СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПЛИТ ИЗ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА 7475 Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 669.717

DOI: 10.24412/0321-4664-2023-2-40-45

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПЛИТ ИЗ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА 7475

Евгений Александрович Завалий1, Сергей Иванович Яковлев1, Семен Львович Цукров1, канд. техн. наук, Юлия Валентиновна Замараева1,2, канд. техн. наук.

1ОАО «Каменск-Уральский металлургический завод», Каменск-Уральский, Россия, e-mail: ZavaliyEA@kumw.ru; YakovlevSI@kumw.ru; tsukrov@bk.ru 2Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения РАН, Екатеринбург, Россия, e-mail: zamaraevajulia@yandex.ru

Аннотация. В условиях ОАО «КУМЗ» из сплава 7475 системы Al-Zn-Mg-Cu в состоянии поставки Т7351 изготавливают плиты толщиной от 6,35 до 101,6 мм, применяемые в авиакосмической технике. Одной из проблем производства данных листов и плит является разность значений прочностных характеристик начала и конца исходной плиты. Разница получаемых результатов испытаний образцов составляет до 34,5 МПа (5 ksi). Проведена корректировка режимов термообработки для стабилизации свойств по концам плит. В эксперименте исследовали 48 исходных плит толщиной от 31,75 до 44,75 мм. Подробно рассмотрен процесс закалочного охлаждения исследуемых плит в горизонтально-закалочном агрегате фирмы EBNER. Выявлено, что снижение скорости движения рольганга при закалке на 10 % приводит к требуемой плоскостности плит и уменьшению длины их переднего участка с пониженной прочностью, при этом разность значений прочностных характеристик начала и конца исходных плит понижается до 15,2 МПа (2,2 ksi), т.е. на 56 %.

Ключевые слова: сплав Al-Zn-Mg-Cu; плиты; закалка; горизонтально-закалочный агрегат; скорость движения рольганга

Improvement of the Technology of Heat Treatment of 7475 Aluminum Alloy Plates. Evgeny A. Zavaliy1, Sergey I. Yakovlev1, Cand. of Sci. (Eng.) Semyon L. Tsukrov1, Cand. of Sci. (Eng.) Julia V. Zamaraeva1,2

1 Kamensk-Uralsky Metallurgical Works, JSC, Kamensk-Uralsky, Russia, e-mail: ZavaliyEA@kumw.ru; YakovlevSI@kumw.ru; tsukrov@bk.ru

2 M.N. Mikheev Institute of Metal Physics of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences (IMP UB RAS), Yekaterinburg, Russia, e-mail: zamaraevajulia@yandex.ru

Abstract. 6.35 to 101.6 mm thick plates used in the aerospace industry are made under the conditions of JSC KUMZ from the Al-Zn-Mg-Cu alloy 7475 (delivery state T7351). One of the problems in the production of these sheets and plates is the difference in strength characteristics of the leading end and the rear end of the initial plate. The difference in test results is up to 34.5 MPa (5 ksi). The heat treatment conditions were corrected to stabilize the properties at the both ends of the plates. 48 initial plates of 31.75 to 44.75 mm in thickness were studied in this experimental work. The process of quench cooling of the plates under studies in the horizontal quenching unit EBNER was considered in detail. It was found out that a 10 % decrease in the roller conveyor speed during quenching ensures the required flatness of the plates and a shortening in the length of their leading end, where the strength is reduced. At the same time, the difference in the strength characteristics of the leading end and the rear end of the initial plates decreases down to 15.2 MPa (2.2 ksi), i.e. by 56 %.

Keywords: Al-Zn-Mg-Cu alloy; plates; hardening; horizontal hardening unit; roller conveyor speed

Введение

Высокопрочные алюминиевые сплавы на базе традиционной системы А!-2п-Мд-Си широко используются в современной авиационной и ракетной технике. Например, плиты из сплава 7475 применяют для изготовления верхней обшивки крыльев пассажирских и транспортных самолетов [1-3]. Данный сплав в состоянии поставки Т73 характеризуется высокой прочностью и стойкостью к коррозии [4, 5].

Следует отметить, что исследование и оптимизация режимов термообработки сплавов системы А!-2п-Мд-Си, в том числе сплава 7475, является актуальной задачей для многих авторов [6-8].

В условиях ОАО «КУМЗ» из сплава 7475 в состоянии поставки Т7351 (термообработан-ные на твердый раствор, правленые растяжением со степенью остаточной деформации 1,5-3,0 %, искусственно состаренные по двухступенчатому режиму) изготавливают листы и плиты толщиной от 6,35 до 101,6 мм.

Химический состав сплава 7475 [9] приведен в табл. 1.

