Введение

Сплав В95оч/пч системы Al–Zn–Mg–Cu многие годы широко применяется в изделиях авиакосмической техники. В частности, в самолетостроении листы из сплава В95оч/пч служат одним из основных конструкционных материалов для деталей обшивок фюзеляжа и панелей крыла [1–7].

Благодаря освоению современного металлургического оборудования, оптимизации соотношения легирующих элементов в сплавах и разработке новых технологических процессов изготовления полуфабрикатов исследовательские работы по усовершенствованию структуры и свойств сплава В95оч/пч продолжаются в настоящее время [8–15]. Такие подходы обеспечивают получение комплекса улучшенных служебных характеристик материала, необходимых для новых поколений изделий авиационной техники.

При изготовлении деформированных полуфабрикатов гомогенизационный отжиг слитков является первым и наиболее длительным нагревом. Параметры данного процесса существенно влияют как на технологические свойства слитков, так и на формирование зеренной структуры и комплекса эксплуатационных свойств деформированных полуфабрикатов при окончательной термической обработке (закалке и старении). Необходимо более углубленное изучение взаимосвязи температурно-временных параметров гомогенизации со структурой и свойствами материала деформированных и термически упрочненных изделий [16–21].

В данной статье приведены результаты исследования влияния серийного и опытных режимов гомогенизации и старения на структуру, технологические, механические и коррозионные свойства литых и катаных полуфабрикатов из сплава В95оч.

Материалы и методы

По серийной технологии литья в условиях металлургического производства ПАО «КУМЗ» получены слитки сечением 500×2000 мм из сплава В95оч. Исследованы темплеты, отобранные из слитков, гомогенизированных по серийному и опытным режимам в лабораторных условиях. Изучены свойства и микроструктура холоднокатаных и горячекатаных листов, полученных из опытно-промышленных слитков, гомогенизированных по серийному одноступенчатому и опытному двухступенчатому режимам.

Химический состав исследованных полуфабрикатов приведен в табл. 1.

Таблица 1

Химический состав слитка из сплава В95оч (ОСТ 1 90026–80)

В данной работе подходы к выбору режимов гомогенизации основаны на результатах, полученных ранее при исследовании закономерностей изменения структуры и свойств слитков из алюминиевых сплавов различных систем легирования в широком температурно-временном интервале [9–14]. Для двухступенчатых режимов гомогенизации температура первой ступени выбрана в областях минимальной устойчивости твердых растворов основных легирующих элементов и антирекристаллизационных добавок марганца и хрома в алюминии.

Из центральной зоны по оси слитка отобраны поперечные темплеты толщиной 40 мм, которые подвергали гомогенизации по трем режимам в интервале температур 375–465 °С при заданной продолжительности выдержки:

– режим 1 − серийный одноступенчатый;

– режим 2 – опытный двухступенчатый (температура первой ступени соответствует температурному интервалу минимальной устойчивости твердого раствора марганца и хрома в алюминии, температура второй ступени идентична режиму 1 при меньшей продолжительности выдержки);

– режим 3 – опытный двухступенчатый (температура первой ступени соответствует температурному интервалу минимальной устойчивости твердого раствора цинка, магния и меди в алюминии, температура второй ступени идентична режиму 2 при увеличенной в 1,5 раза продолжительности выдержки).

Листы для исследования толщиной 6 мм изготовлены из опытно-промышленных слитков, гомогенизированных по серийному одноступенчатому режиму 1 и опытному двухступенчатому режиму 3.

Закалку листов из сплава В95оч проводили по серийному режиму (охлаждение с температуры выдержки 465 °С в воде при комнатной температуре) на горизонтальном закалочном агрегате ПАО «КУМЗ». В свежезакаленном состоянии листы подвергали правке со степенью деформации 2,0 %. Старение образцов, отобранных из закаленных и правленых листов, проводили в лабораторных условиях. При этом варьировали продолжительность выдержки на второй ступени старения, включая две выдержки, соответствующие границам временного интервала серийного режима Т2, и две выдержки по опытному режиму, с целью получения требуемого комплекса механических и коррозионных свойств. Образцы для испытаний отбирали с одного конца листа из центральной зоны по ширине.

Микроструктуру слитков и листов исследовали на шлифах с помощью металлографического микроскопа, оснащенного цифровой камерой. Для проведения количественного анализа применяли специальное программное обеспечение.

Исследования тонкой структуры образцов проводили на фольге при ускоряющем напряжении 200 кВ с применением просвечивающего электронного микроскопа с термополевым катодом типа Шоттки, оснащенного системой для рентгеноспектрального микроанализа.

