Введение

Одной из главных задач авиационной промышленности является повышение эксплуатационной надежности конструкции летательного аппарата при возможном снижении трудо-, энерго- и финансовых затрат при его создании, что в значительной степени определяется применением новых высокотехнологичных материалов [1].

С целью повышения весовой эффективности конструкции фюзеляжа целесообразно применение новых алюминиевых сплавов, которые обладают достаточными характеристиками прочности в совокупности с повышенной коррозионной стойкостью и высокой технологичностью при сварке. Замена клепаных конструкций на сварные позволит в перспективе снизить массу элементов конструкции до 15% [2].

Сплавы системы Al–Mg–Si примечательны тем, что обладают хорошим сочетанием прочностных и коррозионных свойств, свариваемостью и пластичностью. Тенденции развития современного машиностроения требуют снижения общей массы конструкции для экономии топлива и увеличения грузоподъемности [3]. В связи с этим сталь, традиционно применяемая для производства деталей и узлов, активно заменяется алюминиевыми сплавами. В связи с обострением проблемы коррозионной повреждаемости летательных аппаратов, увеличения затрат на ремонтные работы, внимание конструкторов все больше привлекают сравнительно дешевые коррозионностойкие высокотехнологичные алюминиевые сплавы системы Al–Mg–Si [4]. Сплавы системы Al–Mg–Si–Cu имеют наилучшие механические характеристики среди коммерческих сплавов серии 6000 и применяются для изготовления элементов конструкции самолетов [5]. Сплавы этой системы относятся к свариваемым и могут рассматриваться как перспективные сплавы для изготовления сварного фюзеляжа, что позволит повысить коррозионную стойкость и снизить массу конструкции [6].

В настоящее время сплавы на основе системы Al–Mg–Si вышли на первое место по мировому производству среди всех алюминиевых сплавов. На их долю приходится более 90% производства прессованных алюминиевых изделий [7]. Такое распространение авиалей обусловлено возможностью их прессования со скоростями истечения до 50–70 м/мин. Сплавы системы Al–Mg–Si примечательны тем, что обладают хорошим сочетанием прочностных и коррозионных свойств, свариваемостью и пластичностью. Положительные результаты работ получены корпорацией Airbus для нижних панелей фюзеляжа, которые в настоящее время изготавливают из сплавов системы Al–Mg–Si–Cu (серии 6000) с использованием технологии лазерной сварки. Эти сплавы обладают повышенным пределом текучести в сравнении со сплавом 2024 (Д16), что позволяет использовать их для нагруженных конструкций. Кроме того, сопротивление распространению усталостных трещин у сплавов системы Al–Mg–Si–Cu находится на уровне аналога, что позволяет применять их в изделиях авиационной техники.

Еще одним преимуществом данной группы сплавов является их повышенная технологичность, что позволяет проводить операции гибки и холодной штамповки в состоянии поставки (Т) и исключить операции перезакалки собранных элементов конструкций, которые в настоящее время изготавливают из дюралюминов в отожженном состоянии из-за пониженной штампуемости листов из сплава Д16ч.-Т.

Применение полуфабрикатов из нового высокотехнологичного сплава взамен сплавов типа Д16ч. позволит повысить весовую эффективность элементов конструкции изделий авиационной техники благодаря повышенным механическим свойствам, а также за счет применения прогрессивных технологий лазерной сварки, что в совокупности с высокой коррозионной стойкостью позволит обеспечить надежную эксплуатацию воздушного судна.

В России разработками сплавов системы Al–Mg–Si активно занимается ФГУП «ВИАМ». В патенте [8] описан Al–Mg–Si–Cu сплав повышенной коррозионной стойкости, предназначенный для применения в качестве конструкционного материала в транспортном машиностроении, включая авиацию. Из предложенного сплава можно изготавливать различные элементы силового набора и обшивки фюзеляжа самолетных конструкций, в том числе сварные, а также сварные топливные баки и другие элементы автомобилей и железнодорожного транспорта. Техническим результатом предложенного изобретения является создание сплава с достаточно высоким уровнем прочности и пластичности, высоким сопротивлением всем видам коррозии, включая межкристаллитную. Во ФГУП «ВИАМ» также запатентован деформируемый сплав на основе алюминия и изделие, выполненное из него [9]. Изобретение относится к области металлургии сплавов, в частности – к деформируемым термически упрочняемым, высокотехнологичным, коррозионностойким и свариваемым сплавам на основе системы Al–Mg–Si и изделиям из них. Предложенный сплав и изделие, выполненное из него, содержат следующие компоненты, % (по массе): (0,3–1,2) Mg, (0,3–1,7) Si, (0,15–1,1) Mn, (0,05–0,5) Са, (0,0002–0,01) Na; по меньшей мере один металл, выбранный из группы, включающей медь, железо, цирконий и хром: 0,02–1,0; остальное – алюминий. Техническим результатом изобретения является разработка деформируемого сплава на основе системы Al–Mg–Si и изделия, выполненного из этого сплава, обладающие повышенной технологичностью при холодной штамповке путем выдавки и улучшенной обрабатываемостью резанием.

