CC BY
134
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
УДК 669.717:669.793
АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ СИСТЕМЫ Al-Mg-Sc ДЛЯ КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ
Ю.А. Филатов, докт. техн. наук (ОАО ВИЛС, e-mail: info@oaovils.ru)
Рассмотрены деформируемые термически неупрочняемые сплавы системы Al-Mg-Sc, история создания, опыт и перспективы их применения в качестве конструкционных материалов для изделий космической техники. Приведены данные о механических свойствах основного металла и сварных соединений. Показана эффективность применения сплавов системы Al-Mg-Sc в конструкции космического летательного аппарата.
Ключевые слова: сплав системы Al-Mg-Sc, деформированные полуфабрикаты, свойства, применение.
Al-Mg-Sc System-Based Alloys for Space Equipment. Yu.A. Filatov.
Wrought nonheat-treatable Al-Mg-Sc alloys, history of creation, experience and prospects of their application as structural materials for production of space equipment components are discussed. Data on mechanical properties of base metal and weld joints are presented. Efficiency of the use of Al-Mg-Sc alloys in a space vehicle structure is shown.
Key words: Al-Mg-Sc system-based alloy, wrought semiproducts, properties, application.
Введение
В течение длительного времени в качестве конструкционного материала для изделий космической техники применяли и продолжают применять термически неупрочняемый сплав АМг6 системы А1-Мд, разработанный в 50-х гг. под руководством С.М. Воронова и В.Н. Иорданского [1, 2]. Основные достоинства сплава АМг6 - отсутствие необходимости в упрочняющей термической обработке (закалке и старении), хорошая свариваемость, позволяющая получать сварные соединения, практически равнопрочные основному металлу (в случае сварки в отожженном состоянии), высокая общая коррозионная стойкость. Основной недостаток - низкие прочностные свойства, особенно предел текучести, в отожженном состоянии. Нагартовка позволяет повысить прочность металла, однако, как известно, эффект нагартовки устраняется под влиянием термического цикла сварки, и в зоне сварного шва прочность нагартованного
металла приближается к его прочности в отожженном состоянии.
Возможность получения деформируемого алюминиевого сплава, обладающего достоинствами отожженного сплава АМг6 и в то же время близкого по прочности к термически упрочняемым алюминиевым сплавам в состоянии после упрочняющей термической обработки, появилась после того, как в качестве легирующей добавки в алюминиевых сплавах применили переходный металл скандий. Мысль о перспективности использования скандия в качестве легирующего элемента в деформируемых алюминиевых сплавах была высказана В.И. Елагиным в начале 70-х гг. в результате изучения роли переходных металлов в алюминиевых сплавах [3]. Примерно в это же время легировать алюминиевые сплавы скандием предложил американский исследователь 1_.А. Willey [4]. Влияние скандия на структуру и свойства алюминия и сплавов А1-Мд изучали, основываясь на работах [4], в 70-е гг. также в ИМЕТе им. А.А. Байкова [5, 6].
-Ф-
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
В конце 70-х гг. группой исследователей ИМЕТа под руководством М.Е. Дрица был проведен лабораторный эксперимент, показавший, что добавка десятых долей процента скан -дия приводит к существенному повышению прочностных свойств сплава А1-6,5 % Мд [7], после чего было решено объединить усилия исследователей ВИЛСа и ИМЕТа с целью создания на основе системы А1-Мд-8о промышленного термически неупрочняемого сплава, существенно превосходящего по прочности сплав АМг6 при сохранении всех его основных достоинств. К этой работе присоединился также ЦНИИ КМ «Прометей». Новому сплаву была присвоена марка 01570. Первые плавки сплава 01570 были выполнены в ВИЛСе в 1978 г., тогда же были получены первые опытные партии деформированных полуфабрикатов. Авторами созданного сплава являются представители ВИЛСа (В.И. Елагин, Ю.А. Филатов, В.В. Захаров), ИМЕТа (М.Е. Дриц, Л.С. То-ропова, Ю.Г. Быков) и ЦНИИ КМ «Прометей» (Ю.С. Золоторе вский, А.Г. Макаров) [8]. К сплаву 01570, несмотря на его высокую стоимость, сразу же проявили интерес ведущие предприятия космической отрасли, в первую очередь НПО им. С.А. Лавочкина. В дальнейшем усовершенствование сплава 01570 проходило при участии ЦНИИМВ-НПО «Композит» (ныне ОАО «Композит»).
