Введение

Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 10.8. «Технологии сварки плавлением новых конструкционных материалов» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [1].

Повышение весовой эффективности изделий авиационной техники является актуальной задачей и может быть достигнуто путем разработки и применения новых перспективных материалов и технологии их неразъемного соединения, самой распространенной из которых является сварка. Во ФГУП «ВИАМ» в последние годы разработаны новые алюминий-литиевые сплавы третьего поколения, такие как высокопрочные свариваемые сплавы В-1461 (Al–Cu–Li), содержащий цинк, и В-1469 (Al–Cu–Li), содержащий серебро. К сплаву В-1461 предъявляются основные требования по высокому уровню ресурсных характеристик и сохранению высокой прочности и пластичности в широком интервале рабочих температур от -250 до +160°С. Он предназначен для применения в виде листов, плит и прессованых профилей для обшивки и внутреннего силового набора фюзеляжа современных самолетов различного назначения. Сплав В-1469 рекомендован для элементов, работающих на сжатие длительно во всех климатических условиях до температуры 150°С (верхние поверхности крыла, лонжероны, балки, стрингеры и другие детали фюзеляжа). Применение данных сплавов в сварных конструкциях позволит снизить массу изделий на 10–15% по сравнению с клепаными [2–5]. Изготовление крупногабаритных сварных конструкций из высокопрочных алюминий-литиевых сплавов связано с большими сложностями вследствие их склонности к образованию горячих трещин, пористости, а также разупрочнению под воздействием термического цикла сварки плавлением (σ_в.св≤0,6σ_в) [3–8].

Повысить эксплуатационные характеристики сварных соединений этих сплавов возможно благодаря применению новых присадочных материалов. Известно, что эффективность действия модификатора по мере увеличения его концентрации исчерпывается при определенном его содержании в сплаве. Дальнейшее увеличение содержания модификатора сверх этого предела нецелесообразно из-за образования грубых выделений интерметаллидов, не участвующих в процессе измельчения зерна. Поэтому необходимо комплексное модифицирование одновременно несколькими модификаторами, образующими соединения, не способные к взаимному объединению и коагуляции [9].

Наиболее перспективным направлением легирования алюминиевых сплавов является введение компонентов из переходных групп – Mn, Zr, Ti, редких (РМ) и редкоземельных металлов (РЗМ). Уменьшение склонности к образованию горячих трещин, повышение прочности и пластичности алюминиевого сплава связано с измельчением зерна, полным или частичным подавлением процессов рекристаллизации в сплаве, с непосредственным упрочняющим воздействием частиц дисперсоидов. Снижение склонности к трещинообразованию в этом случае достигается за счет понижения температуры перехода от жидко-твердого состояния к твердожидкому, т. е. понижения верхней границы температурного интервала хрупкости (ТИХ) и таким образом сужения диапазона его значений, а также снижения температуры начала линейной усадки и уменьшения напряжений в шве к моменту завершения кристаллизации. В последние годы Американской алюминиевой ассоциацией зарегистрирован ряд сплавов (марки 2039, 2094, 2095, 2195, 7009), легированных серебром. Серебро хорошо растворяется в алюминии (0,6–0,7% (по массе) при комнатной температуре), образуя два интерметаллидных соединения Ag₃Al и Ag₂Al, обеспечивающих значительный модифицирующий эффект и повышение прочностных характеристик алюминиевого сплава [10–17].

Модифицирующее действие различных легирующих металлов в конечном счете должно определяться их реакционной способностью, выражаемой критерием степени неоднородности d-электронных оболочек. В качестве такого критерия использована величина 1/Nn (где N – главное квантовое число d-оболочки; n – число электронов на d-оболочке), которая получила название акцепторной способности d-электронной оболочки атома переходного металла. Чем больше акцепторная способность атомов легирующего компонента, тем более активно он взаимодействует с Al и, следовательно, тем более сильным модификатором является. Самые эффективные модификаторы – Sc, Ti, Zr, Hf. Чем круче идет линия ликвидус на диаграмме состояния «алюминий–модифицирующий элемент», тем более эффективным модификатором он является [18].

