Статьи

 




dx.doi.org/ 10.18577/2307-6046-2017-0-2-1-1
УДК 699.715
А. А. Селиванов, Е. А. Ткаченко, О. И. Попова, В. В. Бабанов
ВЫСОКОПРОЧНЫЙ АЛЮМИНИЕВЫЙ ДЕФОРМИРУЕМЫЙ СВАРИВАЕМЫЙ СПЛАВ В-1963 ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ СИЛОВОГО НАБОРА ИЗДЕЛИЙ СОВРЕМЕННОЙ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ

Высокопрочный сплав В-1963 системы Al–Zn–Mg–Cu с малыми добавками циркония, скандия и серебра, разработанный во ФГУП «ВИАМ», предназначен для массивных сильно нагруженных деталей (типа шпангоутов, фитингов, балок и др.) внутреннего набора планера изделий современной авиакосмической техники. Легирование сплава В-1963 серебром и скандием позволило одновременно повысить прочностные характеристики (на 10–20%) и сопротивление усталости (в 1,8–2,3 раза) по сравнению с серийными отечественными и зарубежными сплавами. В отличие от других высокопрочных сплавов системы Al–Zn–Mg–Cu сплав В-1963 обладает улучшенными характеристиками свариваемости по сравнению с аналогичными сплавами без серебра, а также имеет приемлемый уровень характеристик коррозионной стойкости.

В рамках федеральных целевых программ во ФГУП «ВИАМ» и реализации комплексного научного направления 8.1. «Высокопрочные свариваемые алюминиевые и алюминий-литиевые сплавы пониженной плотности с повышенной вязкостью разрушения» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [1, 2], при участии специалистов ОАО «КУМЗ» разработаны опытно-промышленные технологии изготовления (плавки и литья слитков, деформации и термической обработки) кованых, прессованных и катаных полуфабрикатов, проведены исследования комплекса свойств полуфабрикатов, выпущена нормативная документация на поковки, штамповки, прессованные полосы, плиты и сварные соединения из сплава В-1963.


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 Kα-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

Содержание элементов, % (по массе)

Al

Zn+Mg+Cu

Zr+Sc

Ag

Fe

Si

Основа

11,8

0,25

0,1

<0,05

<0,05

 

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 (Al3ScxZr1-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 (σв=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)

Полуфабрикат

(состояние)

Толщина,

мм

Направление
вырезки образца

σв

σ0,2

δ,

%

МПа

Поковки (Т2)

До 100

Д

В

580

550

540

520

12

5

Штамповки (Т12)

До 100

Д

В

590

530

560

510

15

4

Прессованные полосы (Т12)

40–70

Д

В

620

600

590

570

11

4

Катаные плиты (Т2)

100

Д

В

580

540

550

520

9

3,5

 

 

Таблица 3

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

Вид полуфабриката

(состояние)

Направление вырезки

образца

K1с,

МПа

СРТУ: dl/dN, мм/кцикл

(при DK=18,8/31 МПа )

МЦУ: Nср, кцикл

(при Kt=2,6; R=0,1;

σmax=157 МПа)

Поковки (Т2)

Д

В

34

22

0,98*/3,3

250

Штамповки (Т12)

Д

В

37

26

0,6/2,3

255

Прессованные полосы (Т12)

Д

В

38

0,8/2,5

260

Катаные плиты (Т2)

Д

В

37

22

0,85/3,46

237

* DK=21 МПа

 

 

 

Таблица 4

Коррозионные свойства полуфабрикатов из сплава В-1963

Полуфабрикат

(состояние)

Склонность к коррозии

межкристаллитной, мм

расслаивающей, балл (не более)

под напряжением

(при испытании >90 сут)
σ, МПа (не менее)

Поковки (Т2)

0,20

1–2

120

Штамповки (Т12)

0,14

3

120

Прессованные полосы (Т12)

Нет

3

120

Катаные плиты (Т2)

0,10

3

150

 

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 (K1с) – на 10–15%, по малоцикловой усталости (МЦУ) – в ~2 раза;

– из зарубежного сплава 7050-Т7452: по прочностным свойствам – на 15–20%, по вязкости разрушения (K1с) – 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: σв.свв≥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 (σв.св≥0,8σв).

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.


