Новый сплав системы Al–Cu–Mn для изделий космической техники

Введение

    С развитием ракетно-космической техники к выбору материала предъявляются следующие требования:

– сплав должен иметь достаточный уровень прочностных и ресурсных характеристик;

– высокая технологичность и энергосбережение при металлургическом производстве – возможность получения различных видов полуфабрикатов;

– технологичность при изготовлении деталей и сборке различных узлов конструкции, в том числе с применением сварки – один из наиболее высокопроизводительных и экономичных методов создания неразъемных соединений, который позволяет производить элементы конструкций, наиболее рациональные по формам и размерам, что делает их ремонтопригодными;

– сплав не должен содержать высокотоксичных компонентов (кадмий, свинец, ртуть, бериллий), которые испаряются при сварке [1–3].

На протяжении многих лет как в России, так и за рубежом, в конструкции изделий космической техники, где необходимо сочетание повышенных прочностных характеристик как при комнатной, повышенных, так и при криогенных температурах, успешно применяются полуфабрикаты из сплавов системы Al–Cu–Mn с дополнительными микродобавками. Эти сплавы хорошо свариваются всеми видами сварки и имеют достаточно высокий уровень прочностных характеристик при температуре жидкого водорода, что позволяет использовать их в изделиях, работающих при криогенных температурах [4–7]. В отечественном производстве для этих целей традиционно применяется сплав 1201, из которого изготовлены сварные топливные баки ракеты «Протон-М» и сварная кабина пилотов корабля «Буран». За рубежом применяется сплав-аналог марки 2219. Эти сплавы при понижении температуры вплоть до температуры жидкого водорода или гелия не только не охрупчиваются, а, наоборот, упрочняются [8; 9; 10, С. 12; 11; 12; С. 175‒183] (рис. 1).

Рис. 1. Металлические материалы в конструкции корабля «Буран»

    Совершенствование изделий космической техники и расширение диапазона выполняемых ими задач влекут за собой необходимость создания новых сплавов, имеющих наилучшее сочетание повышенной прочности с хорошей свариваемостью, при возможности изготовления из них широкой номенклатуры полуфабрикатов [12, С. 13–14; 13].
   В связи с этим была поставлена задача разработать свариваемый сплав типа 1201 с повышенными характеристиками прочности. Специалистами ВИАМ разработан новый свариваемый деформируемый термоупрочняемый сплав В-1208 на базе системы Al–Cu–Mn с микродобавками Ag, Sc, Zr и др. К настоящему времени на серийном оборудовании ОАО «КУМЗ» освоено опытно-промышленное производство листов, а также поковок и прессованных профилей.

    Основной упрочняющей фазой в сплавах этой системы является Al₂Cu. Повышение механических характеристик, улучшение свариваемости, жаропрочности и коррозионной стойкости достигается путем выбора оптимального состава и комплексного легирования (Ag, Zr, Sc), а также за счет режимов деформации и термической обработки [14–16]. Добавки серебра в небольших количествах способствуют упрочнению при искусственном старении алюминиевых сплавов, воздействуя на состав и кристаллографические ориентировки упрочняющих фаз, выделяющихся в процессе искусственного старения. Кроме того, введение серебра позволяет повысить коррозионную стойкость [17]. Комплексное легирование серебром, цирконием и скандием алюминиевых сплавов приводит к улучшению их свариваемости, повышая прочность основного материала и сварного соединения, оказывая положительное влияние на трещиностойкость [18–23], при этом цирконий и скандий являются модификаторами литой структуры [24–28].

Материалы и методы

    В данной статье представлены результаты комплексных исследований структуры и свойств листов из сплава В-1208, изготовленных на промышленном металлургическом оборудовании ОАО «КУМЗ», а также свойства сварных соединений из них.

    При выборе химического состава нового сплава руководствовались данными, полученными при использовании программного комплекса Thermo-Calc (версия 4.0, база данных TТAL8). Для входных данных максимальные и минимальные значения концентраций легирующих компонентов выбирали по результатам патентных исследований, литературных научных данных и ранее проведенных исследований.

