Введение

Создание перспективных конкурентоспособных изделий авиационно-космической техники требует разработки и освоения промышленного производства новых материалов. Разработка новых композиций алюминиевых сплавов пониженной плотности, повышенной жесткости и прочности в сочетании с высокими ресурсными характеристиками, а также технологических параметров получения полуфабрикатов из них в условиях промышленного производства является актуальной задачей [1–4].

Одним из перспективных конструкционных материалов для авиационно-космической промышленности является высокопрочный (σ_в≥580 МПа) высокомодульный (Е=78 ГПа) сплав В-1469 пониженной плотности (d=2,67 г/см³) системы Al–Cu–Li, дополнительно легированный Ag, Sc и Zr, разработанный в ВИАМ [5, 6]. Этот сплав по удельной прочности превосходит все существующие алюминиевые деформируемые сплавы и обладает высокой коррозионной стойкостью, трещиностойкостью и усталостной долговечностью [7], а также технологической пластичностью при литье и обработке давлением, что позволяет применять его для изготовления в промышленных условиях широкой номенклатуры полуфабрикатов [8, 9]. В настоящее время освоено промышленное производство листов толщиной 0,8–6 мм, плит толщиной 25–80 мм, прессованных профилей различного сечения и раскатных колец на серийном оборудовании ОАО «КУМЗ». Все вышеперечисленные полуфабрикаты и сварные соединения из листов и плит паспортизованы [10–13], за исключением раскатных колец.

Сплав В-1469-Т1 по сравнению с широко применяющимся в настоящее время сплавом В95о.ч./п.ч.-Т2 обладает повышенными прочностью, жесткостью, сопротивлением коррозионному растрескиванию, сваривается всеми основными видами сварки. Сплав В-1469 имеет зарубежные сплавы-аналоги: 2195 – широко используется для сварных конструкций ракетно-космической техники [14, 15]; 2098 и 2198 – применяются в конструкциях самолетов компании Airbus. Сплав 2198 также применяется в сварных элементах фюзеляжа ракеты-носителя одноразового применения Space X Falcon 9 [17].

Применение прессованных полуфабрикатов из сплава В-1469 перспективно и для деталей внутреннего набора изделий авиационно-космической техники. В статье представлены результаты исследования структуры и свойств массивных прессованных полуфабрикатов.

Материал и методы

Материалом для исследований служили круглые слитки диаметром 405 мм и прессованные профили с толщиной полки 40–60 мм (площадь сечения 100 см²) из сплава В-1469, изготовленные в условиях промышленного металлургического производства ОАО «КУМЗ».

Микроструктуру прессованных профилей исследовали на шлифах размером 15×15 мм при помощи металлографического микроскопа Neophot30, оснащенного цифровой камерой фирмы Olympus. Травление шлифов проводили раствором Келлера следующего состава: HF (1 см³)+HCl (1,5 см³)+HNO₃ (2,5 см³)+вода (95 см³), с последующим осветлением в 10–20%-ном водном растворе азотной кислоты.

Исследования механических свойств при растяжении, усталостных характеристик, коррозионных свойств прессованных профилей из сплава В-1469, термообработанных по режиму Т1, проведены с использованием современного сертифицированного оборудования в соответствии с действующими стандартами и методиками Российской Федерации.

Результаты

В условиях ОАО «КУМЗ» на промышленном плавильно-литейном агрегате массой 8 т с индукционной тигельной печью ИАТ-10/2,5 и электрическим вакуумным миксером проведена плавка сплава В-1469 и отлиты круглые слитки диаметром 405 мм. Химический состав сплава соответствует требованиям ОСТ 1 90048. Проведен гомогенизационный отжиг слитков по серийному режиму.

С целью выбора температурного интервала прессования проведено исследование механических свойств слитков при повышенных (350–480°С) температурах (рис. 1).

