CC BY
19
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
Научный редактор раздела докт. техн. наук В.В. Захаров
УДК 669.715:669.793
DOI: 10.24412/0321-4664-2022-3-4-7
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДОБАВОК Fe + Со и Ж НА СОПРОТИВЛЕНИЕ ПОЛЗУЧЕСТИ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА 01570
Юрий Аркадьевич Филатов, докт. техн. наук
Всероссийский институт легких сплавов, Москва, Россия, info@oaovils.ru
Аннотация. Исследовали влияние добавок Fe + Ni, кобальта и гафния на сопротивление ползучести высокопрочного термически неупрочняемого алюминиевого сплава 01570 системы А1-Мд-Эс. Сравнительные испытания проводили на отожженных прессованных прутках из сплава 01570 и из трех сплавов с указанными добавками. Сопротивление ползучести оценивали по величине остаточного относительного удлинения после испытаний на ползучесть при температуре 125 °С, напряжении 147 МПа и времени испытания 25 ч. Наилучшие результаты показал сплав с добавкой гафния (условная марка 1570ГФ). Остаточное относительное удлинение прутка из сплава 1570ГФ было в 1,5 раза меньше, чем у прутка из сплава 01570.
Ключевые слова: система Al-Mg-Эс, сплав 01570, механические свойства, повышенные температуры, сопротивление ползучести
A Study of the Effect of Fe + Ni, Co and Hf Additives on the Creep Resistance of 01570 Aluminum Alloy. Dr. of Sci. (Eng.) Yuri A. Filatov
All-Russian Institute of Light Alloys, Moscow, Russia, info@oaovils.ru
Abstract. An influence of Fe + Ni, cobalt and hafnium additions on the creep resistance of a high-strength, non-heat-treatable Al-Mg-Sc alloy 01570 was investigated. Comparative tests were carried out using extruded annealed bars made from 01570 alloy and from three alloys with the above mentioned additives. The creep resistance was evaluated by the value of the residual elongation after creep tests at 125 °C, 25 h and 147 MPa stress. The alloy with hafnium addition (conditional grade 1570GF) showed the best results. The residual elongation of the 1570GF alloy bar was 1.5 times lower than that of the 01570 alloy bar.
Key words: Al-Mg-Sc alloys, 01570 alloy, mechanical properties, elevated temperatures, creep resistance
Введение
Высокопрочный термически неупрочняе-мый сплав 01570 на основе системы А!-Мд-Бс (содержит 6 % Мд), разработанный в СССР в конце 70-х гг. прошлого века в результате совместных усилий ВИЛСа, ИМЕТа и ЦНИИ КМ «Прометей» [1] и защищенный в РФ в середине 90-х гг. совместным патентом ВИЛСа и
ЦНИИ КМ «Прометей» [2], применяется в качестве конструкционного материала в изделиях космической отрасли [3-5]. Расширение области применения сплава 01570 возможно за счет повышения его сопротивления ползучести при повышенных температурах.
Из большого числа различных добавок, которые могли бы повысить сопротивление ползуче-
сти сплава 01570, в первую очередь обращает на себя внимание совместная добавка железа и никеля в известном алюминиевом сплаве АК4-1. По данным [6] железо и никель в сплаве АК4-1 образуют нерастворимую сложную фазу Д!9Ре№, которая повышает механические свойства сплава при повышенных температурах, препятствуя пластической деформации. Имеются также данные о том, что добавка кобальта повышает сопротивление ползучести алюминия [7]. Вероятно это связано с наличием в структуре сплава с кобальтом нерастворимых частиц фазы Д19Со2.
Согласно [8] сопротивление ползучести сплава определяется его химическим составом и структурой. Деформация алюминиевых сплавов в условиях умеренных температур и напряжений ниже предела текучести происходит путем скольжения дислокаций. Для снижения скорости ползучести необходимо, чтобы структура сплава состояла из дисперсных частиц термически стабильных фаз высокой плотности, не перерезаемых дислокациями и препятствующих их скольжению.
