CC BY
26
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
УДК 669.715:620.18
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ПЛИТЫ ТОЛЩИНОЙ 80 ММ ИЗ СПЛАВА В95пчТ2
О.Г. Сенаторова, канд. техн. наук, Н.Ю. Серебренникова (e-mail: [email protected]), В.В. Антипов, канд. техн. наук, А.Л. Иванов (ФГУП «ВИАМ», г. Москва), В. И. Попов (ОАО «КУМЗ», г. Каменск-Уральский)
Даны результаты исследований структуры и основных эксплуатационных свойств: механических, вязкости разрушения, скорости роста трещины усталости, малоцикловой усталости, коррозионной стойкости (КР и РСК) по сечению плит толщиной 80 мм из высокопрочного сплава В95пч (типа 7175) в состоянии Т2 (типа Т76).
Ключевые слова: сплав В95пчТ2; высокопрочный; алюминиевый; массивная плита; слиток; эксплуатационные свойства; структура.
Investigation of Structure and Properties of an 80 mm Thick V95pchT2 Alloy Plate. O.G. Senatorova, N.Yu. Serebrennikova, V.V. Antipov, A.L. Ivanov, V.I. Popov.
The results of investigation of structure and main performance characteristics such as mechanical properties, fracture toughness, fatigue crack growth rate, low-cycle fatigue and corrosion resistance (SCC and EXCO) through the section of 80 mm thick plates of high-strength V95pchT2 aluminium alloy (similar to 7175T76 alloy) are shown.
Key words: V95pchT2 alloy; high-strength; aluminium; massive plate; ingot; performance characteristics; structure.
Введение
Высокопрочные сплавы В95оч/пч в состоянии Т2 (зарубежные аналоги типа 7475Т76, 7175Т76) на основе традиционной системы Al-Zn-Mg-Cu продолжают эффективно использовать в современной и перспективной отечественной и зарубежной авиационной технике [1-5]. Сплавы В95оч/пч, как правило, применяют для обшивки верхней поверхности крыла самолета, которая работает в основном на сжатие.
Катаные плиты являются одним из наиболее распространенных видов полуфабрикатов авиационного назначения. Их поставляют по отраслевой документации при толщинах до 100 мм из сплавов В95пч/очТ1, Т2, Т3 [6-8].
Для обеспечения возрастающих требований к надежности, ресурсу и весовой эффективности конструкций происходит постоянное совершенствование композиций высокопрочных сплавов по легирующим элементам
и примесям, технологическим процессам и параметрам производства, осуществляется поиск новых режимов термической и термомеханической обработок полуфабрикатов для получения необходимого и сбалансированного комплекса эксплуатационных и технологических характеристик. Для обеспечения необходимого уровня характеристик трещиностойкости, усталости и коррозионной стойкости предъявляются высокие требования к чистоте высокопрочных сплавов по примесям (металлическим - железу, кремнию; неметаллическим - водороду) и состоянию термообработки [9-11].
Условно к массивным относят плиты толщиной более 50-60 мм. Из-за пониженной скорости охлаждения при закалке и возможной неоднородности деформации при прокатке массивных плит могут ухудшаться эксплуатационные свойства (пластичность, вязкость разрушения, сопротивление усталости, коррозионные характеристики, особенно в высотном и поперечном направле-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
ниях). Это происходит даже в пределах толщин плит, предусмотренных стандартами [12-15].
В последние годы проявляется интерес к использованию массивных плит толщиной до 100 мм. Гарантированный уровень свойств этих плит не может быть перенесен автоматически, только ориентируясь на свойства плит меньших толщин (до ~ 40 мм). Для установления пределов по толщинам и свойствам массивных плит были проведены специальные исследования и испытания в данной работе.
Анализ реальной практики и стандартов [13, 14] показывает, что из высокопрочных сплавов в состоянии Т2 рекомендуется применение авиационных плит толщиной до -40-50 мм. Более толстые плиты предпочтительно применять в более перестаренном состоянии Т3 с некоторым понижением прочностных характеристик, но улучшением характеристик трещиностойкости и коррозионной стойкости, особенно в поперечном и высотном направлениях [15-17]. Также эти плиты предпочтительно контролировать в трех направлениях: продольном, поперечном и высотном, включая коэффициент вязкости разрушения К|С.
