Введение

Сплавы системы Al–Cu–Mg имеют благоприятный комплекс свойств, поэтому представляют большой интерес для зарубежных и отечественных конструкторов изделий авиационной и космической техники [1–4]. Из сплавов этой системы наиболее широкое распространение в авиационной и других отраслях промышленности получили сплавы Д16, Д16ч. и 1163 в естественно состаренном состоянии (зарубежные аналоги – 2024, 2124, 2324, 2524). Сплавы Д16ч. и 1163 являются более совершенными модификациями сплава Д16 – с более жесткими ограничениями по примесям, откорректированным соотношением легирующих элементов (Cu, Mg, Mn) и, как следствие, повышенной выносливостью и трещиностойкостью [5].

Для обеспечения конкурентоспособности на рынке и вследствие введения концепции безопасно повреждаемой конструкции, необходима постоянная оптимизация состава сплавов и режимов изготовления полуфабрикатов для получения более высоких показателей ресурса и надежности.

Применение малых добавок переходных металлов (Mn, Zr, Ti, Cr и др.) – один из способов улучшения служебных характеристик полуфабрикатов из алюминиевых сплавов. Дисперсные частицы, которые образуются при введении переходных металлов в алюминиевые сплавы, при термической обработке полуфабрикатов тормозят процесс рекристаллизации и являются барьерами на пути движения дислокаций, увеличивая тем самым прочность алюминиевых сплавов с незначительным снижением пластичности [5, 6]. Широко применяется добавка скандия или комплексная добавка циркония и скандия. При введении скандия в алюминиевые сплавы образуются частицы фаз Al₃Sc, Al₃(ScZr) размером ~10–30 нм, благодаря чему происходит увеличение прочностных характеристик (до 30%) [5–10].

В последние десятилетия в отечественной и зарубежной научной литературе опубликованы работы по исследованию влияния серебра на алюминиевые сплавы. Проведенный анализ [11] показал, что серебро – один из перспективных легирующих элементов, который положительно влияет на свойства алюминиевых сплавов. Система Al–Cu–Mg является основой композиций жаропрочных алюминиевых сплавов, применяемых для изделий авиационной и ракетно-космической техники [12]. Введение серебра в жаропрочные сплавы системы Al–Cu–Mg, обеспечивающее образование при искусственном старении Ω′-фазы, влияет на повышение прочностных свойств полуфабрикатов, способствует увеличению их жаропрочности, вязкости разрушения и других характеристик [5, 12–15]. Изменение режимов искусственного старения алюминиевых сплавов позволяет варьировать фазовым составом и, как следствие, свойствами полуфабриката [15, 17, 18]. В ВИАМ разработаны новый жаропрочный сплав В-1213 с Ag и технологии получения из него различных полуфабрикатов [19].

Материалы и методы

В качестве объектов исследований выбраны ресурсные сплавы системы Al–Cu–Mg с различным соотношением Сu/Mg, содержащие малые добавки переходных металлов Mn, Zr, Ti, Sc, Cr, а также добавку Ag в количестве до 0,6%.

Исследование влияния серебра на свойства алюминиевых сплавов проводили на экспериментальных листах толщиной 2 мм, полученных из слитков Ø100 мм, и толщиной 1,5 мм, полученных в условиях ОАО «КУМЗ» из крупногабаритных слитков толщиной 300 мм.

Результаты

Опираясь на положительный опыт эффективного применения серебра в сплавах системы Al–Cu–Mg при разработке жаропрочного сплава В-1213 и на данные из литературных источников, проведены исследования по влиянию серебра на ресурсные сплавы системы Al–Cu–Mg.

Для определения оптимального химического состава, обеспечивающего высокие характеристики прочности и пластичности, проведены термодинамические расчеты фазового состава сплавов системы Al–Cu–Mg–Mn–Ag с использованием программного комплекса Thermo-Calc (версия 3.1, база данных TCAL2). Построены и проанализированы политермические и изотермические сечения системы Al–Cu–Mg–Mn–Ag, определен фазовый состав и состав твердого раствора при температуре закалки. Из изотермических сечений видно, что серебро в количестве до 0,6% в сплаве типа 1163 не образует отдельных фаз и полностью входит в состав твердого раствора при температуре закалки (рис. 1).

После анализа данных, полученных с помощью программного комплекса Thermo-Calc, для подробного исследования в экспериментальных условиях были выбраны три состава сплавов (сплавы 1, 2 и 3) с соотношением Сu/Mg – от 2,7 до 4,5 и содержанием Mn – от 0,3 до 0,5%. Исходные составы сплавов дополнительно легировали добавкой Ag в количестве до 0,6% (сплавы 1А, 2А и 3А).

Сплавы состава 1 при температуре закалки находятся на границе фазовых областей (Al)+r (AlCuMn) и (Al)+r (AlCuMn)+θ (Al₂Cu), сплавы состава 2 – преимущественно в фазовой области (Al)+r (AlCuMn), в то время как сплавы состава 3 – в фазовой области (Al)+r (AlCuMn)+θ (Al₂Cu) (рис. 1 и 2).