Как известно [9], ДНМд-Бс-сплавы, содержащие в своем составе также цирконий, упрочняются в результате образования дисперсных (нанометрического размера) частиц фазы Д!3(8с, Zr), являющихся продуктом распада пересыщенного твердого раствора скандия и циркония в алюминии, образовавшегося в процессе кристаллизации слитка заготовительного литья. По данным [10] добавка гафния к алюминиевым сплавам со скандием и цирконием способствует уменьшению размера дисперсных частиц, выделяющихся из алюминиевого твердого раствора, одновременно увеличивается их количество. Также сообщается о значительном эффекте упрочнения при распаде алюминиевого твердого раствора в четверной системе Д!-Бс^г-НТ В этой связи вызывает интерес также
добавка гафния с точки зрения повышения сопротивления ползучести сплава 01570.
Цель настоящей работы -исследовать влияние вышеуказанных добавок (Fe + Ni, Co, Hf) на сопротивление ползучести сплава 01570 при повышенных температурах и определить наиболее эффективную из них.
Материал и методы исследования
В качестве материала для исследования выбрали четыре сплава: базовый сплав 01570 химического состава согласно техническим условиям ОАО «ВИЛС» и три сплава такого же химического состава, но с добавками Fe + Ni, Co и Hf. Сплавы готовили в электрической печи с использованием в качестве шихтовых материалов алюминия А85, магния Мг90, двойных лигатур Al-Mn, Al-Бс, Al-Zr, Al-Ti, Al-Be, Al-Fe, Al-Ni, Al-Hf и отходов собственного производства сплава 01570. Фактический химический состав плавок приведен в табл. 1.
Методом полунепрерывного литья отливали цилиндрические слитки диаметром 134 мм, которые подвергали гомогенизации в соответствии с действующей инструкцией ОАО «ВИЛС». Гомогенизированные слитки резали на мерные заготовки, которые после обточки до диаметра 125 мм прессовали при 400 °С в прутки диаметром 16 мм.
Прутки отжигали при 325 °С, выдержка 1 ч. Механические свойства отожженных прутков (предел прочности ств, предел текучести ст0,2, относительное удлинение 5) определяли при испытании на растяжение в соответствии с ГОСТ 1497-84 [11] цилиндрических образцов с диаметром рабочей части d0 = 5 мм и начальной расчетной длиной l0 = 25 мм.
Сопротивление ползучести отожженных прутков определяли при испытании на пол-
Таблица 1 Химический состав сплавов исследуемых плавок, А1 -основа (% мас.)
Сплав Основные компоненты Добавки Примеси
Mg Mn Бс Zr Ti Be Fe Si Cu Zn
01570 5,8 0,35 0,2 0,12 0,01 0,001 - 0,08 0,05 0,02 0,02
01570 + Fe, Ni 5,3 0,3 0,22 0,1 0,01 0,001 0,45 Fe; 0,35Ni - 0,05 0,02 0,02
01570 + Co 5,9 0,4 0,23 0,08 0,01 0,001 0,4 Co 0,12 0,05 0,02 0,02
01570 + Hf 5,8 0,38 0,21 0,09 0,01 0,001 0,11 Hf 0,15 0,1 0,06 0,1
зучесть в соответствии с ГОСТ 3248-81 [12] цилиндрических образцов диаметром 10 мм с расчетной длиной 100 мм. В качестве показателя сопротивлении ползучести приняли величину остаточного относительного удлинения 5ост после испытания образцов при температуре 125 °С и напряжении а = 147 МПа (15 кгс/мм2), время испытания т = 25 ч.
Результаты экспериментов и их обсуждение
Механические свойства отожженных прутков из сплавов исследуемых плавок приведены в табл. 2 (средние значения по результатам испытаний трех образцов), результаты испытаний на ползучесть - в табл. 3 (средние значения по результатам испытаний трех-пяти образцов).
Как видно из данных табл. 2 и 3, совместная добавка Ре и N к сплаву 01570 привела к снижению прочностных свойств и пластичности прутков, при этом улучшился показатель сопротивления ползучести - величина остаточного относительного удлинения у прутков
из сплава с этой добавкой в 1,37 раза меньше, чем у прутков из сплава 01570. Условно говоря, добавка Ре + N к сплаву 01570 повысила его сопротивление ползучести при 125 °С, а = 147 МПа и т = 25 ч в 1,37 раза. Прочность прутка из сплава с добавкой кобальта слегка повысилась, пластичность немного понизилась. Величина 5ост при испытании прутка из сплава с кобальтом также в 1,37 раза меньше, чем у прутка из сплава 01570.
