конструкционный деформируемый термически неупрочняемый сплав на основе алюминия

Формула изобретения

Конструкционный деформируемый термически неупрочняемый сплав на основе алюминия, содержащий магний, титан, бериллий, цирконий, скандий и церий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит марганец и группу элементов, включающую железо и кремний, и компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%:

Магний 5,0-5,6

Титан 0,01-0,03

Бериллий 0,0002-0,005

Цирконий 0,05-0,12

Скандий 0,16-0,26

Церий 0,0002-0,0009

Марганец 0,15-0,5

Группа элементов, включающая

железо и кремний 0,05-0,12

Алюминий Остальное

при этом величина отношения содержания железа к содержанию кремния должна быть равна или больше единицы.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к металлургии сплавов, в частности деформируемых термически неупрочняемых сплавов, предназначенных для использования в виде деформированных полуфабрикатов в качестве конструкционного материала.

Известны в металлургии конструкционные деформируемые термически неупрочняемые сплавы на основе алюминия (см. ГОСТ 4784-74), в частности сплав АМг6 следующего химического состава, мас.%:

Магний 5,8-6,8

Марганец 0,5-0,8

Титан 0,02-0,1

Бериллий 0,0002-0,005

Алюминий Остальное

Однако существующий сплав имеет низкие прочностные характеристики, в частности низкий предел текучести деформированных полуфабрикатов в отожженном и в горячедеформированном состояниях.

Известен деформируемый термически неупрочняемый сплав на основе алюминия, предназначенный для использования в виде деформированных полуфабрикатов в качестве конструкционного материала (см. патент RU №2085607, М.кл. С 22 С 21/06 - прототип), следующего химического состава, мас.%:

Магний 3,9-4,9

Титан 0,01-0,1

Бериллий 0,0001-0,005

Цирконий 0,05-0,15

Скандий 0,20-0,50

Церий 0,001-0,004

Алюминий Остальное

Известный сплав имеет недостаточно высокие характеристики статической прочности, вязкости разрушения и циклической трещиностойкости при высокой технологичности в металлургическом производстве, высокой коррозионной стойкости, хорошей свариваемости и высокой работоспособности при криогенных температурах.

Предлагается конструкционный деформируемый термически неупрочняемый сплав на основе алюминия, содержащий магний, титан, бериллий, цирконий, скандий и церий, который дополнительно содержит марганец и группу элементов, включающую железо и кремний, и компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%:

Магний 5,0-5,6

Титан 0,01-0,03

Бериллий 0,0002-0,005

Цирконий 0,05-0,12

Скандий 0,16-0,26

Церий 0,0002-0,0009

Марганец 0,15-0,5

Группа элементов, включающая

железо и кремний 0,05-0,12

Алюминий Остальное

при этом величина отношения содержания железа к содержанию кремния должна быть равна или больше единицы.

Предлагаемый сплав отличается от известного тем, что он дополнительно содержит марганец и группу элементов, включающую железо и кремний, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Магний 5,0-5,6

Титан 0,01-0,03

Бериллий 0,0002-0,005

Цирконий 0,05-0,12

Скандий 0,16-0,26

Церий 0,0002-0,0009

Марганец 0,15-0,5

Группа элементов, включающая

железо и кремний 0,05-0,12

Алюминий Остальное

при этом величина отношения содержания железа к содержанию кремния должна быть равна или больше единицы.

Технический результат – повышение характеристик статической и динамической прочности сплава, что позволяет повысить ресурс, надежность и характеристики весовой отдачи конструкций, работающих в условиях статических и динамических нагрузок, в частности конструкций летательных аппаратов, в том числе работающих на криогенном топливе.

При предлагаемом содержании и соотношении компонентов в предлагаемом сплаве за счет вторичных выделений мелкодисперсных интерметаллидов, содержащих в своем составе алюминий, скандий, цирконий и другие переходные металлы, входящие в состав сплава, обеспечивается высокий уровень статической прочности. В то же время достаточно пластичная матрица, представляющая собой, в основном, твердый раствор магния и марганца в алюминии, за счет высокого запаса пластичности обеспечивает высокую сопротивляемость сплава развитию трещины при статическом и циклическом нагружении. Регламентируемая величина отношения содержания железа к содержанию кремния при их достаточно низком суммарном содержании оптимизирует морфологию первичных интерметаллидов кристаллизационного происхождения, содержащих, в основном, алюминий, железо и кремний, способствующих некоторому повышению статической прочности сплава при сохранении пластичности.

Пример.

С использованием в качестве шихты алюминия марки А99, магния Mг90, двойных лигатур алюминий–титан, алюминий–бериллий, алюминий–цирконий, алюминий–скандий, алюминий–церий, алюминий–марганец, алюминий–железо и силумина в электропечи готовили расплав и методом полунепрерывного литья отливали плоские слитки сечением 165550 мм из сплава предлагаемого состава с минимальным (состав 1), оптимальным (состав 2), максимальным (состав 3) содержанием компонентов, запредельным содержанием компонентов (составы 4, 5), а также из известного (состав 6) сплава (табл. 1).

При изготовлении сплава в промышленных условиях металлургического производства в качестве шихтовых материалов возможно использование отходов стандартных алюминиево-магниевых сплавов.

Слитки гомогенизировали, обрабатывали механически до толщины 140 мм, после чего на стане горячей прокатки при 400С прокатывали до толщины 7 мм, а затем на стане холодной прокатки – до толщины 2 мм. Полученные холоднокатаные листы подвергали отжигу в электропечи с воздушной циркуляцией. Отожженные листы служили материалом для испытаний. Испытания проводили при комнатной температуре.

В направлении поперек прокатки вырезали стандартные плоские образцы и определяли механические свойства при статическом растяжении: предел прочности _В, предел текучести _0,2, относительное удлинение .

Испытания на вязкость разрушения (статическую трещиностойкость) проводили на сервогидравлической испытательной машине MTS-100. Определяли критическое значение условного коэффициента интенсивности напряжений на поперечных образцах шириной В=200 мм.

Испытания на циклическую трещиностойкость проводили на сервогидравлической машине РSА-10. Нагружение поперечных образцов

шириной В=200 мм осуществляли по синусоидальному циклу с частотой f=10 Гц, асимметрия цикла R=0,1. Определяли скорость роста трещины усталости (СРТУ), dа/dN, при величине размаха коэффициента интенсивности напряжений К=31,2 .

Результаты испытаний приведены в табл. 2.

Как видно из табл. 2, предлагаемый сплав обладает более высокими характеристиками статической прочности, вязкости разрушения и циклической трещиностойкости по сравнению с известным. Применение предлагаемого сплава в качестве конструкционного материала позволит на 10-15% снизить вес конструкций, повысить их надежность и долговечность, что особенно важно для самолетостроения. Хорошая свариваемость и высокая коррозионная стойкость предлагаемого сплава, свойственные термически неупрочняемым сплавам на основе алюминия, позволит использовать его при создании новых видов летательных аппаратов с использованием сварки как основного вида соединений. Предлагаемый сплав может использоваться в сварных конструкциях как в качестве основного металла, так и в качестве присадочного материала при сварке плавлением.