Корпорацией «ВСМПО-АВИСМА» изобретен способ производства прессованных изделий из алюминиевого сплава серии 6000. Техническим результатом изобретения является создание технологии производства прессованных полуфабрикатов из высоколегированного алюминиевого сплава системы Al–Mg–Si, обладающего хорошими механическими, технологическими и коррозионными свойствами [10].

В открытой печати содержится информация о широких исследованиях поведения сплавов системы Al–Mg–Si в процессе термической обработки. Методами дифференциальной сканирующей калориметрии, просвечивающей электронной микроскопии исследованы мелкоразмерные частицы фаз, выделяющихся при старении сплава 6061. Выявлена последовательность образования фаз при старении [11]. С помощью атомной томографии, измерения твердости и электросопротивления исследован механизм искусственного старения сплава АА6061 в температурном диапазоне 150–250°С [12]. Проведены исследования сплавов системы Al–Mg–Si–Cu – в частности Q-фазы, определяющей особые свойства сплавов этой группы. Приводятся металлографические и кристаллографические исследования этой фазы. Рассмотрены другие метастабильные фазы с целью установления зависимости их возникновения от химического состава сплава [13]. Рассмотрено влияние избыточного количества кремния в сплаве системы Al–Mg–Si. В статье показано, что механизм выделения фаз не зависит от химического состава сплава, а прочность повышается пропорционально количеству фазы Mg₂Si [14].

В статье [15] исследованы морфология и кристаллическая структура выделяющихся фаз в сплаве Al–(1–2)% Mg₂Si методом просвечивающей электронной микроскопии. В исследовании разработана модель на основе классической теории зародышеобразования, роста и объединения для описания развития частиц выделяющихся фаз в сплавах типа Al–Mg–Si. Данные, получаемые по этой модели, хорошо соотносятся с результатами экспериментов.

Из анализа научно-технических литературных данных можно сделать вывод, что основными тенденциями развития высокотехнологичных алюминиевых сплавов являются:

– повышение прочностных характеристик при добавлении меди, магния, цинка, а также переходных и редкоземельных металлов;

– повышение характеристик пластичности при легировании микродобавками элементов и контроля содержания интерметаллидных фаз, а также благодаря улучшению технологического процесса;

– повышение коррозионной стойкости при добавлении цинка;

– повышение технологичности путем введения в расплав магния и кремния в определенном соотношении; повышение характеристик свариваемости за счет подбора оптимального химического состава.

Работа выполнена в рамках реализации комплексной научной проблемы 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») [16].

Материалы и методы

Объектом исследования служили холоднокатаные листы толщиной 3 мм из алюминиевого сплава системы Al–Mg–Si, изготовленные во ФГУП «ВИАМ». Основные легирующие компоненты опытных плавок приведен в табл. 1.

Таблица 1

Химический состав опытных плавок

Примечание. Al – основа.

Из заготовок листов на шлифовальном станке Teqramin-20 изготовлены микрошлифы и исследована их микроструктура на микроскопе Olympus GX51.

Определение температур фазовых превращений в сплавах проведено методом дифференциальной сканирующей калориметрии по МИ 1.2.030–2011.

Механические свойства при статическом растяжении определяли на образцах, вырезанных в продольном направлении в соответствии с требованиями ГОСТ 1497–84.

Результаты и обсуждение

Выбор экспериментальных составов свариваемого высокотехнологичного коррозионностойкого алюминиевого сплава системы Al–Mg–Si осуществляли на основании проведенного аналитического обзора научно-технической литературы, поиска и анализа существующих исследований в области алюминиевых высокотехнологичных сплавов. Наиболее интенсивно разработки таких сплавов ведутся в России, США, Китае и Японии, при этом области применения высокотехнологичных алюминиевых сплавов разнообразны, в связи с чем к материалам предъявляются различные требования по механическим и физическим характеристикам.

На основании анализа последних исследований в области алюминиевых высокотехнологичных сплавов выбраны четыре экспериментальных состава свариваемого высокотехнологичного коррозионностойкого алюминиевого сплава системы Al–Mg–Si.

Проведен расчет шихтового состава, выплавлены слитки свариваемого высокотехнологичного коррозионностойкого алюминиевого сплава системы Al–Mg–Si экспериментальных составов.

По результатам теплофизических исследований – фазовых превращений при нагреве слитков методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) – выбран режим гомогенизационного отжига, обеспечивающий растворение легкоплавких эвтектик.

Исследована макро- и микроструктура слитков в литом и гомогенизированном состояниях; установлено, что в литом состоянии микроструктура дендритная, типичная для сплавов системы Al–Mg–Si, и представляет собой зерна твердого раствора с выделением по границам фаз, которые практически полностью растворяются в твердом растворе при гомогенизации.