    Микроструктуру листов исследовали на шлифах размером 15×15 мм при помощи металлографического микроскопа Neophot 30, оснащенного цифровой камерой фирмы Olympus. Микрошлифы протравливали на установке для электролитической полировки и травления с использованием 2%-ного водного раствора борофторводородной кислоты (HBF) с одновременным пропусканием электрического тока (U=15–20 В,продолжительность от 3 до 6 мин, катод – свинец). Размер зерна определяли методом секущих.

    Исследования механических свойств при статических и динамических нагрузках, усталостных характеристик, вязкости разрушения, коррозионных свойств листов из сплава В-1208-Т1, оценка их свариваемости проведены в соответствии с действующими стандартами и методиками РФ.

Результаты и обсуждение

  Известно, что, для получения высоких механических свойств при комнатной температуре, жаропрочности, а также высокой сопротивляемости образованию кристаллизационных трещин при охлаждении, содержание меди в сплавах системы Al–Cu должно быть близким к предельной ее растворимости в алюминии. Марганец в пределах от 0,2 до 0,8% (по массе) повышает жаропрочность и тормозит рост зерна, однако присутствие его в количестве ˃0,4% (по массе) ухудшает свариваемость материала. На свариваемость материала сильное влияние оказывает примесь магния. Присутствие ее в сплаве ˃0,02% (по массе) резко снижает сопротивляемость материала кристаллизационным трещинам при сварке [29, С. 125–135].

  Для оценки влияния добавки Sc на механические свойства при растяжении при комнатной температуре проведены исследования листов двух партий – со скандием и без него (табл. 1). Значительный эффект повышения прочностных свойств наблюдается при использовании правки растяжением после закалки. В связи с этим проведена правка растяжением листов со степенью остаточной деформации от 2 до 3%, далее – искусственное старение, а затем определены механические свойства при растяжении в продольном направлении, минимальные значения которых приведены в табл. 1. Термическая обработка и правка растяжением листов проводились в лабораторных условиях.

Таблица 1

Механические свойства листов из сплава В-1208-Т1

   Исследования механических свойств показали, что наилучший уровень свойств имеют листы из сплава, легированного скандием, подвергнутые правке растяжением со степенью остаточной деформации 2–3%.

   Для выбора режима искусственного старения листов, обеспечивающего максимальный уровень прочности, проведено исследование влияния различных режимов на механические свойства (табл. 2). Закалка и правка растяжением (ε≈2%) проводились в цеховых условиях, искусственное старение – в лабораторных.

Таблица 2

Механические свойства листов из сплава В-1208-Т1

(закалка в цехе, искусственное старение в лаборатории)

   Как следует из полученных результатов, наилучшим уровнем механических свойств обладают листы после искусственного старения при температуре 160°С – предел прочности и условный предел текучести выше не менее чем на 25–35 МПа в сравнении с другими исследуемыми режимами.

   Микроструктура листов – рекристаллизованная, мелкозернистая с размером зерна 20–40 мкм (рис. 2).

Рис. 2. Микроструктура (×100) листов из сплава В-1208-Т1

    Критический коэффициент интенсивности напряжений в условиях плосконапряженного состояния () определен на образцах шириной 100 мм и составил 60 МПа.

    Проведены также испытания механических свойств при повышенных и отрицательных температурах (табл. 3).

Таблица 3

Механические свойства листов из сплава В-1208-Т1 при различных температурах

    При отрицательных температурах испытания прочностные свойства повышаются на 5–10%; при повышении температуры испытания от 125 до 175°С, монотонно снижаясь, – остаются на достаточно высоком уровне. Ударная вязкость при отрицательной температуре повышается на 6%.

   Определена статическая чувствительность листов к отверстию(σ_в.отв/σ_в) при растяжении при 20°С (K_t=2,6). Листы практически не чувствительны к концентратору, отношение σ_в.отв/σ_в составляет ~1.