Показатели технологической пластичности слитков (σ_в, δ) определяли на образцах, отобранных в поперечном направлении. Испытания на растяжение проводили в диапазоне температур от 20 до 450 °С в соответствии с требованиями ГОСТ 1497–84 на универсальной электромеханической машине, оснащенной термокабинетом для исследований в диапазоне температур от 20 до 500 °С. Механические свойства листов (σ_в, σ_0,2, δ₅), вязкость разрушения, усталостные характеристики, склонность к межкристаллитной и расслаивающей коррозии определяли по стандартным методикам и на стандартных образцах в соответствии с требованиями ГОСТ 1497–84, ГОСТ 9.021–74, ГОСТ 9.904–82. Испытания для определения вязкости разрушения и циклической долговечности проводили согласно ОСТ 1 90356–84 и ГОСТ 25.502–79. Вязкость разрушения определяли на образцах шириной В = 500 мм, циклическую долговечность – при f = 40 Гц, K_t = 2,6 и σ_max = 157 МПа.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Результаты и обсуждение

При исследовании микроструктуры слитков (рис. 1) установлено, что по сравнению со слитком в литом состоянии после гомогенизационного отжига по всем трем режимам происходит уменьшение толщины эвтектических прослоек, расположенных по границам дендритных ячеек, за счет их растворения. Как показал количественный анализ, наиболее эффективное растворение неравновесных эвтектических прослоек кристаллизационного происхождения наблюдается после гомогенизации по режиму 3 (рис. 1, ж, з). Объемная доля избыточных первичных фаз в слитке в литом состоянии составляет 6,7 % и после гомогенизации по режиму 3 уменьшается до 2,6 %, по режиму 1 – до 3,1 %, по режиму 2 – до 2,8 %. 

Рис. 1. Микроструктуры слитков из сплава В95оч в литом состоянии (а, б) и после гомогенизации по режиму 1 (в, г), 2 (д, е), 3 (ж, з) при увеличении ×200 (а, в, д, ж) и ×500 (б, г, е, з)

В большей степени объемная доля неравновесных первичных эвтектик на границах дендритных ячеек уменьшается в результате гомогенизации по режиму 3 по сравнению с другими режимами. Это обусловлено увеличением градиента концентрации основных легирующих элементов по объему зерна в связи с более интенсивным распадом твердого раствора при выдержке в температурном интервале его минимальной устойчивости за счет выделения вторичных мелких частиц MgZn₂.

Электронно-микроскопическое исследование (рис. 2) показало, что структура слитков из сплава В95оч характеризуется распадом твердого раствора [12–14, 16, 18] как в литом состоянии, так и в результате гомогенизации по различным режимам с образованием дисперсоидов разной морфологии и размеров:

– T-фаза (Al₂₀Cu₂Mn₃), имеющая форму пластин длиной до 600 нм с поперечным сечением до 20 нм;

– вторичные выделения η-фазы (MgZn₂).

После гомогенизации по одноступенчатому режиму 1 частицы Т-фазы имеют длину >500 нм (рис. 2, б). В слитках в литом состоянии и после гомогенизации по опытным режимам 2 и 3 наблюдается меньший размер частиц Т-фазы – до 250–300 нм (рис. 2, а, в) и 100–200 нм (рис. 2, г) соответственно. При качественной оценке в структуре слитков в литом состоянии и после гомогенизации по режиму 2 обнаружено меньшее количество выделений η-фазы (MgZn₂) по сравнению со слитками, гомогенизированными по режимам 1 и 3.

Рис. 2. Структуры слитков из сплава В95оч в литом состоянии (а) и после гомогенизации по режиму 1 (б), 2 (в), 3 (г)

Независимо от режима гомогенизации сопротивление деформации слитков из сплава В95оч в температурном интервале 350–430 °С практически одинаково и составляет 50–55 МПа при 350 °С, монотонно снижаясь до 30–40 МПа при повышении температуры испытаний до 450 °С (рис. 3, а).

Особенности структуры, обусловленные режимом гомогенизации, оказали более существенное влияние на технологические характеристики слитков при повышенных температурах (рис. 3, б). Установлено, что после гомогенизации по двухступенчатому режиму 3 наиболее высокие показатели технологической пластичности слитков из сплава В95оч (максимальные значения относительного удлинения δ = 90–100 %) получены в температурном интервале 350–430 °С. Значения технологической пластичности слитков, гомогенизированных по серийному одноступенчатому режиму 1, при этих температурах составляют 60–85 %. Максимальные показатели технологической пластичности слитков в литом состоянии и после гомогенизации по опытному режиму 2 достигают 75–80 % в более узком интервале температур 350–380 °С и резко снижаются до 40–50 % при повышении температуры деформации до 430 °С.

Рис. 3. Влияние температуры деформации на сопротивление деформации (а) и технологическую пластичность (б) слитка из сплава В95оч в литом состоянии (♦) и после гомогенизации по режиму 1 (■), 2 (▲), 3 (×)

Следует отметить, что при увеличении температуры деформации до 450 °С технологическая пластичность слитков, гомогенизированных по режимам 1 и 3, снижается до 70–80 %, по режиму 2 и в литом состоянии – до 30–40 %.