В настоящее время в качестве присадочного материала для сварки высокопрочных алюминий-литиевых сплавов в России используются сплавы системы Al–Cu марок Св-1201, Св-1207 и Св-1217, а за рубежом – сплав той же системы марки 2319. Однако они не обеспечивают получения оптимального сочетания характеристик прочности, пластичности и стойкости к образованию горячих трещин в сварном соединении. Таким образом, учитывая значительное влияние РМ и РЗМ на свойства алюминиевых сплавов, целесообразно введение их в состав присадочных материалов для сварки высокопрочных алюминий-литиевых сплавов системы Al–Cu–Li [19].

Материалы и методы

Исследования проводили на листовых полуфабрикатах высокопрочных алюминий-литиевых сплавов В-1461 (толщина 2,5 мм) и В-1469 (толщина 2,2 мм). Стойкость к образованию горячих трещин оценивалась по методике МГТУ им. Н.Э. Баумана на специальной установке ЛТП 1-6. Критерием количественной оценки технологической прочности металла по данной методике служит величина критической скорости деформации растяжения V_кр металла шва в процессе кристаллизации, при которой в нем начинают возникать горячие трещины. Методы исследования и геометрические размеры образцов для определения механических характеристик (σ_в, α, KCU) сварных соединений соответствуют ГОСТ 6996–66. Испытания по определению малоцикловой усталости сварных соединений проводили согласно ГОСТ 25.502–79, исследования микроструктуры – с помощью сканирующего электронного микроскопа Verios 460, конфокального лазерного сканирующего микроскопа Olympus Lekst OLS3100. Фрактографический анализ изломов проводили с помощью растрового электронного микроскопа JSM-6490LV (фирмы Jeol).

Результаты

Для исследования влияния состава присадочного материала на механические свойства и склонность к образованию горячих трещин высокопрочных алюминий-литиевых сплавов В-1461 и В-1469, а также на основании анализа научных литературных данных выбраны экспериментальные композиции присадочных материалов для сварки, содержащие: Cu, Mn, Sc, Ti, Zr, Hf, Ce, Nd, Y, Dy, Ag.

Выбраны технологические параметры процессов плавки и литья экспериментальных составов присадочных материалов на основе системы Al–Cu, легированных РЗМ, обеспечивающие защиту расплава от окисления, дегазацию и снижение вероятности образования крупных интерметаллидных фаз. С использованием выбранных параметров технологических процессов плавки, литья и последующей пластической деформации изготовлены присадочные материалы 10 выбранных экспериментальных составов.

Горячие трещины являются недопустимым дефектом при сварке плавлением алюминиевых сплавов. Поэтому при исследовании свариваемости какого-либо материала в первую очередь оценивают его стойкость к образованию горячих трещин. Существует большое количество специальных проб для количественной оценки технологической прочности сплавов («рыбий скелет», крестовая проба, кольцевая проба и др.). В данной работе выбрана методика оценки трещиностойкости МГТУ им. Н.Э. Баумана, так как она предусматривает использование автоматической аргоно-дуговой сварки (ААрДЭС) на специальной установке ЛТП 1-6 вместо ручной.

Исследовано влияние составов экспериментальных присадочных материалов на стойкость к образованию горячих трещин высокопрочных алюминий-литиевых сплавов В-1461 и В-1469. Сварку проводили с использованием присадочных материалов экспериментальных составов (1–10) и серийной присадочной проволоки марки Св-1201 (табл. 1).

Таблица 1

Результаты испытаний на стойкость к образованию горячих трещин
сплавов В-1461 и В-1469

Из данных табл. 1 видно, что наибольшей стойкости к образованию горячих трещин при сварке высокопрочных алюминий-литиевых сплавов удалось достичь путем применения присадочных материалов, содержащих 6 и 10% Cu с добавлением РЗМ (Sc, Nd), Hf и Ag.

Для дальнейших исследований влияния состава присадочного материала на механические свойства и структуру сварных соединений проведена ААрДЭС стыковых заготовок листовых полуфабрикатов сплавов В-1461 и В-1469. Для сварки использовали экспериментальные присадочные материалы, легированные РЗМ, благодаря которым удалось достичь максимальных значений V_кр, и серийная сварочная проволока марки Св-1201.

