Высокопрочный алюминиевый деформируемый свариваемый сплав В-1963 для деталей силового набора изделий современной авиационной техники

Введение

Одним из перспективных направлений, ориентированных на улучшение комплекса свойств алюминиевых сплавов, является разработка новых систем легирования с использованием микродобавок переходных и редкоземельных металлов. Немаловажную роль также играет изыскание способов получения регламентированной структуры сплавов для достижения требуемого комплекса свойств.

В настоящее время с целью получения высокого уровня прочностных свойств и сопротивления усталости, повышения температуры рекристаллизации и измельчения зеренной структуры алюминиевых сплавов широко используется легирование комплексной добавкой скандия и циркония, которая (в отличие от циркония) обладает более сильным модифицирующим и антирекристаллизационным эффектами. Цирконий в этом случае позволяет значительно снизить концентрацию скандия в сплаве (менее 0,2% (по массе)) при сохранении высокого модифицирующего воздействия последнего [3–6].

Роль серебра в алюминиевых сплавах изучена в меньшей степени по сравнению с добавками скандия и циркония, однако известно, что введение серебра в количестве 0,1–0,2% (по массе) 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 [7–10].

При разработке композиции сплава проведено всестороннее исследование формирования тонкой структуры полуфабрикатов в зависимости от содержания 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 уделено поиску экономного варианта легирования этими микродобавками, обеспечивающего эффективное улучшение требуемого комплекса свойств. В результате исследований во ФГУП «ВИАМ» разработан высокопрочный сплав В-1963 [11–13] на основе системы Al–Zn–Mg–Cu c микродобавками серебра, скандия и циркония.

Материалы и методы

Исследованы опытно-промышленные полуфабрикаты, изготовленные на серийном оборудовании ОАО «КУМЗ», а также сварные соединения плит толщиной 100 мм из сплава В-1963.

Металлографический анализ исследуемых образцов проводили на микроскопе Olympus GX51, исследование остаточных напряжений на поверхности плит – на анализаторе остаточных напряжений PSF-3M фирмы Rigaku рентгеновским методом в Cr K_α-излучении, механических свойств и усталостных характеристик – на оборудовании фирмы Zwick/Roell (модели машин: Z100 и Z400 соответственно).

Определение механических свойств, усталостных характеристик, коррозионных свойств полуфабрикатов из сплава В-1963, а также оценку их свариваемости проводили в соответствии с действующими стандартами и методиками РФ.

Результаты и обсуждение

В данной работе 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 системы Al–Zn–Mg–Cu с легирующими микродобавками скандия, циркония и серебра (табл. 1).

Таблица 1

Химический состав сплава В-1963

Типичная микроструктура сплава В-1963 представлена на рис. 1 (а, б). Деформированные полуфабрикаты из этого сплава имеют субзеренную структуру со средним размером субзерен 2–4 мкм (рис. 1, в). Особенностью структуры исследованных образцов является образование в них дисперсоидов – вторичных частиц β'-фазы (Al₃Sc_xZr_1-x), когерентно связанных с матрицей (рис. 1, г). Хотя на границах субзерен дисперсоиды не были обнаружены, присутствие этих частиц в сплаве обеспечивает сильный антирекристаллизационный эффект в полуфабрикатах из сплава В-1963 [14, 15].

Рис. 1. Типичная структура сплава В-1963:

а – микроструктуры плиты в поляризованном свете; б – микроструктура прессованной полосы; в – светлопольное изображение зеренной структуры штамповки; г – выделения дисперсоида β'-фазы в структуре поковки

При разработке режимов термической обработки 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 бо́льшая объемная плотность частиц упрочняющей η'-фазы (MgZn₂), 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 у́же, 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 со свойствами серийных сплавов системы Al–Zn–Mg–Cu).

В качестве заготовок для получения сложнопрофильных деталей (шпангоутов, фитингов и т. п.) используют поковки, штамповки, прессованные полосы и катаные плиты. Производство этих полуфабрикатов из высокопрочного сплава В-1963 освоено в условиях ОАО «КУМЗ» [16].

В процессе освоения производства опытно-промышленных полуфабрикатов из сплава В-1963 в условиях металлургического завода, разработаны технологии получения слитков: цилиндрических (диаметром до 390 мм) и плоских (размером 300×1100 мм), а также 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 табл. 2–4. Видно, что наиболее высоким уровнем прочностных характеристик (σ_в=590–620 МПа) обладают прессованные полосы и штамповки, состаренные по трехступенчатому режиму Т12. После старения по этому режиму получены также и более высокие показатели трещиностойкости (СРТУ) и усталостной долговечности (МЦУ). Коррозионные свойства всех видов полуфабрикатов близки между собой.