Экспериментальная часть
Комплексному исследованию подвергали заготовки из массивных плит в основном толщиной 80 мм из сплава В95пчТ2, которые были изготовлены по принятой в ОАО «КУМЗ» серийной современной технологии плавки и литья, гомогенизационного отжига, дефор-
Рис. 1. Схема вырезки образцов для исследований структуры и свойств по толщине плиты из сплава В95пчТ2
мации прокаткой и термообработки из крупных слитков сечением 460x1640 мм, отлитых на газовом плавильно-литейном агрегате с электрическим вакуумным миксером. Плиты подвергали закалке на горизонтальном агрегате Ebner со спреерным охлаждением поверхности, последующей правкой растяжением с остаточной деформацией - 2%, затем двухступенчатому старению по режиму Т2.
Для проведения исследований свойств и испытаний вырезали темплеты из срединной части по ширине плит, а из темплетов - образцы из двух зон: средней (1/4i сечения) центральной (1/2tсечения) вдоль и поперек направления проката плиты, а также в высотном направлении (рис. 1). Структуру плит изучали по всей толщине сечения, включая поверхностную зону, так как на практике плиты подвергают фрезерованию на разном расстоянии от поверхности .
Исследовали структуру, технологическую пластичность, распределение компонентов и примесей по поперечному сечению слитков; определены механические свойства и вязкость разрушения плит в трех направлениях, СРТУ и МЦУ, коррозионные свойства (РСК, КР).
Все испытания и исследования проводили на стандартных образцах и современном оборудовании в соответствии с технической документацией:
- распределение компонентов и примесей по сечению плит определяли спектральным методом по ГОСТ 7727-81;
- металлографический анализ плит проводили на оптическом микроскопе Neo-
phot-32, оснащенном программно-аппаратным фотокомплексом;
- механические свойства при испытании на растяжение при комнатной температуре определяли на образцах с диаметром рабочей части 5 мм на испытательной машине MTS по ГОСТ 1497-84;
- удельную электропроводимость определяли вих-ретоковым методом с помощью прибора ВЭ17-НЦ по ОСТ 1 92133-2002;
-Ф-
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
- вязкость разрушения К1с определяли на образцах толщиной 50 мм (ДП, ПД) и 25 мм (ВД) на испытательной машине МТБ по ОСТ 1 90356-84 и ГОСТ 25.506;
- скорость роста трещины усталости (СРТУ) определяли на образцах 10*100*420 мм на испытательной машине МТБ в соответствии с ОСТ 1 90268-78 и ГОСТ 25.506-85;
- сопротивление малоцикловой усталости (МЦУ) определяли на образцах полосы с отверстием (к = 2,6) на испытательной машине МТБ по ГОСТ 25.502-79;
- испытания на расслаивающую коррозию (РСК) проводили на продольных образцах 6*35X40 мм по ГОСТ 9.904-82.
Результаты
Распределение компонентов и примесей анализировали по сечению слитков методом спектрального анализа.
Отмечена высокая чистота исследованных сплавов по примесям, особенно по кремнию, которая сложилась в последние годы для авиационных полуфабрикатов (табл. 1).
Как видно, легирующие компоненты и примеси распределяются довольно однородно (рис. 2) по центральному сечению крупного слитка (толщиной 460 мм) и отвечают среднему содержанию элементов при плавке сплава номинального состава (см. табл. 1).
В интервале температур 350-450 °С слиток из сплава В95оч характеризуется максимальным уровнем пластических свойств центральных слоев в температурном интервале 390-410 °С: 8 = 69,6-66,0%; у = 95,8-96,6% (рис. 3).
Анализ макростуктуры массивных катаных плит из сплава В95пчТ2 толщиной 80 мм проводили на макротемплетах, вырезанных в продольном направлении. Травление выполняли в 20%-м растворе №ОН. Подтверждено, что волокна структуры ориентированы вдоль направления проката плит. По сечению плит не наблюдали металлургических дефектов -трещин, пористости, расслоений, включений. Методом ультразвукового контроля (УЗК) дефектов также не выявлено.
§ 7,0 а
6,0
к о к
а
8 о К
К
«
N
а
о
ч о О
5,0 4,0 3,0 2,0 1,0
гп
Поверхность _
широкой грани
Центр
■МЕ
-Си-
_|_I_I_1_
_|_I_I_I_1_
0 15 45 75 105 135 165 195 225 ?/2, мм
0,20 0,18 0,16
т0, н
0,
н о
к
м ко0
ие0 н а0 N °
ер0
§ '
О
14 12 0,10
Поверхность -= широкой грани
^г^Г. . . . . .