Проведены испытания сварных соединений листовых заготовок сплавов В-1461 и В-1469 (табл. 2). Анализ механических свойств показал, что максимальная прочность и минимальное разупрочнение при удовлетворительных показателях ударной вязкости и пластичности сварных соединений обоих сплавов достигается при использовании экспериментальной присадочной проволоки, содержащей 10% Cu с добавками Sc, Hf и Nd.

Таблица 2

Механические свойства сварных соединений сплавов В-1461 и В-1469

  * Центр шва.

** Зона сплавления.

Металлографические исследования показали, что в сварных соединениях отсутствуют дефекты типа пор, оксидных включений и трещин, характерные для сварки плавлением высокопрочных алюминий-литиевых сплавов. Максимальный размер зерна характерен для швов, выполненных серийной присадкой Св-1201, в которой содержится 6% Сu, Ti и Zr. Величина зерна в швах, выполненных с этой присадкой, составляет 50–90 мкм (рис. 1, а). Введение в состав присадочных материалов РЗМ (Sc, Nd) и Hf приводит к измельчению дендритной структуры шва (рис. 1, б), размер зерна в этом случае составляет от 5 до 25 мкм.

Рис. 1. Микроструктура шва сварного соединения сплава В-1469, выполненного ААрДЭС:

а – центр шва с присадкой Св-1201; б – центр шва с присадкой, легированной РЗМ

Анализ результатов испытаний на малоцикловую усталость (МЦУ) показал, что применение присадочных проволок экспериментальных составов позволило повысить значения МЦУ сварных соединений по сравнению со сварочной проволокой Св-1201 (табл. 3). Для исследования характера разрушения образцов при испытании на МЦУ проведен фрактографический анализ, который показал, что изломы сварных образцов, полученных с присадками, легированными РЗМ, характеризуются большей локальной пластичностью, отсутствием сварочных дефектов и формированием ямочного рельефа с наличием мелких интерметаллидных фаз, содержащих частицы РМ и РЗМ (рис. 2).

Таблица 3

Малоцикловая усталость сварных соединений сплавов В-1461 и В-1469

Методом растровой электронной микроскопии проведено исследование влияния химического состава присадочного материала на распределение упрочняющих фаз в шве и зоне сплавления сварных соединений сплавов В-1461 и В-1469, выполненных ААрДЭС с использованием экспериментальных присадочных материалов, легированных РЗМ. Установлено, что интерметаллидные фазы, содержащие Nd, Hf , Ti и Sc, распределяются в основном в материале шва, при этом в зоне сплавления присутствие этих частиц не зафиксировано (рис. 3).

Рис. 2. Строение излома сварных соединений, выполненных с присадочным материалом, легированным РЗМ,

сплавов В-1461 (а) и В-1469 (б)

Рис. 3. Микроструктуры зоны сплавления (а, в) и центра шва (б, г) сплавов В-1461 (а, б) и
В-1469 (в, г)

Рис. 4. Микроструктуры частиц, содержащих Nd (а) и Hf, Ti и Sc (б)

Установлены размеры и форма частиц, содержащих РЗМ:

– интерметаллиды, содержащие Nd, – частицы неправильной или прямоугольной формы размером ~10 мкм, также встречаются одиночные частицы размером ~30 мкм;

– интерметаллиды, содержащие Hf, Ti и Sc, – частицы округлой формы размером 5–20 мкм (рис. 4).

Обсуждение и заключение

Таким образом, показано, что легирование присадочных материалов РМ и РЗМ (Sc, Nd, Hf) обеспечивает измельчение дендритной структуры и уменьшение размера зерна, что позволяет повысить значение стойкости к образованию горячих трещин, а также механические свойства (особенно МЦУ) сварных соединений высокопрочных алюминий-литиевых сплавов В-1461 и В-1469 по сравнению с показателями, полученными при применении серийной присадочной проволоки Св-1201.

Полученные результаты показывают перспективность использования присадочных материалов, легированных РМ и РЗМ, для изготовления сварных конструкций, выполненных сваркой плавлением (аргоно-дуговой, лазерной, гибридной).