Таблица 2

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

Таблица 3

Характеристики трещиностойкости и усталости полуфабрикатов
из сплава В-1963 (средние значения)

* DK=21 МПа

Таблица 4

Коррозионные свойства полуфабрикатов из сплава В-1963

Следует отметить, что массивные плиты (толщиной 100 мм, рис. 2) 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 них снимаются остаточные (закалочные) напряжения. Это позволяет избежать поводок и коробления при последующем изготовлении из плит (путем механической обработки) сложноконтурных деталей и приводит к снижению общей трудоемкости процесса. Устранение остаточных (закалочных) напряжений в поковках путем обжатия со степенью деформации 1,5–5% технологически более сложная операция.

Рис. 2. Плиты из сплава В-1963

Свойства штамповок из сплава В-1963 в состоянии Т12 в сравнении с полуфабрикатами из других высокопрочных отечественных и зарубежных сплавов (аналоги по применению) приведены на рис. 3. Видно, что по характеристикам штамповки из сплава В-1963 в состоянии Т12 превосходят уровень свойств аналогичных полуфабрикатов:

– из отечественного сплава В93п.ч. в состоянии Т2: по прочностным характеристикам – на 22–24%, по вязкости разрушения (K_1с) – на 10–15%, по малоцикловой усталости (МЦУ) – в ~2 раза;

– из зарубежного сплава 7050-Т7452: по прочностным свойствам – на 15–20%, по вязкости разрушения (K_1с) – на 10–15%; по МЦУ – более чем в 2 раза.

Деформированные полуфабрикаты, используемые для изготовления сварных конструкций различными способами сварки, эффективно применяются в изделиях авиационной техники [16, 17]. Для этой цели разработаны и успешно применяются в производстве новые технологические процессы и аппаратура. Одним из достоинств сплава В-1963 является то, что он обладает высоким уровнем технологичности при сварке и прочности сварных соединений благодаря легированию его микродобавками циркония, скандия и серебра.

Рис. 3. Свойства опытно-промышленных штамповок толщиной до 100 мм

из сплава В-1963 и из серийных сплавов-аналогов

При исследовании микроструктуры сварных образцов из сплава В-1963, полученных с использованием различных режимов сварки трением с перемешиванием (СТП), установлено, что изменение режима сварки в выбранном диапазоне скоростей существенного влияния на структуру сварного шва не оказывает. Ввиду отсутствия расплавления и интенсивного перемешивания металла, находящегося в состоянии пластического течения, ядро сварного шва имеет мелкозернистую равноосную структуру (рис. 4) с размером зерна 5–10 мкм. В переходной зоне наблюдается увеличение размера зерна до 300–400 мкм. 

Рис. 4. Типичная микроструктура сварных соединений опытно-промышленных плит толщиной 100 мм из сплава В-1963:

а – общий вид; б – ядро сварного шва

Определены механические и коррозионные свойства сварных соединений из плит из сплава В-1963 в зависимости от режима СТП. Выбран режим СТП, обеспечивающий наиболее оптимальный уровень прочностных и коррозионных свойств сварного соединения: σ_в.св/σ_в≥0,83; угол изгиба 86 град; склонность к МКК: 0,06–0,16 мм (основной металл и околошовная зона); в сварном шве МКК отсутствует; склонность к РСК: 3–6 балла.

В условиях АО «Московский вертолетный завод им. М.Л. Миля» выполнено технологическое опробование процесса механической обработки изготовления деталей из массивных плит толщиной до 100 мм из сплава В-1963. По серийной технологии путем механической обработки из плит изготовлены детали, одна из которых показана на рис. 5. Опробование показало хорошую обрабатываемость резанием сплава и полное отсутствие коробления и поводок в полученных деталях.

Рис. 5. Деталь из плиты толщиной 100 мм из сплава В-1963

На изготовление и поставку полуфабрикатов (штамповок, поковок, прессованных полос и массивных плит) из сплава В-1963 разработана необходимая документация: технические условия, технологические рекомендации на все этапы технологического цикла (плавку и литье, деформацию, термическую обработку), паспорта, а также получены расчетные значения характеристик прочности, вязкости разрушения, усталостной долговечности для плит [18].

Заключения

Благодаря легированию сплава системы Al–Zn–Mg–Cu серебром и скандием совместно с цирконием одновременно повышаются прочностные характеристики (на 15–20%) и сопротивление усталости (в 1,8–2,3 раза) по сравнению со свойствами серийных отечественных и зарубежных сплавов-аналогов по применению при сохранении на высоком уровне показателей вязкости разрушения и коррозионной стойкости.

Сплав В-1963 обладает улучшенными характеристиками свариваемости по сравнению с аналогичными свойствами сплавов без серебра и скандия (σ_в.св≥0,8σ_в).

Сплав В-1963 в виде массивных кованых, прессованных и катаных полуфабрикатов рекомендуется для изготовления элементов силовых конструкций (типа шпангоутов, фитингов, балок и др.), применяемых в изделиях современной авиационной техники, а также в изделиях космической техники и транспорта с целью обеспечения весового совершенства конструкций, их повышенных надежности и ресурса.