Бе
Сг
Центр"
_|_I_I_I_I_I_I_1_
Л _|_1_
0 15 45 75 105 135 165 195 ?/2, мм
225
Рис. 2. Распределение компонентов в центральной зоне литниковой части слитка сечением 460* 1640мм сплава В95пч в направлении от поверхности широкой грани к центру
Таблица 1
Номинальный химический состав (%) слитка из сплава В95пч
Состояние Б1 Ре Си Мп Мд Сг 2п Т1 А1 Н2, см3/100 г
Расплав 0,04 0,16 1,5 0,45 2,5 0,11 6,1 0,03 Осн. 0,17
Слиток 0,03- 0,16- 1,5- 0,46- 2,4- 0,11- 6,0- 0,03- Осн. 0,17
0,04 0,17 1,6 0,47 2,6 0,12 6,3 0,035
ОСТ 1 90026-80 <0,1 0,05- 1,4- 0,2- 1,8- 0,10- 5,0- 0,01- Осн. <0,25
0,25 2,0 0,6 2,8 0,25 6,5 0,06
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
350
69,6
66
65,5
— 52 51,:
43 —
1 1 1 1 1
370
390
410
430
О
450 Т, °С
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
_92,9_94,2_95,8 96,6
J__ i _ i _ l __L
-91,5"
61,1
350 370 390 410 430 450 Т, °С
Рис. 3. Пластические свойства центральных слоев слитка из сплава В95оч в интервале температур испытания 350—450 °С
Микроанализ на оптическом микроскопе ЫеорИо1-32 показал, что плиты из высокопрочного алюминиевого сплава В 95 пчТ2 имеют преимущественно нерекристаллизо-ванную волокнистую структуру, ориентированную вдоль направления проката и отличающуюся относительно тонким строением. К поверхности структура становится более рекристаллизованной, с укрупнением зерна (рис. 4). Количество избыточных интерме-таллидов (включений) по данным микроанализа сравнительно небольшое -1,5 % об.
Наблюдаются известные закономерности изменения механических свойств плит: прочностные свойства несколько снижаются в поперечном направлении на -10 МПа, а в высотном на ~ 25-30 МПа. Особенно это снижение заметно, как и следовало ожидать, для относительного удлинения, которое имеет самый низкий уровень в высотном направлении (табл. 2).
Коэффициент К|С, на котором сказываются различные металлургические факторы - неоднородности структуры (количество интер-
где
Рис. 4. Микроструктура плиты толщиной 80 мм из сплава В95пчТ2 в продольном (а, б, в) и поперечном (г, д, е) направлениях. Травление в концентрированной HNO3:
а - поверхностная зона; б - средняя зона (1/4 толщины плиты); в - центральная зона (1/2 толщины плиты)
-Ф-
-Ф-
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
Таблица 2 Свойства плит толщиной 80 мм из сплава В95пчТ
Характеристика Направление (расположение по сечению) Среднее значение из пяти образцов Требования стандартов
Предел прочности ств, МПа Д(1/2) Д(1/4) П(1/2) П(1/4) В 510 510 495 515 480 > 460
Предел текучести ст0 2, МПа Д(1/2) Д(1/4) П(1/2) П(1/4) В 435 440 425 440 410 > 365
Относительное удлинение 85, % Д(1/2) Д(1/4) П(1/2) П(1/4) В 11,5 11,5 8,5 9,5 4,5 > 6,0
Вязкость разрушения K1c, МПа*м1/2 ДП (1/2) ДП (1/4) ПД (1/2) ВД 41,0 37,2 29,0 26,0 > 34,0
Малоцикловая усталость МЦУ, Nср, цикл. (атах = 157 МПа, ^ = 2,6, f = 5 Гц) Д (1/2) Д (1/4) 115 000 (98 000-127 000) 121 000 (82 000-158 000) -
СРТУ dl/dN, мм/кцикл. ДП (1/2) AK, МПа-м1/2 12,4 24,8 31,0 0,12-0,25 1,41-1,81 3,28-3,32 -
Склонность к расслаивающей коррозии РСК, бал. ДП (1/2) 5 < 5
Склонность к КР «Кольца» ВД сткр, МПа Долговечность, сут. 290 > 90 > 290 > 90
«Сигнал» сткр, МПа Долговечность, сут. 175 > 45 175 > 45
Удельная электропроводимость, 1/р, МСм/м - 21,0-21,5 > 20,7
металлидов, прокаливаемость), определяли, как и механические свойства при растяжении, во всех направлениях (ДП, ПД, ВД).