Рисунок 1. Механические свойства слитков из сплава В-1469 при высоких температурах: ■ – относительное сужение; □ – относительное удлинение

Установлено, что в температурном интервале 390–480°С достигаются практически максимальные значения характеристик пластичности (δ=30–60%, ψ=88–94%). Это позволяет проводить горячую деформацию в указанном интервале температур. В результате для опробования технологии прессования были выбраны две температуры 390 и 480°С. Профили с толщиной полки 40–60 мм, с площадью сечения 100 см² изготовлены в одно очко на горизонтально-гидравлическом прессе с усилием 5000 тс из контейнера Ø370 мм (рис. 2). Размеры заготовок под прессование Ø360×640 мм, скорость прессования 0,8 м/мин, коэффициент вытяжки 9,4%.

Рисунок 2. Внешний вид прессованного профиля из сплава В-1469

Анализ макроструктуры поперечного сечения профилей, отпрессованных при двух температурах, проведенный на образцах, отобранных с выходного и утя́жинного концов, показал, что структура однородная мелкозернистая по всему сечению. Дефектов в виде плен, неметаллических включений, пористости не обнаружено (рис. 3).

Рисунок 3. Макроструктура прессованных профилей из сплава В-1469

С утя́жинного и выходного концов из толстой и тонкой части, соответственно, по всему сечению профилей, отпрессованных при двух температурах, в продольном направлении были отобраны образцы для проведения термообработки и испытаний механических свойств с целью выбора оптимального режима. В лабораторных условиях опробованы различные температуры нагрева под закалку (510–530°С) с продолжительностью выдержки (90–250 мин). Правка растяжением профилей после закалки не проводилась.

Микроструктура полуфабрикатов из сплава В-1469 представляет собой тонкую волокнистую субзеренную структуру на периферии и крупнозернистую – в центральной части (зоне) профилей (рис. 4). Существенных различий в микроструктуре профилей, подвергшихся различным режимам термической обработки, не наблюдается.

Исследование распределения механических свойств по сечению профилей при двух температурах прессования показало, что прочностные характеристики в центральной зоне несколько ниже, чем на периферии, при более высоких значениях относительного удлинения ввиду пониженной теплопроводности сплава В-1469. Максимальный уровень прочности при сохранении высокой пластичности обеспечивает проведение закалки после выдержки при температуре 520–530°С, длительность выдержки должна быть увеличена в два раза по сравнению с выдержкой, рекомендованной в ПИ1.2.699, для тех же толщин полуфабрикатов из серийных алюминиевых сплавов.

Рисунок 4. Микроструктура прессованных профилей из сплава В-1469:

а – выходной; б – утя́жинный

Исследовано влияние продолжительности выдержки при старении на механические свойства. Установлено, что максимальный уровень свойств в продольном, поперечном и высотном направлениях достигается после старения по режиму: 150–160°С в течение 30–40 ч. Из анализа полученных значений механических свойств сделан вывод, что после термической обработки по рекомендованному режиму (закалка+старение, без правки растяжением) при обеих температурах прессования (390 и 480°С) достигается максимальный уровень прочности при сохранении высокого относительного удлинения: σ_в=590 МПа; σ_0,2=530–540 МПа; δ=9,7–10,5%.

Известно, что значительный эффект в повышении прочностных свойств, характеристик трещиностойкости и коррозионной стойкости наблюдается при использовании правки растяжением полуфабрикатов [18]. Фактическая степень остаточной деформации после правки профилей в промышленных условиях составила 4–5,5%. Значения механических свойств профилей по сечению после термической обработки в промышленных условиях ОАО «КУМЗ» приведены на рис. 5.

Рисунок 5. Механические свойства прессованных профилей из сплава В-1469-Т1 (предел прочности/предел текучести/относительное удлинение)

С целью паспортизации профилей из сплава В-1469-Т1 определены их механические свойства при растяжении (σ_в, σ_0,2, δ) при комнатной температуре (табл. 1). Образцы для испытания были вырезаны из двух зон профиля: толщиной 60 мм (в продольном (Д), поперечном (П) и высотном (В) направлениях); толщиной 40 мм (в направлениях Д и П).

