговой сваркой с присадочной проволокой св 1217.

Проведены испытания механических свойств листов и сварных соединений. Испытания ударопрочности листов проводили на вертикальном копре с полусферическим стальным наконечником диаметром 25 мм. Образец - пластина размером 1х100х150 мм. Определяли пороговую энергию удара, отвечающую появлению трещины в образце.

Для оценки конструктивной прочности были изготовлены сварные бачки диаметром 380 мм, которые испытывали до разрушения внутренним давлением. Оценивали напряжение, отвечающее разрушению бачка. Скорость роста трещины усталости (d21/dN) определяли на образцах шириной 200 мм при K = 100кгc/мм^3/2.

В табл. 1 представлены химические составы предложенного сплава и прототипа. В табл. 2 приведены свойства предложенного сплава и прототипа. Полученные результаты показывают, что предложенный сплав, по сравнению с известным сплавом, обладает близкими значениями пределов прочности, текучести и относительного удлинения основного материала, а также предела прочности сварного соединения. Однако по конструктивной прочности и ударопрочности предложенный сплав превосходит известный сплав соответственно на 15 и 35%, а СРТУ предложенного сплава в 1,8 раза меньше, чем у известного сплава.

Таким образом, применение предложенного сплава в авиакосмической технике обеспечит повышение ресурса эксплуатации, а значит повысит надежность и экономичность работы изделий.