Введение

Постоянно растущий интерес к применению алюминиевых сплавов в транспортном машиностроении и расширение областей их применения в авиационных конструкциях связаны с комплексом ценных свойств этих сплавов, среди которых следует отметить прочностные характеристики в сочетании с малой плотностью и высокой коррозионной стойкостью, хорошую технологичность в процессе литья, деформации, формообразования и механической обработки. Возможность соединения алюминиевых деталей с помощью сварки, пайки, склеивания, клепки и других механических способов, способность к нанесению защитных и декоративных покрытий сделали алюминиевые сплавы основным материалом в различных конструкциях.

С развитием машиностроения и авиационно-космической техники к алюминиевым сплавам предъявляются все более жесткие требования:

– высокая технологичность при изготовлении различных видов полуфабрикатов при металлургическом производстве и деталей из них, что способствует сокращению операционных и температурно-временны́х циклов изготовления изделий, а также сборки узлов конструкции;

– хорошая свариваемость;

– отсутствие в составе дорогостоящих, редкоземельных легирующих элементов и высокотоксичных компонентов, которые попадают в воздушную атмосферу в процессе обработки сплава и при сварке [1–3].

Из алюминиевых сплавов предъявленным требованиям в наибольшей степени удовлетворяют сплавы систем Al–Mg–Si и Al–Mg, по зарубежной классификации это сплавы серий 6ххх и 5ххх соответственно. Эти сплавы при низком или среднем уровне прочности обладают высокой коррозионной стойкостью, хорошей пластичностью в горячем и холодном состоянии, свариваемостью; легко поддаются холодной гибке, штамповке и глубокой вытяжке, цветному анодированию и эмалированию. За рубежом они применяются в автомобилестроении и авиационно-космической технике. В самолетах различных модификаций из сплавов серии 6xxx выполняются сварные панели фюзеляжа, подвесные топливные баки, трубопроводы и другие детали бортовых систем [4, 5].

В России конструкции, изготавливаемые с применением холодной листовой штамповки и сварки, выполняются преимущественно из сплавов системы Al–Mg марок АМг2 и АМг4. Однако эти сплавы обладают относительно низкой прочностью, сварные детали не являются вакуум-плотными при изготовлении из листов толщиной ˂2 мм, склонны к наклепу в процессе деформации и формообразования, формированию деформационных полос при правке растяжением [6].

Анализ зарубежного опыта показывает, что для аналогичных целей успешно применяются листы из сплавов серии 6ххх [7, 8]. В отечественной практике нашли широкое применение всего четыре сплава этой системы – АД31, АД33, АД35 (преимущественно в виде прессованных полуфабрикатов для строительства) и АВ (в виде тонких листов для лонжеронов лопастей вертолетов), тогда как в международном реестре алюминиевых деформируемых сплавов насчитывается около ста марок.

Сплавы системы Al–Mg–Si обладают заметно более высокими прочностными характеристиками по сравнению со сплавами системы Al–Mg, однако для гарантированного применения в промышленности необходимо улучшить их способность к формообразованию при холодной деформации. Одним из существенных факторов, определяющих эту способность, является кристаллографическая текстура. Вопросы штампуемости материала также невозможно рассматривать вне связи с их зеренной структурой. Для получения качественной поверхности штампованных деталей размер зерна в листовом материале не должен превышать величины ~80 мкм [9].

Следует отметить, что в алюминиевых сплавах на параметры структуры существенное влияние оказывают переходные (Fe, Zr, Ti), а также щелочные и щелочно-земельные металлы, например кальций.

В работах многих авторов [10–12] установлено положительное влияние кальция на структуру, механические свойства, технологичность и свариваемость некоторых алюминиевых сплавов. По мнению других авторов, механизм влияния кальция на свойства алюминиевых сплавов определяется системой легирования и является довольно сложным и малоизученным [13, 14]. Но, несмотря на это, в последние годы наблюдается тенденция по введению кальция в качестве легирующего элемента в алюминиевые деформируемые и литейные [15, 16], а также в магниевые сплавы [17–19].