Таблица 1

Механические свойства при растяжении массивных прессованных профилей

из сплава В-1469-Т1 при комнатной температуре

Модуль упругости (Е) составляет 78 ГПа, что на 8–10% превосходит модуль упругости серийно применяемых алюминиевых сплавов. При испытании механических свойств при растяжении при 20°С после нагрева при 85°С до 3000 ч не происходит снижения относительного удлинения, при этом пределы прочности и текучестиостаются на том же уровне.

Модуль нормальной упругости (Е_сж) и условный предел текучести при сжатии (σ_0,2сж) определены на образцах, вырезанных в продольном направлении. Средние значения составили Е_сж=80 ГПа, σ_0,2сж=600 МПа.

Малоцикловая усталость (МЦУ) профилей определена при f=40 Гц, R=0,1, и составляет 350–700 кциклов.

Значение вязкости разрушения (K_Q) в направлении ДП составило 40 МПа . Скорость роста трещины усталости (СРТУ) определена на компактных образцах, среднее значение СРТУ (dl/dN) профилей при ΔK=31,0 МПа  составляет 1,65 мм/кциклов.

Испытания на межкристаллитную коррозию (МКК) проведены в соответствии с требованиями ГОСТ 9.021–74 в растворе 2 в течение 6 ч, глубина МКК составляет <0,14 мм. Испытания на расслаивающую коррозию (РСК) проведены в соответствии с требованиями ГОСТ 9.904–82 в растворе 2 в течение 2 сут, склонность к РСК: 2–4-й балл. При испытании на стойкость к коррозионному растрескиванию на установке «Сигнал» образцы, вырезанные в высотном направлении, простояли более 45 сут без разрушения при напряжении 280 МПа.

Технология прессования массивных профилей из сплава В-1469 освоена и внедрена в промышленное металлургическое производство ОАО «КУМЗ», разработана нормативная документация на их изготовление и поставку. Результаты всесторонних исследований, в том числе при высоких и низких (криогенных) температурах, позволили рекомендовать сплав для конструкций перспективных изделий авиационно-космической техники, работающих в интервале температур от -70 до +150°С (длительно) и от -150 до +175°С (кратковременно).

Характеристики прессованных профилей из сплава В-1469-Т1 в сравнении с базовым сплавом В95о.ч./п.ч.-Т2 приведены в табл. 2.

Таблица 2

Характеристики прессованных профилей из сплава В-1469-Т1
в сравнении с аналогичными полуфабрикатами из сплава В95о.ч./п.ч.-Т2

Видно, что полученные свойства прессованных профилей из сплава В-1469-Т1 превосходят свойства аналога – отечественного сплава В95о.ч./п.ч.-Т2: по удельной прочности более чем на 20%, модулю упругости – на 10%, сопротивлению коррозионному растрескиванию – на 65%.

Массивные прессованные профили из сплава В-1469Т1 рекомендованы для изготовления направляющих крепления кресел, каркаса пола пассажирского салона, рельсов грузового отсека, деталей внутреннего набора и других изделий авиационно-космической техники.

Обсуждение и заключения

Разработана технология прессования массивных профилей из высокопрочного алюминийлитиевого сплава В-1469, на серийном оборудовании ОАО «КУМЗ» освоено их опытно-промышленное производство.

Исследовано влияние различных режимов упрочняющей термической обработки на структуру и механические свойства прессованных профилей. Выбран режим, обеспечивающий максимальный уровень прочности при сохранении высокого относительного удлинения: σ_в≥600 МПа, σ_0,2≥580 МПа, δ≥9%.

Проведены комплексные исследования массивных прессованных профилей, разработана нормативная документация на их изготовление и поставку.

Сплав В-1469 рекомендован для применения в конструкциях перспективных изделий авиационно-космической техники, работающих длительно в интервале температур от -70 до +150°С (длительно) до +175°С (кратковременно).

Прессованные профили из сплава В-1469-Т1 рекомендованы для замены аналогичных полуфабрикатов из сплава В95о.ч./п.ч.-Т2, так как превосходят их по удельной прочности более чем на 20%, модулю упругости – на 10%, сопротивлению коррозионному растрескиванию – на 65%.