Значения K1с у испытанных плит соответствуют средним значениям зарубежных данных, обобщенных в Military Handbook [16].
Полученный уровень скорости роста трещины усталости (СРТУ) соответствует паспорт-
ным и сертификационным данным для плит из сплава В95пчТ2. Долговечность образцов при малоцикловой усталости практически однородна по сечению (1/2^ 1/4^, находится в полосе разброса, характерной для плит из сплава В95пчТ2, и соответствует паспортным данным.
Коррозионная стойкость (коррозионное растрескивание КР, расслаивающая корро-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
зия РСК) отвечает стойкости, присущей сплаву В95пчТ2 и зафиксированной в документации. Это подтверждается измерением удельной электропроводимости по сечению плит методом вихревых токов (см. табл. 2).
Заключение
Плоские слитки для изготовления массивных плит из сплавов В95пч, В95оч рекомендуется отливать толщиной сечения не более 460 мм, для исключения ухудшения ряда ха-
рактеристик плит (снижения вязкости разрушения К|С, удлинения 8 и сопротивления РСК).
При производстве термообработанных массивных плит из высокопрочных сплавов типа В95пч системы Л!-7п-Мд-Си авиационного назначения (толщиной более 80 мм) рекомендуется контролировать механические свойства в трех направлениях, вырезанных из серединных слоев: продольном (Д), поперечном (П) и высотном (В), а также вязкость разрушения К1С в двух направлениях ДП и ВД.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
2.
3.
4.
Каблов Е.Н. ВИАМ: Продолжение пути // Наука в России. 2012. № 11. С. 16-21. Фридляндер И.Н. Воспоминания о создании авиакосмической и атомной техники из алюминиевых сплавов. - М.: Наука, 2005. - 275 с. Антипов В.В. Стратегия развития титановых, магниевых, бериллиевых и алюминиевых сплавов // Авиационные материалы и технологии. 2012. № S. С. 226-230.
Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. № 1 (34). С. 3-33.
5. Каблов Е.Н. Всероссийскому институту авиационных материалов - 80 лет // Деформация и разрушение материалов. 2012. № 6. С. 17-19.
6. Алюминиевые сплавы. Справочное руководство в 6 т. / Под ред. Фридляндера И.Н., Добаткина В.И., Ливанова В.А., Квасова Ф.И., Белова А.Ф., Ша-лина Р.Е. - М.: Металлургия, 2-е изд. 1983. -1986 гг.
Антипов В.В., Сенаторова О.Г., Ткаченко Е.А., Вахромов Р.О. Алюминиевые деформируемые сплавы // Авиационные материалы и технологии. 2012. Юбилейный научно-технический сборник. С. 167-182.
Энциклопедия. Машиностроение. Т. II-3. Цветные металлы и сплавы. Композиционные металличе-
7.
ские материалы / Под ред. Фридляндера И.Н., Каблова Е.Н., Сенаторовой О.Г. - М.: Машиностроение, 2001. С.94-144.
9. Ovsyannikov B.V. Beware of Grain Refinement. Aluminium Alloys. 2014-ICAA-14. Trondheim, Norway. 2014. P. 143-149.
10. Каблов Е.Н. Авиакосмическое материаловедение // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2008. № 3. С. 2-14.
11. Ерасов В.С., Гриневич А.В., Сеник В.Я., Коновалов В.В., Трунин Ю.П., Нестеренко Г.И. Расчетные значения характеристик прочности авиационных материалов // Авиационные материалы и технологии. 2012. № 2. С. 14-16.
12. ТУ I-92-81-87. Длинномерные авиационные плиты из алюминиевых сплавов марок 1163, В95оч и В95пч.
13. ТУ 1-92-59-88. Плиты длинномерные авиационные марки В95пч.
14. Aluminum Standards and Data. The Aluminum Association. USA, 2006. P. 6-9, 7-15.
15. Proceedings of ICAA-5 - ICAA-14, 1996-2014.
16. MIL HDBK 5H. Chance Notic 1, 1 October 2001. P. 3.11-3.13.
17. Скорняков В.И., Антипов В.В., Семовских Е.В.
Развитие металлургического производства Каменск-Уральского металлургического завода для полуфабрикатов из новых алюминиевых сплавов // Цветные металлы. 2013. № 9. С. 30-33.
