CC BY
27
УДК 669.71.01:669.793
РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О ЛЕГИРОВАНИИ СКАНДИЕМ СПЛАВОВ Al-Mg
Ю.А. Филатов, докт. техн. наук (ОАО «ВИЛС», e-mail: info@oaovils.ru)
Рассмотрены пути повышения прочностных свойств деформированных полуфабрикатов из сплавов системы Al-Mg-Sc. Показана возможность получения прессованных полуфабрикатов с ств = 700 МПа.
Ключевые слова: сплавы системы Al-Mg-Sc, полуфабрикаты, прочностные свойства.
Evolution of Ideas about Scandium Alloying of Al-Mg Alloys. Уы.А. Filatov.
Ways for improvements in strength properties of wrought Al-Mg-Sc alloy semiproducts are discussed. The possibility of production of the extruded semiproducts having UTS of 700 MPa are shown.
Key words: Al-Mg-Sc alloys, semiproducts, strength properties.
Введение
В 1971 г. американский исследователь 1_.А. Willey получил патент на алюминиевые сплавы, легированные скандием [1]. В нашей стране в 70-х гг. проводились интенсивные исследования по влиянию скандия на структуру и свойства алюминия и его сплавов в ИМЕТе под руководством М.Е. Дрица и в ВИЛСе под руководством В.И. Елагина. После того, как в ИМЕТе были проведены лабораторные опыты, показавшие, что добавка скандия в сплав А1-6,5 % Мд позволяет существенно повысить его прочностные свойства, было решено объединить усилия ИМЕТа и ВИЛСа по созданию промышленного конструкционного сплава на основе системы А1-Мд-Бс с существенно более высокими, чем у стандартных сплавов АМг6 и АМг61, прочностными свойствами при сохранении таких важных достоинств сплавов А1-Мд, как хорошая свариваемость, высокая коррозионная стойкость и отсутствие необходимости в упрочняющей термической обработке - закалке и старении. К этой работе присоединился также ЦНИИ КМ «Прометей». В конце 70-х гг. такой сплав был создан [2], ему была присвоена марка 01570. Химический состав сплава 01570 в его современном виде
соответствует патенту [3]. Сплав содержит в среднем 6 % Мд, около 0,25 % Бс, а также добавки Мп и 7г и является наиболее прочным термически неупрочняемым алюминиевым сплавом из числа получаемых методами слитковой металлургии. Деформированные полуфабрикаты из сплава 01570 применяют в качестве конструкционного материала в космической технике.
Учитывая постоянно растущие требования к весовому совершенству изделий космической техники, возникает вопрос о возможности повышения прочностных свойств деформированных полуфабрикатов из сплавов системы А1-Мд-Бс. В этой связи представляется целесообразным рассмотреть такую возможность, исходя из основных принципов легирования скандием алюминия и его сплавов, главным образом сплавов А1-Мд, впервые опубликованных в работе В.И. Добаткина с соавторами в 1983 г. и вошедшей в сборник его избранных трудов, изданный в 2001 г. [4].
Основные принципы легирования скандием сплавов А1-Мд
В работе [4] приведен ряд экспериментальных данных, касающихся механизма упроч-
нения алюминия и сплавов А1-Мд при легировании их скандием и достигнутого уровня прочностных свойств лабораторных образцов. Рассмотрены особенности распада аномально пересыщенного твердого раствора сплава А1-0,5 % Бе, показано, что наибольший эффект дисперсионного твердения литых образцов (отливка в кокиль со скоростью охлаждения vоXл ~ 100 °С/с) наблюдается в интервале температур 250-350 °С, максимальный эффект упрочнения соответствует практически полному распаду твердого раствора, максимальные значения твердости 90 ед. НВ достигаются после выдержки 1ч при 300 °С, при этом ДИВ = 65 ед. Горячепрессованные прутки из сплава А1-Бс, содержащего 0,5-0,6 % Бе (слитки диаметром 50 мм отливали в водоох-лаждаемую изложницу, температура нагрева слитка перед деформацией ~ 300 °С) имели ств = 270 МПа, ст0 2 = 220 МПа, 8 = 10 %. Поскольку в тройной диаграмме А1-Мд-Бс в равновесии с твердым раствором находятся только фазы БсА1з и Мд2А1з, то согласно [4] наличие в сплаве наряду со скандием также и магния не должно изменить характер распада твердого раствора скандия в алюминии. Исследование зависимости механических свойств сплавов системы А1-0,4 % Бс-Мд от содержания магния, проведенное на горячепрессован-ных прутках, показало, что с ростом содержания магния в сплаве до 6 % ств увеличивается с 270 до 470 МПа. Упрочнение в сплавах системы А1-Бс-Мд согласно [4] является следствием трех причин: непосредственно упрочняющее действие вторичных частиц фазы БсА1з, выделяющихся при нагреве и деформации из пересыщенного твердого раствора; структурное упрочнение; твердорастворное упрочнение магнием.