Добавка гафния повысила прочностные свойства прутков примерно на 5 %, если ориентироваться на предел текучести, но величина относительного удлинения снизилась с 19,5 до 16,5 %, тем не менее по этому показателю прутки из сплава с добавкой гафния соответствуют требованиям технических условий ОАО «ВИЛС» на отожженные прутки из сплава 01570 (5 не менее 14 %). Величина остаточного относительного удлинения у прутков из сплава 01570 с добавкой гафния в 1,5 раза меньше, чем у прутков из сплава 01570 базового состава. Следует признать эту добавку наиболее эффективной из трех исследуемых в настоящей работе, что предположительно можно объяснить наличием в структуре сплава с гафнием частиц фазы А13 (Бо, Zr, ИТ), более дисперсных, более плотных, учитывая высокую плотность гафния, имеющих меньшее межчастичное расстояние и, в силу этих причин, более эффективно препятствующих скольжению дислокаций при температурах порядка 125 °С, чем частицы фазы А!3(8о, Zr) в сплаве 01570 обычного состава.
Заключение
В результате исследования сопротивления ползучести отожженных прессованных прутков из базового сплава 01570 и сплавов такого же химического состава, но с добавками Ре + N Со и ИТ установили, что лучшей с точки зрения повышения сопротивления ползучести является добавка ИТ - остаточное относительное удлинение у прутков из сплава с добавкой ИТ (условная марка сплава 1570ГФ) при испытании на ползучесть при температуре 125 °С, напряжении 147 МПа и времени испытания 25 ч составляет 0,139 %, что в 1,5 раза меньше, чем у прутков из сплава 01570 без дополнительных добавок. При этом прутки из сплава 1570ГФ по прочностным свойствам при комнатной температуре несколько превосходят прутки из сплава 01570 (по пределу текучести примерно
Таблица 2 Механические свойства отожженных прутков диаметром 16 мм из сплавов исследуемых плавок
Сплав ав, МПа а0,2, МПа 5, %
01570 435 300 19,5
01570 + Ре, N1 426 286 15,3
01570 + Со 440 306 17,7
01570 + ИТ 441 315 16,5
Таблица 3 Остаточное относительное удлинение отожженных прутков диаметром 16 мм из сплавов исследуемых плавок после испытаний на ползучесть при 125 °С, ст = 147 МПа, т = 25 ч
Сплав 5ост , %
01570 0,213
01570 + Ре, N1 0,155
01570 + Со 0,158
01570 + ИТ 0,139
на 5 %), но уступают по показателю пластичности - относительному удлинению, тем не менее, относительное удлинение отожженных прутков из сплава 1570ГФ остается на достаточно высоком уровне, соответствующем требованиям технических условий ОАО «ВИЛС» на прессованные прутки из сплава 01570 в отожженном состоянии. Представляется целесообразным продолжить исследование сплава 01570 с добавкой гафния с тем, чтобы в слу-
чае получения положительных результатов на полуфабрикатах больших сечений, чем исследовали в настоящей работе, а также на листовых полуфабрикатах и плитах новый сплав на основе системы Д!-Мд-Мп-Бс^г-НТ (условной марки 570ГФ) можно было бы предложить космической отрасли в качестве конструкционного материала для новых изделий.
По результатам работы подана заявка на выдачу патента на предполагаемое изобретение.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Авт. свид. 704266 СССР. Сплав на основе алюминия / Дриц М.Е., Торопова Л.С., Быков Ю.Г., Елагин В.И., Филатов Ю.А., Захаров В.В., Золоторев-ский Ю.С., Макаров А.Г. 1979.
2. Пат. 2081934 РФ. Деформируемый термически неупрочняемый сплав на основе алюминия / Елагин В.И., Захаров В.В., Филатов Ю.А., Торопова Л.С., Доброжинская Р.И., Андреев Г.Н., Золоторев-ский Ю.С., Чижиков В.В. Опубл. 20.06.97. Бюл. № 17.
3. 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.
4. 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 // Там же. С. 19-23.
5. Баженова О.П., Демина В.Д., Сергеев Д.В., Што-кал А.О. Отработка технологии изготовления топливных баков из алюминиевого сплава 01570 для двигательных установок космических аппаратов для планетарных исследований // Технология легких сплавов. 2019. № 4. С. 67-76.