Производство деформированных полуфабрикатов из сплава 01570 не потребовало новых видов оборудования и в короткое время на основе технологических рекомендаций ВИЛСа было освоено на металлургических заводах в Каменске-Уральском, Самаре и Белой Калитве. Работы по изучению механизма упрочнения сплавов А1-Мд при легировании их скандием были проведены в ВИЛСе и ИМЕТе. Результаты этих работ представлены в многочисленных публикациях, наиболее детально в [9-11]. В последние годы в ВИЛСе при участии других материаловедческих организаций был разработан ряд сплавов этой системы, отличающихся от сплава 01570 главным образом содержанием магния [12]. Ниже представлены некоторые данные, касающиеся опыта и дальнейших перспектив применения сплавов системы А!-Мд-Бо в изделиях космической техники.
Конструкционные сплавы системы А!-Мд-Бс: опыт и перспективы применения
Химический состав сплава 01570 в его современном виде соответствует формуле изобретения совместного патента ОАО ВИЛС и ЦНИИ КМ «Прометей» [13] и регламентирован техническими условиями ОАО ВИЛС, согласованными с ОАО «Композит». Среднее содержание магния в сплаве 01570 составляет 5,8 % (сплав АМг6 содержит в среднем 6,3 % Мд).
В табл. 1 приведены сравнительные механические свойства катаных полуфабрикатов в отожженном состоянии из сплава 01570, полученные на разных металлургических заводах (холоднокатаный тонкий и горячекатаный толстый листы) и аналогичных полуфабрикатов (по справочным данным [14, 15]) из сплава АМг6, показывающие, что сплав 01570 существенно превосходит сплав АМг6 по прочностным свойствам (ств, ст0,2) при близких значениях относительного удлинения (8).
Сравнительные исследования листового материала из сплава АМг6 и 01570, проведенные в НПО им. С.А. Лавочкина на цилиндрических модельных сварных баках диаметром 162 мм, работающих под внутренним давлением, изготовленных из листа толщиной 3 мм, показали, что конструкционная прочность листового сплава 01570, обусловленная прочностью продольного сварного шва (табл. 2), на 26 % выше, чем сплава АМг6 [16].
Аналогичные результаты были получены на сферических сварных модельных емкостях
Таблица 1
Типичные механические свойства катаных полуфабрикатов из сплавов 01570 и АМг6, отожженное состояние,
поперечное направление
Сплав Полуфабрикат Толщина, мм МПа ^0,2' МПа 8, %
01570 Лист 2 10 446 403 329 278 17 18
АМг6 Лист 2 340 170 19
Плита 11-20 333 186 20
-Ф-
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
Таблица 2
Механические свойства отожженных листов толщиной 3 мм из сплавов 01570
и АМг6, а также сварных соединений (аргонодуговая сварка) (по данным [16])
Основной металл Сварное соединение
Сплав МПа ^0,2' МПа 8, % Присадочная проволока ств св, МПа
01570 421 314 20 01571 398
АМг6 343 167 25 СвАМг6 336
диаметром 730 мм: конструкционная прочность листового сплава 01570 примерно на 30 % выше, чем сплава АМг6.
Результаты исследования коррозионной стойкости листов из сплава 01570 и сварных соединений в гептиле, амиле и амидоле показали, что сплав обладает высокой коррозионной стойкостью в этих средах [16]. Полученные результаты позволили рекомендовать сплав 01570 для топливных баков диаметром 1160 мм одного из изделий [16].
Другим направлением применения сплава 01570 (помимо топливных баков) является изготовление крупногабаритных сварных конструкций приборного контейнера, где этот сплав в виде прессованных, кованых и штампованных полуфабрикатов используется для нагруженных элементов (шпангоутов, балок, кронштейнов, фитингов). Применение сплава 01570 взамен сплава АМг6 позволило существенно снизить массу конструкций. Например, в космическом аппарате «Фобос» приборная рама изготовлена из сплава 01570 и снижение массы при этом составило 20 % [16, 17]. В настоящее время сплав 01570 применен в конструкции РБ («Фрегат») НПО им. С.А. Лавочкина.