Основные принципы легирования скандием алюминия и сплавов А1-Мд заключаются согласно [4] в следующем:
1. Легирование алюминия и его сплавов скандием приводит к возможности их существенного упрочнения вследствие непосредственного упрочняющего действия вторичных частиц БсА1з, образующихся при 250-350 °С, и торможения процесса рекристаллизации частицами БсА13, образующимися при 250-500 °С,
следовательно, повышения вероятности сохранения полигонизованной структуры.
2. Несмотря на относительно высокий эффект дисперсионного твердения, двойные сплавы алюминия со скандием в варианте слиткового литья не имеют преимуществ перед серийными малолегированными алюминиевыми сплавами для полуфабрикатов общего назначения. Для изыскания высокопрочных сплавов перспективно исследование гранулируемых сплавов с высокой степенью пересыщенности твердого раствора скандием.
3. Наиболее перспективно легирование скандием термически неупрочняемых сплавов, в которых не образуются химические соединения легирующих элементов со скандием, в частности сплавов А1-Мд, когда возможно совмещение упрочнения вследствие распада твердого раствора скандия в алюминии с твердорастворным упрочнением другими легирующими компонентами. Тепловые режимы в процессе обработки в этом случае не должны приводить к разупрочняющей стадии распада твердого раствора скандия в алюминии. Иаи-более приемлема для этого класса сплавов бесслитковая прокатка.
4. При всех вариантах легирования скандием алюминиевых сплавов необходимо учитывать, что основную функцию несет только скандий, находящийся после кристаллизации в твердом растворе. Поэтому содержание скандия следует выбирать в пределах его растворимости по соответствующей метаста-бильной диаграмме состояния.
Особенности структуры и механических свойств слитков и деформированных полуфабрикатов из сплава 01570 промышленных плавок
Проведенные исследования слитков полунепрерывного литья сплава 01570 и изготовленных из них различных деформированных полуфабрикатов позволили выявить ряд особенностей структуры и прочностных свойств литого и деформированного металла [5].
Установили, что в условиях промышленного полунепрерывного литья ^охл « 10 °С/с) основная часть скандия фиксируется в твердом растворе, распад которого происходит по тем же
-Ф-
-Ф-
закономерностям, что и в случае лабораторных плавок сплава А1-0,5 % Бс [4], при этом максимальное значение твердости 108 ед. НВ достигается после выдержки 1 ч при 350 °С, ДНВ = 32 ед. Предел текучести (ст0,2) металла слитка диаметром 315 мм после нагрева при 350 °С и выдержки 4 ч увеличился со 141 до 228 МПа.
Деформированные полуфабрикаты из сплава 01570 как в горячедеформированном, так и в отожженном по режиму, принятому для сплава АМг6, состояниях, имеют нерекрис-таллизованную структуру, это относится также к листам, отожженным после холодной прокатки. Однако уровень прочностных свойств сильно зависит от степени деформации при обработке давлением. Наиболее высокую прочность имеют тонкие листы и прессованные полуфабрикаты малых сечений (ств - 440 МПа, ст0,2 - 340 МПа). Наименее прочными оказываются деформированные полуфабрикаты больших сечений, полученные из крупных слитков -толстые плиты, прессованные прутки больших диаметров (ств - 390 МПа, ст0 2 - 240 МПа).
Пути повышения прочностных свойств
деформированных полуфабрикатов из сплавов типа 01570 системы А!-Мд-Бс
Возможен вариант технологии, когда процесс упрочнения продуктами распада твердого раствора скандия в алюминии осуществляется во время окончательного отжига деформированного полуфабриката. Такой вариант использовали при получении листов из мелких слитков прямоугольного сечения размером 64 х 310 х 610 мм сплава А1-6 % Мд-0,5 % Бс по схеме: горячая прокатка негомогенизиро-ванного слитка при 288 °С до толщины 8 мм -холодная прокатка до толщины 2,5 мм - отжиг (старение) при 288 °С, 4 ч. Получили листы с ств = 503 МПа, ст0 2 = 433 МПа, 8 = 10,5 % [6]. Это высокие показатели прочности, однако, вряд ли эту идею можно использовать для крупных слитков, учитывая необходимость их гомогенизации. Самым практичным с точки зрения более полной фиксации скандия в твердом растворе за счет повышения скорости охлаждения при кристаллизации представляется применение литья в электромагнитный
кристаллизатор (ЭМК). Поскольку для реализации идеи В.И. Добаткина о бесслитковой прокатке сплава 01570 потребуется совершенно новое оборудование, можно было бы изготавливать листы и плиты путем прокатки широких слитков небольшой (~ 200 мм) толщины, отлитых в ЭМК. Можно полагать, что плиты толщиной 30-40 мм, полученные из таких слитков, будут иметь более высокие прочностные свойства, чем ранее упомянутые ств - 390 МПа и ст02 - 240 МПа.