6. Романова О.А. Жаропрочные сплавы типа АК4-1 // В кн.: Промышленные алюминиевые сплавы. Справ. изд. / Алиева С.Г., Альтман М.Б., Амбарцу-мян С.М. и др. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Металлургия, 1984. С. 109-121.
7. Мондольфо Л.Ф. Структура и свойства алюминиевых сплавов / Пер. с англ. М.: Металлургия, 1979. С. 37.
8. Иванова В.С., Воробьев Н.А. Роль дислокаций в упрочнении и разрушении металлов. М.: Наука, 1965. С. 74.
9. Захаров В.В., Елагин В.И., Ростова Т.Д., Филатов Ю.А. Металловедческие принципы легирования алюминиевых сплавов скандием // Технология легких сплавов. 2010. № 1. С. 67-73.
10. Рохлин Л.Л., Бочвар Н.Р. Физико-химические исследования алюминиевых сплавов с несколькими переходными металлами // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2014. № 2. С. 37-42.
11. ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытаний на растяжение. Введ. 01.01.86. М.: Изд-во стандартов, 1993. Переиздание.
12. ГОСТ 3248-81. Металлы. Метод испытания на ползучесть. Введ. 01.07.82. М.: Изд-во стандартов, 1981.
REFERENCES
1. Avt. svid. 704266 SSSR. Splav na osnove alyumi-niya / Drits M. Ye., Toropova L.S., Bykov Yu.G., Ye-lagin V.I., Filatov Yu.A., Zakharov V.V., Zolotorevskiy Yu.S., Makarov A.G. 1979.
2. Pat. 2081934 RF. Deformiruyemyy termicheski neu-prochnyayemyy splav na osnove alyuminiya / Yela-gin V.I., Zakharov V.V., Filatov Yu.A., Toropova L.S., Dobrozhinskaya R.I., Andreyev G.N., Zolotorevskiy Yu.S., Chizhikov V.V. Opubl. 20.06.97. Byul. № 17.
3. Markachev N.A., Kovtun V.A., Bukhanova N.M., Lavochkina L.L. Opyt sozdaniya svarnykh germetich-nykh konstruktsiy iz alyuminiyevogo splava 01570 // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 1997. № 5. S. 14-18.
4. Velichko I.I., Dodin G.V., Metelev B.K., Sotnikov N.I., Kalabukhov V.D. Osobennosti splavov 01570 i 01421 so skandiyem i opyt ikh primeneniya // Tam zhe. S. 19-23.
5. Bazhenova O.P., Demina V.D., Sergeyev D.V., Shtokal A.O. Otrabotka tekhnologii izgotovleniya toplivnykh bakov iz alyuminiyevogo splava 01570 dlya dvigatel'nykh ustanovok kosmicheskikh appa-ratov dlya planetarnykh issledovaniy // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 2019. № 4. S. 67-76.
6. Romanova O.A. Zharoprochnyye splavy tipa AK4-1 // V kn.: Promyshlennye alyuminiyevye splavy. Sprav. izd. / Aliyeva S.G., Al'tman M.B., Ambartsumyan S.M. i dr. 2-ye izd. pererab. i dop. M.: Metallurgiya, 1984. S. 109-121.
7. Mondolfo L.F. Struktura i svoystva alyuminiyevykh splavov / Per. s angl. M.: Metallurgiya, 1979. S. 37.
8. Ivanova V.S., Vorob'yev N.A. Rol' dislokatsiy v uproch-nenii i razrushenii metallov. M.: Nauka, 1965. S. 74.
9. Zakharov V.V., Yelagin V.l., Rostova T.D., Filatov Yu.A. Metallovedcheskiye printsipy legirovaniya alyuminiyevykh splavov skandiyem // Tekhnologiya legkikh splavov. 2010. № 1. S. 67-73.
10. Rokhlin L.L., Bochvar N.R. Fiziko-khimicheskiye issledovaniya alyuminiyevykh splavov s neskol'kimi perekhodnymi metallami // Vse materialy. Entsiklope-dicheskiy spravochnik. 2014. № 2. S. 37-42.
11. GOST 1497-84. Metally. Metody ispytaniy na ras-tyazheniye. Vved. 01.01.86. M.: Izd-vo standartov, 1993. Pereizdaniye.
12. GOST 3248-81. Metally. Metod ispytaniya na pol-zuchest'. Vved. 01.07.82. M.: Izd-vo standartov, 1981