Сравнительный анализ прочностных свойств крупногабаритных натурных полуфабрикатов из сплава АМг6 и 01570, проведенный специалистами ГРЦ Макеева [18], показал, что превосходство сплава 01570 над сплавов АМг6 по пределу текучести - основной расчетной характеристике материала в конструкциях, работающих на прочность, составляет:
- для крупногабаритных поковок и раскатных колец 85 %;
- для плит толщиной 18-28 мм 69 %.
Специалистами ГРЦ обнаружено, что сплав
01570 обладает повышенной по сравнению со сплавом АМг6 технологической пластичностью: потребные усилия гидропрессов при объемной штамповке заготовок из сплава 01570 в 2-3 раза ниже, чем при штамповке аналогичных заготовок из сплава АМг6. Отмечается также, что сплав 01570, как и сплав АМг6, обладает достаточным сопротивлением общей коррозии и коррозии под напряжением при эксплуатации изделий ГРЦ во влажной атмосфере и в контакте с компонентами топлива [18].
В качестве присадочного материала при аргонодуговой сварке сплава 01570 используется проволока из сплава 01571, химический состав которой соответствует патенту ОАО ВИЛС [19]. В случае, когда требуется повысить прочность металла шва, рекомендуем применить проволоку из более легированного сплава 1597, химический состав которого соответствует совместному патенту ОАО ВИЛС и ЦНИИ КМ «Прометей» [20].
Для нового поколения изделий космической техники в качестве конструкционного материала может быть использован модернизированный вариант сплава 01570 - сплав 1570С (первоначальная марка 01570С), отличающийся от сплава 01570 несколько меньшим содержанием магния и, главным образом, низким и жестко регламентированным содержанием железа и кремния, что позволило повысить важную ресурсную характеристику - сопротивление развитию усталостных трещин.
Из табл. 3 видно, что по этой характеристике отожженный (состояние М) лист из сплава 1570С близок к закаленному и естественно состаренному (состояние Т) листу из наиболее трещиностойкого (несвариваемого) авиационного сплава 1163.
Химический состав сплава 1570С соответствует патенту ОАО ВИЛС [23]. Среднее содержание магния в сплаве 1570С составляет 5,3 %. Механические свойства деформированных полуфабрикатов из сплавов 01570 и 1570С близки. Технологическое опробование полуфабрикатов опытных партий из сплава
"Ф
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
1570С, изготовленных в ОАО ВИЛС, показало перспективность этого сплава как конструкционного материала [21].
В качестве возможного конструкционного материала для изделий космической техники, работающих на криогенном топливе, рассматривается сплав 1545К - совместная разработка ОАО ВИЛС, ОАО «Композит» и ГКНПЦ им. М.В. Хруничева. Сплав содержит около 4,5 % Мд, его химический состав соответствует совместному патенту ОАО ВИЛС и ОАО «Композит» [24]. Предварительные исследования показали, что сплав 1545К может работать при криогенных температурах вплоть до 20 К и при этой температуре по удельной прочности основного материала и прочности сварных соединений превосходит применяемый в настоящее время криогенный термически упрочняемый сплав 1201. Использование сплава 1545К взамен сплава 1201 позволит сократить технологический цикл изготовления изделий, повысить надежность и характеристики весовой отдачи криогенных сварных конструкций.
Как видно из приведенных данных, основной эффект от применения высокопрочных термически неупрочняемых сплавов системы А!-Мд-Бо с высоким содержанием магния (01570, 1570С, 1545К) в качестве конструкционных материалов заключается в снижении массы конструкции космического аппарата, что позволяет увеличить дальность полета
Таблица 3
Скорость роста усталостных трещин da/dN (мм/кцикл) в отожженном листе из сплава 1570С (по данным [21])
и в закаленном и естественно состаренном листе из сплава 1163 (по данным [22]) при разных значениях АК (МПаТм ), Я = 0,1
Сплав, Направление ба/бЫ при АК
состояние вырезки образца 15 31,2
1570СМ П-Д 0,43 2,0
Д-П 0,44 1,99
1163Т П-Д 0,24 2,25
Д-П 0,20 2,0
или вес полезной нагрузки. Немаловажным преимуществом этих сплавов является также возможность обеспечения необходимого уровня прочностных свойств без трудно реализуемой на практике упрочняющей термической обработки(закалки и старения)крупногабаритных заготовок и деталей.