Исследовано влияние режима гомогенизации слитков из сплава В95оч на механические и коррозионные свойства катаных листов толщиной 6 мм в состоянии Т2. Листы изготовлены из слитков, гомогенизированных по режимам, обеспечившим наиболее высокий уровень технологической пластичности: 1 (одноступенчатый серийный) и 3 (двухступенчатый опытный). Прокатку листов в интервале температур 380–420 °С осуществляли по следующей схеме: горячая прокатка плоского слитка, обточенного до толщины 465 мм, до листа номинальной толщиной 10 мм, далее холодная прокатка до номинальной толщины 6 мм.

Зеренная структура листов из сплава В95оч-Т2 приведена на рис. 4. Все исследованные листы имеют частично рекристаллизованную структуру.

Средний размер зерна в плоскости прокатки для листа толщиной 6 мм в состоянии Т2, изготовленного из слитка, гомогенизированного по опытному режиму 3, составляет 0,09 мм. По сравнению с этими листами у листов толщиной 6 мм из слитков, гомогенизированных по серийному режиму 1, средний размер зерна более чем в 2 раза крупнее (табл. 2, рис. 4).

Согласно данным работ [17, 21], увеличение среднего размера зерна в листах в плоскости прокатки >0,20 мм отрицательно влияет на прочностные свойства, характеристики сопротивления усталости и трещиностойкости. В связи с этим необходимость более детального изучения влияния технологических параметров изготовления листов на размер зерна не утратила актуальности.

Листы толщиной 6 мм, полученные из слитков, гомогенизированных по опытному двухступенчатому режиму, и состаренные по стандартному режиму Т2, отличались более высоким уровнем прочностных характеристик и более низким уровнем относительного удлинения по сравнению с листами, изготовленными по серийной технологии (табл. 2). При этом величины σ_0,2 соответствовали верхнему пределу значений, допустимых техническими условиями для листов из сплава В95оч в состоянии Т2.

Рис. 4. Микроструктуры листов толщиной 6 мм из сплава В95оч-Т2 в плоскости прокатки (а, в) и по толщине в продольном направлении (б, г). Исходные слитки гомогенизированы по опытному режиму 3 (а, б) и серийному режиму 1 (в, г)

Таблица 2

Влияние режимов гомогенизации слитков и режимов старения на структуру,

механические и коррозионные свойства листов толщиной 6 мм из сплава В95оч

Высокий уровень прочностных характеристик может быть причиной снижения показателей трещиностойкости и ухудшения коррозионной стойкости таких листов. В связи с этим для обеспечения сочетания оптимальных уровней прочностных характеристик, вязкости разрушения и коррозионной стойкости листы, изготовленные из слитка, гомогенизированного по опытному режиму 3, были состарены по новому экспериментальному режиму.

Анализ результатов испытаний листов толщиной 6 мм из сплава В95оч, полученных по серийной и опытной технологиям, показывает (табл. 2), что использование опытного двухступенчатого режима гомогенизации слитков в сочетании с новым экспериментальным режимом старения листов по сравнению с серийной технологией позволяет получить более высокие значения относительного удлинения, вязкости разрушения, циклической долговечности и коррозионной стойкости.

Заключения

Установлено влияние режимов гомогенизационного отжига на структуру и параметры технологической пластичности плоских слитков из сплава В95оч, а также на зеренную структуру и комплекс служебных характеристик листов, полученных из этих слитков.

Наиболее высокие показатели технологической пластичности (δ = 90–100 %) в температурном интервале деформации 350–430 °С отмечены для слитков из сплава В95оч после гомогенизационного отжига по опытному двухступенчатому режиму 3. Такие значения относительного удлинения обусловлены уменьшением объемной доли неравновесных эвтектических первичных фаз кристаллизационного происхождения по границам дендритных ячеек с 6,7 % до 2,6 % после гомогенизационного отжига слитков. Кроме того, на этот процесс влияет формирование более мелких вторичных частиц дисперсоидов (Т-фазы) протяженностью до 200 нм. При этом в слитке, гомогенизированном по стандартному режиму 1, наблюдаются частицы протяженностью до 500 нм.

Проведенные исследования показали, что опытный двухступенчатый режим гомогенизации слитков из сплава В95оч в сочетании с новым экспериментальным режимом старения листов обеспечивает более высокие значения характеристик усталостной долговечности, трещиностойкости (вязкости разрушения) и коррозионной стойкости при сопоставимом уровне прочностных характеристик. Кроме того, уменьшается средний размер зерна по сравнению с листами, полученными по серийной технологии (гомогенизация слитков по одноступенчатому режиму и упрочняющая термическая обработка листов по режиму Т2).