В ОАО «КУМЗ» производство плит из сплава 7475 освоено по технологической схеме: отливка слитков, гомогенизация, горячая прокатка, термообработка на твердый раствор (закалка), искусственное старение. Причем технология производства постоянно совершенствовалась: уточнялись режимы отливки слитков, гомогенизации, горячей прокатки и др. Одной из основных проблем производства плит из сплава 7475 в состоянии поставки Т7351 является разность значений прочностных характеристик между образцами, испытанными на растяжение при комнатной температуре, отобранными от начала и конца исходной плиты, обработка которой происходит до разрезки ее на мерные длины. Значения временного сопротивления и условного предела

текучести выше на образцах с конца плиты. Следует отметить, что разница получаемых результатов испытаний образцов составила до 34,5 МПа (5 ksi). Целью работы является корректировка режимов термообработки для стабилизации свойств по концам плит.

Ход и результаты работы

В эксперименте исследовали 48 исходных плит толщиной от 31,75 до 44,75 мм.

Термообработку плит на твердый раствор проводили на горизонтально-закалочном агрегате (ГЗА) фирмы EBNER, состоящем из подающего рольганга, печи с роликовым подом, передаточного рольганга, камеры водяного охлаждения, состоящей из высоконапорной секции охлаждения с воздушно-тепловой завесой, низконапорной секции охлаждения, устройства сдува и осушки (рис. 1).

При термообработке на твердый раствор плиты нагревали до 471-482 °С [10].

Для поиска решения производственной проблемы процесс закалочного охлаждения плит толщиной от 31,75 до 44,75 мм в данном ГЗА рассмотрен более подробно.

Закалочное охлаждение осуществляется с помощью водяных струй, подаваемых на поверхность горизонтально движущейся плиты сверху и снизу. Известно, что интенсивность теплоотдачи при струйном водяном охлаждении зависит от расхода воды, приходящегося на единицу охлаждаемой поверхности, называемого плотностью орошения и измеряемого в м3/ч на м2 поверхности. Для рационального охлаждения плит различных толщин и сплавов расход воды и скорость движения плит в закалочном устройстве регулируется. Сочетание скорости движения и расхода воды должно обеспечивать температуру плиты максимальной

Химический состав сплава 7475 Таблица 1

Сплав Химический состав *, % Прочие

Si Fe Cu Mn Mg Cr Ti Zn Каждый Всего

7475 0,10 0,12 1,2-1,9 0,06 1,9-2,6 0,18-0,25 0,06 5,2-6,2 0,05 0,15

*Алюминий - остальное.

Рис. 1. Общий вид горизонтально-закалочного агрегата фирмы EBNER

толщины на выходе из закалочного устройства не выше 50 °С для безопасного проведения разгрузочных операций. ГЗА для снижения затрат на насосы большой производительности разделен по длине на 2 части: секцию высокого давления (ВД) с высокой плотностью орошения и секцию низкого давления (НД) с низкой плотностью орошения. Длина секции ВД в 2,5 раза короче длины секции НД. Считается, что структурные превращения при закалке протекают в секции ВД, а в секции НД плита доох-лаждается до температуры ниже 50 °С.

Перед началом закалочного охлаждения включается подача воды в закалочное устройство. Плита, нагретая в печи до температуры образования твердого раствора (ТОТР), пройдя переходный участок с воздушной завесой, входит в закалочное устройство и сверху и снизу попадает под водяные струи. Теплоотдача к воде на начальном этапе охлаждения протекает в пленочно-конвективном режиме кипения [11]. Интенсивность теплоотдачи в этом режиме сравнительно невелика и существенно зависит от расхода воды. На интенсивность теплоотдачи на верхней поверхности плиты существенно влияют гидродинамические условия обтекания ее водой. На начальном участке плиты струи после попадания на поверхность растекаются по ней, и вода течет в три стороны - через переднюю и две боковые кромки плиты. Слив через переднюю кромку плиты после прохода первых струй прекращается, так

как следующие струи создают преграду для потока воды вперед. Тогда вода сверху сливается только через боковые кромки. При малом расходе воды первых струй слив через боковые кромки обеспечивает баланс поступающей и уходящей воды. По мере увеличения числа проходящих струй и, соответственно, увеличения расхода воды, на верхней поверхности плиты начинает образовываться слой воды, толщина которого обеспечивает естественный баланс поступающей и уходящей воды. Расстояние от первого ряда струй до начала образования слоя воды зависит от расхода воды, устанавливаемого технологией. Можно предположить, что водяной слой образуется после прохода первых коллекторов. Слой воды увеличивает интенсивность теплоотдачи от верхней поверхности, так как в отличие от начального участка плиты, где между струями имеются сухие участки, при водяном слое вся поверхность покрыта водой.

Таким образом, передняя часть плиты со сравнительно низкой ТОТР (470 °С) на начальном участке охлаждения попадает в диапазон температур 420-300 °С, в котором чувствительность к скорости охлаждения зависит от содержания в сплаве железа, кремния, марганца. Данный сплав имеет минимальное содержание этих элементов и наиболее склонен к распаду в более высокотемпературной области (примерно 450-350 °С). Этим объясняется уменьшение прочности передней части плиты. После образования водяного слоя на поверхности интенсивность теплоотдачи на ней растет, увеличивается скорость охлаждения плиты и, соответственно, увеличивается ее прочность.