Что касается менее легированных магнием и соответственно менее прочных сплавов этой системы, то, как уже упоминалось в одной из последних публикаций на эту тему [12], их также можно рассматривать как возможные конструкционные материалы, которые позволят улучшить весовые характеристики конструкции. Например, теплопроводные сплавы 01523 (патент ОАО ВИЛС [25]), 01515 (совместный патент ОАО ВИЛС, ОАО «Композит» и НПО им. С .А. Лавочкина [26]) и 01513 (патент ОАО ВИЛС [27]) с пределом текучести на уровне отожженного сплава АМг6 могут быть применены в теплообменных системах, в которых теплообменник является одновременно элементом, воспринимающим силовые нагрузки, что позволит уменьшить массу и габариты конструкции. Сплавы 01511 (совместный патент ОАО ВИЛС и НПО «Техномаш» [28]) и 01411 (патент ОАО ВИЛС [29]) с высокой температурой солидуса могут быть использованы в паяных конструкциях, например, взамен малопрочного сплава АМц с соответствующим снижением массы паяной конструкции.
Заключение
В ОАО ВИЛС при участии других заинтересованных организаций разработаны деформируемые термически неупрочняемые алюминиевые сплавы системы А!-Мд-Бо для космической техники, применение которых в качестве конструкционных материалов позволяет снизить массу конструкции, повысив тем самым основную полетную характеристику космического летательного аппарата - дальность полета или вес полезной нагрузки. Высокопрочные сплавы этой системы дают возможность обеспечить необходимый уровень прочностных свойств без применения трудно реализуемой на практике упрочняющей термической обработки (закалки и старения) крупногабаритных заготовок и деталей. Перс-
-Ф-
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
пективными направлениями дальнейших исследований являются работы по быстрозак-ристаллизованным сплавам этой системы с
существенно более высокими прочностными свойствами, а также по снижению стоимости этих сплавов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Елагин В.И. Научные труды С.М. Воронова по алюминиевым сплавам и их роль в современном металловедении // В кн.: Металловедение и технология легких сплавов. - М.: ВИЛС, 2001. С. 5-15.
2. Кондратьева Н.Б., Золоторевский Ю.С. Сплавы алюминия с магнием (магналии) // В кн.: Промышленные алюминиевые сплавы: Справ. изд. / Алиева С.Г., Альтман М.Б., Амбарцумян С.М. и др. 2-е изд. перераб., и доп. - М.: Металлургия, 1984. С. 37-51.
3. Елагин В.И. Легирование деформируемых алюминиевых сплавов переходными металлами. -М.: Металлургия, 1975. - 248 с.
4. Pat. 3619181. US. Aluminum-Scandium Alloy / 1_.А. Willey. 1971.
5. Дриц М.Е., КаданерЭ.С., Добаткина Т.В., Тур-кина Н.И. О характере взаимодействия скандия с алюминием в богатой алюминием части системы Al-Sc // Изв. АН СССР. Металлы. 1973. № 4. С. 213-217.
6. Туркин Н.И., Кузьмина В.И. Фазовые взаимодействия в система Al-Mg-Sc // Изв. АН СССР. Металлы. 1976. № 4. С. 208-212.
7. Дриц М.Е., Торопова Л.С., Быков Ю.Г. Влияние РЗМ на механические свойства сплава Al-6,5 % Mg // МиТОМ. 1980. № 10. С. 35-37.
8. Авт. свид. 704266 СССР / Дриц М.Е., Торопова Л.С., Быков Ю.Г., Елагин В.И., Филатов Ю.А., Захаров В.В., Золоторевский Ю.С., Макаров А.Г. 1979.