    Механические свойства после эксплуатационных нагревов в течение 100 и 1000 ч при температуре 125°С (σ_в=460–470 МПа после выдержки в течение 100 ч, σ_в=455–460 МПа – после 1000 ч) находятся на уровне с исходными значениями, а при 150°С (σ_в=445–460 МПа – после 100 ч, σ_в=420–430 МПа – после 1000 ч) и 175°С (σ_в=415–425 МПа – после 100 ч, σ_в=390–395 МПа – после 1000 ч) незначительно снижаются.

    Исследования коррозионной стойкости листов показали следующие результаты: глубина межкристаллитной коррозии (МКК) – до 0,16 мм, расслаивающая коррозия (РСК): 3 балл. При определении склонности к коррозионному растрескиванию (КР) на установке «Сигнал» образцы простояли ˃45 сут без разрушения при напряжении 270 МПа в поперечном направлении относительно оси прокатки.

   Исследована свариваемость листов из сплава В-1208-Т1. Сварку проводили поперек направления прокатки листа. Сплав хорошо сваривается автоматической аргоно-дуговой сваркой (ААрДЭС) и сваркой трением с перемешиванием (СТП). ААрДЭС осуществляется с применением присадочной проволоки Св-1201. Прочность сварных соединений после различных режимов термической обработки приведена в табл. 4.

Таблица 4

Свойства сварных соединений листов из сплава В-1208

   Исследования показали, что применение дополнительной термической обработки (искусственного старения) после сварки повышает прочностные свойства сварных соединений, при сохранении характеристик пластичности (α) и ударной вязкости на достаточно высоком уровне.

Рис. 3. Микроструктура сварных соединений листов из сплава В-1208:

а – ААрДЭС, ×200; б – СТП, ×50

   На рис. 3 представлена микроструктура сварных соединений листов, выполненных ААрДЭС (рис. 3, а) и СТП (рис. 3, б). В сварных соединениях отсутствуют дефекты. Из-за больших скоростей охлаждения наблюдается резкий переход от сварного шва к основному металлу.

   Листы из сплава В-1208-Т1 превосходят листы из отечественного 1201-Т1 и зарубежного 2219-Т8 (США) сплавов-аналогов по прочностным и пластическим характеристикам (табл. 5).

Таблица 5

Сравнительные характеристики листов из сплавов В-1208-Т1, 1201-Т1, 2219-Т8

Заключение

    Разработан новый сплав В-1208-Т1 системы Al–Cu–Mn. Отмечена его высокая технологическая пластичность при промышленном изготовлении полуфабрикатов. К настоящему времени на серийном оборудовании ОАО «КУМЗ» освоено опытно-промышленное производство листов, а также поковок и прессованных профилей.

    Листы из сплава В-1208-Т1, дополнительно легированного Ag, Sc и Zr, имеют повышенные прочностные характеристики как основного материала, так и сварного соединения, по сравнению с серийными сплавами-аналогами (1201-Т1, 2219-Т8). Правка растяжением после закалки способствует повышению прочностных характеристик, практически не снижая пластичности.

    Сплав В-1208-Т1 сваривается основными методами сварки ААрДЭС и СТП. Прочность сварных соединений при 20°С составляет 0,7–0,8 от прочности основного металла.

    Листы из сплава В-1208-Т1 обладают высокими прочностными характеристиками при комнатной, повышенных и отрицательных температурах и рекомендуются к применению для сварных и несварных конструкций (топливные баки) изделий космической техники, работающих длительно в интервале температур от -196 до +150°С, кратковременно – до +175°С, взамен аналогичных полуфабрикатов из сплава 1201-Т1, что позволит повысить прочность и надежность конструкции.

    Авторы статьи выражают благодарность ведущему инженеру ВИАМ Е.Н. Иоде, а также специалистам ОАО «КУМЗ» Б.В. Овсянникову и В.И. Попову, которые внесли неоценимый вклад в проведенную работу.