Во ФГУП «ВИАМ» разработан среднепрочный высокотехнологичный коррозионностойкий свариваемый сплав В-1341 системы Al–Mg–Si (типа АВ). Сплав дополнительно легирован модифицирующими добавками кальция, который измельчает зерно и снижает склонность к образованию горячих трещин [20, 21].

В данной статье представлены результаты исследования структуры и свойств листов толщиной 1,5 мм из этого сплава, полученных холодной рулонной прокаткой на одном из ведущих металлургических предприятий России ОАО «КУМЗ» [22].

Работа выполнена в рамках 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») [23].

Материалы и методы

Исследования проведены на опытно-промышленных партиях листов толщиной 1,5 мм из сплава В-1341 производства ОАО «КУМЗ».

Микроструктуру исследовали методами оптической микроскопии при помощи микроскопа Neophot 30, оснащенного цифровой камерой фирмы Olympus, и просвечивающей электронной микроскопии на приборе JEM 2100 с приставкой для усиления электронного изображения Erlangshen ES500W Gatan. Степень рекристаллизации определяли на рентгеновском аппарате УРС-60 с максимальной мощностью 60 кВт и силой тока 10 мА.

Кристаллографическая текстура листов изучена по результатам съемки на рентгеновских дифрактометрах ДАРТ УМ и URD6 в Cu K_α-излучении, монохроматизированном от монокристалла графита, с построением прямых полюсных фигур (ППФ) (004).

Исследования механических, технологических и коррозионных характеристик проведены с использованием современного сертифицированного оборудования в соответствии с действующими стандартами и методиками РФ.

Результаты и обсуждение

Для выбора температуры горячей прокатки проведены исследования механических свойств слитков сечением 300×1100 мм при повышенных температурах в интервале 300–500°С. Наилучшей пластичностью слитки обладают в интервале температур 390–480°С, в котором значения относительного удлинения и сужения максимальны. Во избежание дополнительных энергозатрат на нагрев заготовок температурный интервал горячей прокатки выбран ближе к нижнему пределу максимальной пластичности. Холодную прокатку рулона листа с толщины 6,0 мм на толщину 1,5 мм проводили без предварительного и промежуточного отжигов.

Как известно, температура нагрева под закалку полуфабрикатов из сплавов типа АВ составляет 520±10°С, также при необходимости допускается нагрев ˃530°С [24]. В качестве нагревательной среды для проведения закалки листов из сплава В-1341 использовали селитровые ванны. Во избежание возникновения внештатных и аварийных ситуаций верхний предел нагрева в селитровых ваннах ограничивают до температур 535–540°С.

Для оценки влияния температуры нагрева под закалку проведено исследование механических свойств листов, закаленных после выдержки при температурах 510–530°С. После закалки образцы подвергали искусственному старению. В листах, закаленных после выдержки при более высокой температуре, уровень прочностных свойств выше и стабильнее, чем при низкой температуре, при схожем уровне пластичности (рис. 1).

Рис. 1. Влияние температуры нагрева под закалку на уровень механических свойств листов из сплава В-1341-Т1

На технологичность листов, предназначенных для изготовления деталей методами холодной деформации, и качество поверхности этих деталей существенно влияет размер зерна, который для листов из сплава В-1341 не должен превышать 80 мкм.

Структура листов мелкозернистая, размер зерна не меняется при увеличении выдержки при нагреве под закалку и составляет ~30 мкм (рис. 2).

Рис. 2. Микроструктура листов из сплава В-1341-Т1 при нагреве под закалку при температуре 525°С в течение 10 (а) и 30 мин (б)

Для улучшения способности к холодному формообразованию необходимо, чтобы в листах не протекали процессы собирательной рекристаллизации и роста зерна, структура должна быть мелкозернистая, прошедшая первичную рекристаллизацию, что подтверждено рентгенограммой (рис. 3).

Рис. 3. Рентгенограмма листов из сплава В-1341-Т1

Электронно-микроскопическое исследование структуры и фазового состава образцов из листов сплава В-1341 с применением светлопольных методик показало присутствие дисперсоидов округлой формы, которые в ходе распада твердого раствора при старении являются дополнительными местами для гетерогенного зарождения неравновесных фаз.