9. Дриц М.Е., Торопова Л.С., Быков Ю.Г., Елагин В.И, Филатов Ю.А. Структура и свойства сплавов Al-Sc и Al-Mg-Sc / В кн.: Металлургия и металловедение цветных сплавов. - М.: Наука, 1982. С.213-223.
10. Елагин В.И. История, успехи и проблемы легирования алюминиевых сплавов переходными металлами // Технология легких сплавов. 2004. № 3. С. 6-29.
11. Филатов Ю.А., Елагин В.И., Захаров В.В. Алюминиевые сплавы , легированные скандием // Ме -таллургия машиностроения. 2005. № 4. С. 10-15.
12. Филатов Ю.А. Алюминиевые сплавы системы Al-Mg-Sc для сварных и паяных конструкций // Технология легких сплавов. 2013. № 2. С. 36-42.
13. Пат. 2081934 РФ / Елагин В.И., Захаров В.В., Филатов Ю.А. и др. Опубл. 20.06.1997. Бюл. № 17.
14. Кондратьева Н.Б., Горохов В.П., Молодчини-на С.П. Структура и свойства листов. Сплавы Al-Mg // В кн.: Структура и свойства полуфабрикатов из алюминиевых сплавов: Справ. изд. /
Арчакова З.Н., Балахонцев Г.А., Басова И.Г. и др. 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1984. С. 78-90.
15. Балахонцев Г.А., Романова О.А., Телешов В.В.
Структура и свойства горячекатаных плит // Там же. С. 165-192.
16. Малинкина Т.И., Маркачев Н.А., Ковтун В.А., Буханова Н.М. Сварные конструкции из алюминиевого сплава 01570 // Сварочное производство. 1998. № 1. С. 17-20.
17. Маркачев Н.А., Ковтун В.А., Буханова Н.М., Лавочкина Л .Л. Опыт создания сварных герметичных конструкций из алюминиевого сплава 01570 // Технология легких сплавов. 1997. № 5. С.14-18.
18. Величко И.И., Додин Г.В., Метелев Б.К., Сотников Н.И., Калабухов В.Д. Особенности сплавов 01570 и 01421 со скандием и опыт их применения // Технология легких сплавов. 1997. № 5. С.19-23.
19. Пат. 2082809 РФ / Филатов Ю.А., Елагин В.И., Захаров В.В. и др. Опубл. 27.06.1997. Бюл. № 18.
20. Пат. 2082808 РФ / Золоторевский Ю.С., Макаров А.Г., Махмудова Н.А. и др. Опубл. 27.06.1997. Бюл. № 18.
21. Филатов Ю.А., Плотников А.Д. Структура и свойства деформированных полуфабрикатов из алюминиевого сплава 01570С системы А1-Мд-Sc для изделия РКК «Энергия» // Технология легких сплавов. 2011. № 2. С. 15-26.
22. Швечков Е.И., Захаров В.В., Ростова Т.Д. К вопросу о выборе марки алюминиевого сплава для обшивочных листов // Технология легких сплавов. 2003. № 1. С. 17-21.
23. Пат. 2233345 РФ / Филатов Ю.А., Давыдов В.Г., Елагин В.И. и др. Опубл. 27.07.2004. Бюл. № 21.
24. Пат. 2343218 РФ / Филатов Ю.А., Елагин В.И., Захаров В.В. и др. Опубл. 10.01.2009. Бюл. № 1.
25. Пат. 2410458 РФ / Филатов Ю.А., Захаров В.В., Панасюгина Л.И. Опубл. 27.01.2011. Бюл. № 3.
26. Пат. 2384636 РФ / Филатов Ю.А., Елагин В.И., Захаров В.В. и др. Опубл. 20.03.2010. Бюл. № 8.
27. Пат. 2416658 РФ / Филатов Ю.А., Аксенова Е.А., Панасюгина Л.И. и др. Опубл. 20.04.2011. Бюл. № 11.
28. Пат. 2384637 РФ / Филатов Ю.А., Елагин В.И., Захаров В.В. и др. Опубл. 20.03.2010. Бюл. № 8.
29. Пат. 2416657 РФ / Пименов Ю.П., Филатов Ю.А., Конкевич В.Ю. и др. Опубл. 20.04.2011. Бюл. № 11.