Согласно проведенным термодинамическим расчетам в программном комплексе Thermo-Calc, добавка серебра не приводит к значительному количественному изменению фазового состава (табл. 1).

Рисунок 1. Изотермические сечения диаграммы систем Al–Cu–Mg–0,3Mn–Ag (а)
и Al–Cu–Mg–0,5Mn–Ag (б) при температуре закалки

Таблица 1

Фазовый состав сплавов и состав твердого раствора по основным

легирующим элементам (Cu и Mg) при температуре закалки

Для оценки влияния соотношения Сu/Mg и добавки серебра на свойства алюминиевых сплавов проведены статические испытания при растяжении при комнатной температуре образцов, вырезанных из листов исследуемых сплавов в поперечном направлении (табл. 2).

Видно, что сплавы состава 1 обладают преимуществом по прочностным свойствам перед остальными сплавами. Это можно связать с тем, что при температуре закалки в этих сплавах наблюдается самое высокое содержание меди и магния в твердом растворе в сравнении со сплавами составов 2 и 3 (см. табл. 1). Соответственно, эффект от естественного старения оказался выше. Такая же зависимость наблюдается между сплавами составов 2 и 3.

Рисунок 2. Политермические сечения систем Al–1,4Mg–0,5Mn–Ag–Сu (а);
Al–1,2Mg–0,3Mn–Ag–Сu (б) и Al–0,9Mg–0,3Mn–Ag–Сu (в)

Сплавы составов 2 и 2А имеют некоторое преимущество по относительному удлинению в сравнении со сплавами составов 1, 1А, 3 и 3А, что может быть связано с меньшей долей избыточных фаз кристаллизационного происхождения (см. табл. 1).

Анализ данных, полученных в результате проведения испытаний при растяжении, позволяет сделать вывод, что добавка серебра в количестве до 0,6% приводит к увеличению прочностных свойств (до 10%) при сохранении величины относительного удлинения.

Таблица 2

Механические свойства исследуемых сплавов в состоянии Т (при 20°С)

* В числителе – минимальные и максимальные, в знаменателе – средние значения.

Введение серебра в алюминиевые сплавы привело к увеличению долговечности при малоцикловой усталости – более чем на 15% (см. табл. 2).

На основании проведенных исследований выбран сплав состава 1 для оценки влияния серебра на структуру и свойства катаных полуфабрикатов из ресурсных сплавов системы Al–Cu–Mg, изготовленных в промышленных условиях. Отлиты крупногабаритные слитки двух составов (с добавкой Ag и без нее), содержащие помимо основных легирующих элементов (Cu и Mg) добавки Mn, Zr, Ti, Cr и Sc. После гомогенизационного отжига слитки подвергали горячей и холодной прокатке до получения листов толщиной 1,5 мм, закалке и естественному старению.

Исследование микроструктуры листов из сплавов с серебром и без него показало, что введение Ag в сплав не оказало влияния на зеренную структуру катаных полуфабрикатов. Структура листов двух составов однородная, практически равноосная, рекристаллизованная (рис. 3). Для двух составов средний размер зерна составил 21–23 мкм.

Механические свойства исследуемых полуфабрикатов представлены в табл. 3. Видно, что легирование добавкой серебра привело к небольшому увеличению прочностных характеристик при сохранении относительного удлинения, как и в случае с экспериментальной плавкой.

Рисунок 3. Микроструктура листов толщиной 1,5 мм из алюминиевого сплава

состава 1 без (а) и с Ag (б)

Испытания на вязкость разрушения (  K_e^y ) плоских образцов шириной 400 мм и выносливость при малоцикловой усталости показали, что сплав состава 1 с Ag имеет преимущество по показателям трещиностойкости (на 10%) и усталости (на 20%) в сравнении со сплавом без серебра (см. табл. 3).

Таблица 3

Механические свойства (средние значения) листов из сплава состава 1

в состоянии Т (при 20°С)

Кроме того, введение Ag приводит к увеличению стойкости сплава к коррозионному растрескиванию (КР) и расслаивающей коррозии (РСК) при отсутствии склонности к межкристаллитной коррозии (МКК) (табл. 4).

Таблица 4

Коррозионные свойства листов исследуемых сплавов с добавкой серебра и без нее

Обсуждение и заключения

На основании проведенных термодинамических расчетов в программном комплексе Thermo-Calc построены и проанализированы политермические и изотермические сечения алюминиевых сплавов системы Al–Cu–Mg–Mn–Ag, проведена оценка фазового состава и состава твердого раствора при температуре закалки.

Показано, что введение добавок серебра в количестве до 0,6% в сплавы системы Al–Cu–Mg приводит к увеличению прочностных характеристик (до 10%) при практическом сохранении относительного удлинения, усталостной долговечности (более чем на 15%), трещиностойкости (до 10%) и стойкости к коррозионному растрескиванию, что благоприятно влияет на ресурс и надежность изделий авиационной техники. Таким образом, можно сделать вывод о перспективности введения добавки серебра в сплавы системы Al–Cu–Mg, что реализовано при разработке нового сплава В-1167.