ЛИТЕРАТУРА REFERENCE LIST
1. Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3–33. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33.
2. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7–17.
3. Авиационные материалы: справочник в 13 т.; 7-е изд., перераб. и доп. /под общ. ред. Е.Н. Каблова. М.: ВИАМ, 2008. Т. 4, кн. 1. 263 с.
4. Каблов Е.Н. Авиационное материаловедение: итоги и перспективы // Вестник Российской академии наук. 2002. Т. 72. №1. С. 3–12.
5. Антипов В.В., Сенаторова О.Г., Ткаченко Е.А., Вахромов Р.О. Алюминиевые деформируемые сплавы // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 167–182.
6. Алюминиевые сплавы в авиакосмической технике / под общ. ред. Е.Н. Каблова. М.: Наука, 2001. 192 с.
7. Давыдов В.Г., Елагин В.И., Захаров В.В., Ростова Т.Д. О легировании алюминиевых сплавов добавками скандия и циркония // МиТОМ. 1996. №8. С. 25–30.
8. Tkachenko E.A., Fridlyander I.N., Matveyets E.N., Kaigorodova L.I. The effect of rare earth metal minor addition on structure and properties of Al–Zn–Mg–Cu alloy // Proceed. ICAA6. Toyohashi, Japan. 1998. Vol. 3. P. 2049–2054.
9. Кайгородова Л.И., Сельнихина E.И., Ткаченко E.А., Сенаторова О.Г. Влияние малых добавок скандия и циркония на структуру и механические свойства сплава Al–Zn–Mg–Cu // ФММ. 1996. Т. 81. Вып. 5. С. 78–86.
10. Polmer I.J. Nucliation from Supersaturated Solid Solution // The Journal of the Australian Institute of Metals. 1966. Vol. 11. No. 14. P. 246.
11. Фридляндер И.Н., Добромыслов А.В., Ткаченко Е.А., Сенаторова О.Г. Перспективные высокопрочные материалы на алюминиевой основе // МиТОМ. 2005. №7. С. 17–23.
12. Высокопрочный сплав на основе алюминия и изделие, выполненное из этого сплава: пат. 2233902 Рос. Федерация; опубл. 10.08.04.
13. Высокопрочный сплав на основе алюминия и способ получения изделия из него: пат. 2443793 Рос. Федерация; опубл. 08.10.10.
14. Ogura Т., Hirosawa S., Sato T. Quantitative Analysis of the Vicinity of Grain Boundaries with Precipitate Free Zones in Al–Zn–Mg(–Ag) Alloys // Proceed. ICAA9. Australia. 2004. P. 1061–1066.
15. Vakhromov R.O., Antipov V.V., Tkachenko E.A. Research and Development of High-strength of Al–Zn–Mg–Cu Alloys // Proc. of ICAA-13. Pittsburg. USA. 2012. P. 1515–1520.
16. Скорняков В.И., Антипов В.В. Инновационный характер сотрудничества ОАО «КУМЗ» и ФГУП «ВИАМ» // Авиационные материалы и технологии. 2012. №2. С. 11–14.
17. Каблов Е.Н., Лукин В.И., Жегина И.П., Иода Е.Н., Лоскутов В.М. Особенности и перспективы сварки алюминийлитиевых сплавов // Авиационные материалы и технологии. 2002. №4. С. 3–12.
18. Ерасов В.С., Яковлев Н.О., Нужный Г.А. Квалификационные испытания и исследования прочности авиационных материалов // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 440–448.
1. Kablov E.N. Innovacionnye razrabotki FGUP «VIAM» GNC RF po realizacii «Strategicheskih napravlenij razvitiya materialov i tehnologij ih pererabotki na period do 2030 goda» [Innovative developments of FSUE «VIAM» SSC of RF on realization of «Strategic directions of the development of materials and technologies of their processing for the period until 2030»] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2015. №1 (34). S. 3–33. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33.
2. Kablov E.N. Strategicheskie napravleniya razvitiya materialov i tehnologij ih pererabotki na period do 2030 goda [The strategic directions of development of materials and technologies of their processing for the period to 2030] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 7–17.