Для повышения прочности прессованных полуфабрикатов из сплава 01570 можно применить различные варианты интенсивной пластической деформации (ИПД), в частности равноканальное угловое прессование (РКУП). Например, применение РКУП позволило получить образцы из сплава 01570 с ств = 475 МПа, ст02 = 370 МПа, 8 = 12 % [7].
По- видимому, оставаясь в рамках слитковой металлургии, поднять уровень прочностных свойств деформированных полуфабрикатов из сплава 01570 и его аналогов (1570С, 1545К) можно будет, ориентируясь на литье в ЭМК и различные варианты ИПД. Значительно большие возможности в этом смысле открывает гранульная металлургия.
В ВИЛСе получены прессованные прутки из гранулируемых сплавов системы А1-Мд-Бс следующих двух расчетных составов: А1-3 % Мд-1,5 % Бс-1,5 % гг и А1-3 % Мд-1 % Бс-1 % гг-1 % Сг. Гранулы изготовлены методом центробежного литья в воду, скорость охлаждения при кристаллизации составляла 103-104 °С/с. Прутки имели весьма высокие прочностные свойства при удовлетворительной пластичности, а именно: ств = 509 и 524 МПа, ст0 2 = 458 и 476 МПа, 8 = 13,7 и 12,5 % соответственно [8].
В Германии получили прессованные прутки и тонкостенные профили из сплава А1-4,3 % Мд-0,7 % Бс-0,3 % гг-0,3 % Мп, изготовленного из тонких чешуек, полученных методом спиннингования, скорость охлаждения при кристаллизации порядка 106 °С/с. Прессованные полуфабрикаты имели ств = 500 МПа, ст0,2 = 470 МПа, 8 = 15 %. Предполагают, что прессованные прутки из сплава А1-3,9 % Мд-1,25 % Бс-0,55 % гг-0,7 % Мп, полученного таким же методом, будут иметь ств = 700 МПа [9].
Конечно, полуфабрикаты, в основном прессованные малых сечений, из быстрозакрис-таллизованных частиц (гранулы, чешуйки) имеют значительно более высокие прочностные свойства, чем полученные методами традиционной слитковой металлургии, однако массивные полуфабрикаты, например плиты или крупногабаритные прутки и профили, пока еще из быстрозакристаллизованных сплавов системы А1-Мд-Бс не получены. По-видимому, высокопрочные профили из сплавов А1-Мд-Бс, изготовленных методом гранулирования или спиннигования,целесообразно использовать в качестве упрочняющих элементов в сочетании с обычными полуфабрикатами из сплавов этой системы.
Выводы
1. Достигнутый уровень прочностных свойств деформированных полуфабрикатов
из наиболее прочного термически неупроч -няемого сплава системы А1-Мд-Бс 01570, получаемых методами слитковой металлургии, составляет: ств « 440 МПа для тонких листов и профилей и 390 МПа для толстых плит и мас -сивных прутков и профилей.
2. Прочностные характеристики деформированных полуфабрикатов из сплава 01570 и его аналогов, получаемых методами слитковой металлургии, могут быть повышены за счет применения литья в электромагнитный кристаллизатор и различных методов интенсивной пластической деформации.
3. Наиболее высокий уровень прочности сплавов системы А1-Мд-Бс достигнут на опытных образцах прессованных полуфабрикатов, полученных из быстрозакристаллизо-ванных частиц: ств = 500 МПа, в перспективе 700 МПа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Pat. 3619181 US. Aluminum-Scandium Alloy / L.A. Willey. 1971.
2. А. с. 704266 СССР. Сплав на основе алюминия / 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.
3. 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., Золоторевский Ю.С., Чижиков В.В. Опубл. 20.06.97. Бюл. № 17.
4. Добаткин В.И., Дриц М.Е., Торопова Л.С., Елагин В.И., Быков Ю.Г., Филатов Ю.А. Основные принципы легирования скандием алюминия и его сплавов // В кн.: Избранные труды В.И. Добаткина. - М.: ВИЛС, 2001. С. 306-316.
5. Филатов Ю.А. Сплавы системы Al-Mg-Sc как особая группа деформируемых алюминиевых
сплавов // Технология легких сплавов. 2014. № 2. С. 34-41.
6. Sawtell R.R., Jensen C.L. Mechanical properties and microstructures of Al-Mg-Sc alloys // Metallurgical Transactions A. 1990. V. 21A. P. 421-430.
7. Добаткин С.В., Захаров В.В., Перевезенцев В.Н., Ростова Т. Д., Копылов В.И., Рааб Г.И. Механические свойства субмикрокристаллических сплавов Al-Mg (АМг6) и Al-Mg-Sc (01570) // Технология легких сплавов. 2010. № 1. С. 74-83.
8. Конкевич В.Ю. Гранулируемые алюминиевые сплавы со скандием и перспективы их применения // Технология легких сплавов. 1997. № 5. С. 29-32.
9. Palm F. Hypereutectic high strength AlMgSc profile materials // AEROMAT 2006. Seattle, USA (труды конференции).