Исследования химического состава фаз методом микрорентгеноспектрального анализа (МРСА) в экспериментальных составах алюминиевого сплава системы Al–Mg–Si показали, что структура негомогенизированных слитков представляет собой алюминиевый твердый раствор с равномерно распределенными включениями интерметаллидных фаз. В ходе исследования фазового состава определили, что все образцы характеризуются наличием типичной для сплавов этой системы фазы Al₂Si. В негомогенизированном состоянии во всех сплавах зафиксировано наличие фазы типа AlCu, которая в ходе гомогенизации полностью растворяется в матрице сплава. Структура гомогенизированных слитков характеризуется наличием в алюминиевом твердом растворе неравновестной фазы типа AlFeMn. Марганец в расплаве компенсирует вредное воздействие железа, изменяя морфологию железистой фазы с игольчатой на скелетообразную, не снижающую пластичности сплава.

Из гомогенизированных слитков свариваемого высокотехнологичного коррозионностойкого алюминиевого сплава системы Al–Mg–Si всех четырех экспериментальных составов изготовлены листы толщиной 3,0 мм. Для оценки влияния отдельных легирующих компонентов на микроструктуру листы подвергали термообработке по одинаковому режиму для всех составов.

Структура листов толщиной 3,0 мм представляет собой твердый раствор алюминия и строчечные включения интерметаллидных фаз. В процессе термической обработки (закалка+искусственное старение) происходит растворение эвтектической составляющей в твердом растворе с последующим выделением дисперсных фаз при старении (дисперсионное упрочнение). В структуре также наблюдаются выделившиеся дисперсные включения.

Из анализа микроструктуры, сравнив попарно составы 1 и 2, а также 3 и 4, можно сделать вывод о том, что титан и цирконий являются эффективными измельчителями зерна. Титан, являясь инокулятором, создает в сплаве дополнительные центры рекристаллизации, вследствие чего увеличивается количество зародышей, и, как следствие, уменьшается размер конечного зерна. Титан как модификатор имеет большое практическое значение, так как оказывает сильное воздействие на структуру, в то же время являясь довольно экономичным. Добавка циркония приводит к образованию циркониевых дисперсоидов (Al₃Zr) в сплаве, которые способствуют уменьшению скорости миграции границы зерна ввиду того, что представляют барьеры для движения дислокаций.

Главная задача исследования – установление влияния наличия или отсутствия легирующих элементов в сплаве на механические свойства конечных полуфабрикатов. Результаты испытаний по определению механических свойств приведены в табл. 2.

Таблица 2

Значения механических свойств листов четырех составов

в сравнении с традиционными сплавами системы Al–Mg–Si

Анализ результатов проведенных исследований показал, что добавка хрома и титана позволяет значительно улучшить механические характеристики сплава. Введение переходных металлов (Mn, Cr, V) приводит к эффективному упрочнению за счет выделения дисперсных частиц при распаде твердого раствора, а также препятствует процессу рекристаллизации. Из анализа свойств можно также сделать вывод о том, что цирконий положительно влияет на величину относительного удлинения сплава. Повышение механических характеристик с добавкой титана и циркония связано с модифицирующим эффектом, а именно с измельчением зерна, что видно на рисунке.

Характерное изображение микроструктуры листов из сплава системы Al–Mg–Si после
термической обработки и травления составов 1 (а), 2 (б), 3 (в) и 4 (г)

Проведены также испытания по определению величины скорости роста трещин усталости – СРТУ (по характеристике трещиностойкости в соответствии с требованиями ГОСТ 25.506 и ОСТ1 90268) всех экспериментальных составов. Значения СРТУ (dl/dN) для листов при ΔK=18,6 МПа √м приведены в табл. 3.

Таблица 3

Значения характеристики СРТУ (dl/dN) для листов четырех экспериментальных составов

Анализ полученных в ходе испытаний образцов данных позволяет сделать вывод о том, что добавки хрома и титана, так же как и добавки циркония и ванадия, позволяют значительно улучшить характеристики трещиностойкости. Причиной этого может быть образование компактных мелкодисперсных фаз в процессе термообработки. Равномерное распределение упрочняющих фаз наряду с небольшим размером зерна позволяет обеспечить получение высокой стойкости к распространению усталостных трещин.

Заключения

На основании обзора научно-технической литературы выявлены тенденции развития алюминиевых высокотехнологичных сплавов и выбраны экспериментальные составы сплавов системы Al–Mg–Si.

Исследования микроструктуры выбранных сплавов показали, что титан и цирконий являются модификаторами структуры, уменьшают зерно, что приводит к повышению предела текучести. Введение переходных металлов (Mn, Cr, V) приводит к эффективному упрочнению, вероятно, за счет выделения дисперсных частиц при распаде твердого раствора, а также препятствует процессу рекристаллизации. Наличие Cr, Mn, Cu видоизменяет фазу Al–Fe–Cr, имеющую морфологию в виде иголок, в наиболее благоприятную.

Установлено, что состав 4 (содержащий Ti, Zr, V, Mn, Cr) обладает наилучшими механическими свойствами, что связано с небольшим размером зерна, дисперсным упрочением за счет введения переходных металлов.