С помощью темнопольных методик установлен интенсивный распад твердого раствора с образованием Q_1^'(Al₅Cu₂Mg₈Si₆)- и β'(Mg₂Si)-фаз (рис. 4). Темнопольные изображения частиц Q₁'- и β'-фаз совместно наблюдаются при соблюдении дифракционных условий g=2/3[220] вблизи оси зоны <100>, в этом случае на снимках видны системы характерных для Q₁'-фазы стержнеобразных выделений, а также частицы, расположенные «в торец». Разделить изображения Q₁'- и β'-фаз представляется довольно сложным, однако можно предположить, что области со сверхдисперсными торцевыми частицами на темнопольных изображениях при g=2/3[220] являются частицами β'-фазы. Кроме того, известно, что гетерогенное зарождение на дислокациях характерно только для Q₁'-фазы. Частицы Q₁'-фазы также выделяются на высокоугловых границах, образуя зоны, свободные от выделений (ЗСВ).

Рис. 4. Темнопольное изображение Q₁'- и β'-фаз в листах из сплава В-1341-Т1

Проведены исследования текстуры и построена функция распределения ориентировок (ФРО) по результатам рентгеновской съемки (рис. 5) срединной части листа после термической обработки, при которой плоскостью съемки являлась плоскость в направлении нормали к плоскости прокатки (плоскость НН).

Рис. 5. Функция распределения ориентировок листов из сплава В-1341-Т1

Срединные слои исследованного образца характеризуются достаточно слабой текстурой (максимальная ориентационная плотность Р=2,8). Основной текстурный компонент {001}<130> относится к рекристаллизационному типу. Помимо этого, на ФРО видны очень слабые, хаотически распределенные контуры, указывающие на присутствие в материале произвольно ориентированных рекристаллизованных зерен.

Проведенные исследования кинетики искусственного старения при температурах 155–175°С позволили сделать вывод, что максимальный уровень предела прочности и условного предела текучести обеспечивается при бо́льших из исследованных температуре и времени выдержки процесса (рис. 6).

Наилучшей технологической пластичностью листы из сплава В-1341 обладают в свежезакаленном состоянии. При необходимости листы могут поставляться в состоянии Н (без термической обработки), в этом случае закалку проводят на машиностроительном или авиационном заводе и изготавливают детали методами холодной деформации из материала в состоянии наилучшей технологической пластичности – в свежезакаленном. Однако на заводах-изготовителях авиационной и других видов техники не всегда имеется возможность проведения операции закалки. В этом случае листы поставляют в состоянии Т (закалка и естественное старение). При этом высокая технологическая пластичность сохраняется без ограничения срока естественного старения.

Для изучения влияния «вылеживания» на свойства проведено исследование кинетики естественного старения листов. Наиболее интенсивно естественное старение протекает в первые 6 ч после закалки, в этот промежуток времени происходит наибольший прирост значений пределов прочности и текучести. Поэтому изготовление деталей листовой штамповкой с глубокими степенями вытяжки рекомендовано проводить в свежезакаленном состоянии материала. Начиная с 1 сут и вплоть до 8 мес, естественное старение замедляется и практически останавливается, прирост значений по пределам прочности и текучести за этот промежуток времени составляет не более 30 МПа. Исследования минимального радиуса изгиба образцов после естественного старения подтверждают данные, полученные при испытании механических свойств при растяжении. Листы в свежезакаленном состоянии обладают наилучшей технологической пластичностью при радиусе изгиба (0,8–1,2)∙s, где s – толщина листа. После естественного старения в течение 1 мес и 1 года у листов сохраняется удовлетворительная технологическая пластичность при радиусе изгиба (1,3–1,6)∙s. Испытания после трех лет вылеживания листов показали, что уровень технологической пластичности материала не меняется и остается на уровне, установленном ранее.

Рис. 6. Кинетические кривые искусственного старения листов из сплава В-1341 при
температурах 155 (а), 165 (б) и 175°С (в)

Для оценки возможности проведения операции гибки листов в состоянии полной термической обработки (Т1) определен минимальный радиус изгиба на листах толщиной 1,5 мм после искусственного старения r_min=(1,5–1,8)∙s, что свидетельствует об удовлетворительной технологической пластичности материала.