3. Aviacionnye materialy: spravochnik v 13 t.; 7-e izd., pererab. i dop. /pod obshh. red. E.N. Kablova [Aviation materials: the directory in 13 vol.; 7th ed., corr. and add. / gen. ed. by E.N. Kablov]. M.: VIAM, 2008. T. 4, kn. 1. 263 s.
4. Kablov E.N. Aviacionnoe materialovedenie: itogi i perspektivy [Aviation materials science: results and perspectives] // Vestnik Rossijskoj akademii nauk. 2002. T. 72. №1. S. 3–12.
5. Antipov V.V., Senatorova O.G., Tkachenko E.A., Vahromov R.O. Alyuminievye deformiruemye splavy [Aluminum deformable alloys / gen. ed. by E.N. Kablov] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 167–182.
6. Alyuminievye splavy v aviakosmicheskoj tehnike / pod obshh. red. E.N. Kablova [Aluminum alloys in aerospace equipment / gen ed. by E.N. Kablov]. M.: Nauka. 2001. 192 s.
7. Davydov V.G., Elagin V.I., Zaharov V.V., Rostova T.D. O legirovanii alyuminievyh splavov dobavkami skandiya i cirkoniya [About alloying of aluminum alloys scandium and zirconium additives] // MiTOM. 1996. №8. S. 25–30.
8. Tkachenko E.A., Fridlyander I.N., Matveyets E.N., Kaigorodova L.I. The effect of rare earth metal minor addition on structure and properties of Al–Zn–Mg–Cu alloy // Proceed. ICAA6. Toyohashi, Japan. 1998. Vol. 3. P. 2049–2054.
9. Kajgorodova L.I., Selnihina E.I., Tkachenko E.A., Senatorova O.G. Vliyanie malyh dobavok skandiya i cirkoniya na strukturu i mehanicheskie svojstva splava Al–Zn–Mg–Cu [Influence of small additives of scandium and zirconium on structure and mechanical properties of alloy of Al-Zn-Mg-Cu] // FMM. 1996. T. 81. Vyp. 5. S. 78–86.
10. Polmer I.J. Nucliation from Supersaturated Solid Solution // The Journal of the Australian Institute of Metals. 1966. Vol. 11. No. 14. P. 246.
11. Fridlyander I.N., Dobromyslov A.V., Tkachenko E.A., Senatorova O.G. Perspektivnye vysokoprochnye materialy na alyuminievoj osnove [Perspective high-strength materials on aluminum basis] // MiTOM. 2005. №7. S. 17–23.
12. Vysokoprochnyj splav na osnove alyuminiya i izdelie, vypolnennoe iz etogo splava: pat. 2233902 Ros. Federaciya [High-strength alloy on the basis of aluminum and the product executed from this alloy: pat. 2233902 Rus. Federation]; opubl. 10.08.04.
13. Vysokoprochnyj splav na osnove alyuminiya i sposob polucheniya izdeliya iz nego: pat. 2443793 Ros. Federaciya [High-strength alloy on the basis of aluminum and way of receiving product from it: pat. 2443793 Rus. Federation]; opubl. 08.10.10.
14. Ogura Т., Hirosawa S., Sato T. Quantitative Analysis of the Vicinity of Grain Boundaries with Precipitate Free Zones in Al–Zn–Mg(–Ag) Alloys // Proceed. ICAA9. Australia. 2004. P. 1061–1066.
15. Vakhromov R.O., Antipov V.V., Tkachenko E.A. Research and Development of High-strength of Al–Zn–Mg–Cu Alloys // Proc. of ICAA-13. Pittsburg. USA. 2012. P. 1515–1520.
16. Skornyakov V.I., Antipov V.V. Innovacionnyj harakter sotrudnichestva OAO «KUMZ» i FGUP «VIAM» [Innovative nature of cooperation of JSC «KUMZ» and FSUE «VIAM»] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №2. S. 11–14.
17. Kablov E.N., Lukin V.I., Zhegina I.P., Ioda E.N., Loskutov V.M. Osobennosti i perspektivy svarki alyuminijlitievyh splavov [Features and perspectives of welding of alyuminiylitiyevy alloys] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2002. №4. S. 3–12.
18. Erasov V.S., Yakovlev N.O., Nuzhnyj G.A. Kvalifikatsionnye ispytaniya i issledovaniya prochnosti aviatsionnyh materialov [Qualification tests and researches of durability of aviation materials] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 440–448.
Вы можете оставить комментарий к статье. Для этого необходимо зарегистрироваться на сайте.