Известно, что на технологичность листов при изготовлении из них деталей методами холодной деформации, в том числе с глубокими степенями вытяжки, помимо факторов, описанных ранее, большое влияние оказывает анизотропия материала. Для оценки изотропности листов толщиной 1,5 мм проведены испытания механических свойств на образцах, ориентированных под различными углами к направлению оси прокатки. Заготовки испытывали в состоянии Т (закалка и естественное старение) и Т1 (закалка и искусственное старение) (табл. 1).

Таблица 1

Механические свойства листов из сплава В-1341-Т (Т1)

в зависимости от направления вырезки образца

В листах как в состоянии Т, так и в состоянии Т1, отсутствует анизотропия механических свойств, поэтому деформация во время холодной листовой штамповки будет распределяться во всех направлениях равномерно.

В результате проведенных исследований разработана нормативная документация на изготовление и поставку листов промышленного производства из сплава В-1341 с гарантированным уровнем свойств (табл. 2).

Таблица 2

Гарантированные механические свойства листов из сплава В-1341

Для оценки технологичности промышленных листов из сплава В-1341 при холодном формообразовании проведены комплексные исследования и определены коэффициенты штампуемости при гибке (минимальный радиус изгиба r_min), отбортовке (коэффициент отбортовки K_отб), вытяжке (коэффициент вытяжки K_выт) и выдавке (коэффициент выдавки K_выд) (табл. 3). Листы обладают повышенной (в сравнении с листами из сплавов группы АМг) технологической пластичностью при холодной листовой штамповке [24], при этом не нагартовываются при деформации, тогда как при изготовлении деталей из сплавов АМг2, АМг4 и АМг6 требуется проводить межоперационные отжиги из-за наклепа материала.

Таблица 3

Характеристики штампуемости листов

s – толщина листа, мм.

Технологический цикл изготовления листов и деталей из сплава В-1341 значительно короче и менее энергозатратен (не менее чем на 50%), чем для сплава АМг6 (рис. 7). Во-первых, при прокатке листов из сплава В-1341 отсутствует необходимость проведения предварительного и промежуточных отжигов, тогда как сплав АМг6 нагартовывается при прокатке и происходит падение его технологической пластичности, что затрудняет дальнейшую деформацию. Промежуточные отжиги позволяют повысить технологичность листов и продолжить прокатку. Например, для изготовления листов толщиной 1,5 мм из сплава АМг4 необходим один промежуточный отжиг, из сплава АМг6 – два, из сплава В-1341 – отжиги не требуются. Низкая технологичность высоколегированных магналиев сказывается и при изготовлении из них деталей методами холодной листовой штамповки – происходит наклеп и снижается технологическая пластичность, а следовательно, необходимо проводить промежуточные отжиги. Штампованные детали из листов сплава В-1341 можно применять как в естественно состаренном, так и в искусственно состаренном состоянии. При этом операцию искусственного старения возможно совместить с операцией сушки лакокрасочного покрытия (ЛКП) при финишной отделке готовой продукции.

Рис. 7. Технологические маршруты изготовления деталей из сплавов В-1341 (а) и АМг6 (б)

Сплав В-1341 хорошо сваривается точечной и аргоно-дуговой сваркой. При изготовлении сварных узлов рекомендуется следующая схема процесса: закалка+сварка+искусственное старение. Наиболее сбалансированные свойства сварных соединений при аргоно-дуговой сварке обеспечивает применение присадочной проволоки марок Св-1217 и Св-АМг63 [25].

Заключение

Благодаря комплексу свойств, представленных в статье, сплав В-1341 в виде листов толщиной 0,6–3,0 мм нашел применение в конструкции российского самолета Sukhoi SuperJet 100 (SSJ 100) для изготовления трубопроводов, в том числе сварных, и патрубков сложной конфигурации элементов системы кондиционирования воздуха; элементов законцовки и лобовика крыла.

Благодарности

Авторы статьи выражают благодарность специалистам: ФГУП «ВИАМ» – Р.И. Гиршу, Е.А. Лукиной, С.В. Сбитневой; ОАО «КУМЗ» – Б.В. Овсянникову и В.И. Попову и ИМЕТ РАН – В.Ф. Шамраю, которые внесли неоценимый вклад в проведенную работу.