Таким образом, повышение расхода воды только на первой балке ВД до максимально возможного значения должно увеличить конвективную составляющую теплоотдачи при пленочном режиме кипения и повысить скорость охлаждения передней части плит толщиной от 31,75 до 44,75 мм, а постепенное снижение скорости движения рольганга при

закалке должно уменьшить длину их переднего участка с пониженной прочностью.

Закалку в рамках данной работы прошли несколько партий плит. Первая садка состояла из плит толщиной 38,1 мм, для которой был скорректирован режим скорости закалки (постепенное снижение скорости движения рольганга при закалке на 10 % от ранее принятой) и расхода ВД1. Плоскостность плит после закалки по скорректированному режиму была неудовлетворительной в долевом и поперечном направлениях. Плиты сложно подверглись правке и были вытянуты на максимальные 3 % на пределе допуска по плоскостности.

Вторая садка также состояла из плит толщиной 38,1 мм и прошла закалку по аналогичному режиму. В данном случае плоскостность плит превышала получаемую по режимам ТИ в несколько раз - плиты с трудом завели в губки правильно-растяжной машины для предварительной выправки в продольном направлении с целью повторной загрузки в ГЗА. Было принято решение произвести повторную термообработку на твердый раствор данной садки по режиму ТИ с корректировкой только одного параметра - скорости движения рольганга зоны закалки.

На основе полученных по итогу термообработки данных по плоскостности плит принято решение продолжить обработку с корректировкой только скорости движения рольганга зоны закалки.

Садки из плит толщиной 31,75 и 44,75 мм прошли закалку по скорректированному режиму без замечаний по значениям плоскостности (рис. 2).

На всех вышеуказанных садках на каждой плите контактной переносной термопарой измеряли температуру поверхности непосредственно после выхода плит из закалочной зоны (в течение 10 мин после остановки рольганга) согласно схеме, приведенной на рис. 3.

Результаты средних значений отклонений температуры между началом и концом плит различной толщины приведены в табл. 2.

Рис. 2. Плита толщиной 31,75 мм с удовлетворительной плоскостностью, прошедшая термообработку по скорректированному режиму

Выходной рольганг

Начало Конец

• 2 Материнская плита

• 1 <•1

Маркировка со стана горячей прокатки

Рис. 3. Схема измерения температуры плит

Таблица 2 Средние значения отклонений температуры между началом и концом плит различной толщины

Толщина плиты, мм Средняя разница температур между концом и началом плиты на режиме, °С

по ТИ скорректированный (только скорость) скорректированный (скорость и расход на ВД1)

31, 75 4,8 4,4 -

38,1 4,4 4,3 3,9

44,75 4,4 4,2 -

Из табл. 2 видно, что независимо от корректировки режима разница в температурах начала и конца одной плиты при изменении режимов и увеличении интенсивности охлаждения уменьшается. Кроме того, средняя разница температуры между концом и началом плиты уменьшается с увеличением толщины плиты.

По результатам испытаний на растяжение при комнатной температуре образцов, отобранных от плит различной толщины после искусственного старения, осуществляемого по режимам ТИ, был проведен анализ средних значений отклонений временного сопротивления и условного предела текучести в направлениях Ь и и между началом и концом плит по стандарту [9] (табл. 3).

Из данных табл. 3 установлено, что независимо от корректировки режима начало и конец в рамках одной плиты имеют разницу в механических свойствах, которая при изменении режимов и увеличении интенсивности охлаждения начинает уменьшаться. Также здесь имеет значение толщина плиты - с ее увеличением средняя разница прочностных свойств уменьшается. Например, для плиты толщиной 31,75 мм в направлении L средняя разница условного предела текучести при скорректированном режиме на 55 % меньше условного предела текучести при обработке по режиму ТИ, а для плиты толщиной 44,75 мм в аналогичном направлении средняя разница условного предела текучести при скорректированном режиме на 91 % меньше условного предела текучести при обработке по режиму ТИ.

Выводы и перспективы

По результатам проделанной работы сделаны выводы относительно режимов закалки и свойств плит из сплава 7475 в состоянии поставки Т7351. Установлено, что при повышении интенсивности закалки путем снижения скорости движения рольганга на 10 % удалось достичь уменьшения средней разницы значений механических свойств и температур концов плит толщиной от 31,75 до 44,75 мм по сравнению с аналогичными плитами, закаленными по стандартным режимам.

Выявлено, что снижение скорости движения рольганга при закалке на 10 % приводит к требуемой плоскостности плит и уменьшению длины их переднего участка с пониженной прочностью, при этом разность значений прочностных характеристик начала и конца исходных плит понижается до 15,2 МПа (2,2 ksi), т.е. на 56 %.

Результаты, полученные в рамках данной работы, могут быть использованы для назначения режимов закалочного охлаждения плит из других сплавов серии 7ххх (7075, 7175, 7050, В95).

Кроме того, в ходе работы выявлена возможность сокращения припусков по длине плит, которые закладывались для возможности повторной термообработки. С учетом сокращения припуска по длине выход годного на

Таблица 3

Средняя разница значений механических свойств плит различной толщины

Толщина плиты, мм Механические свойства, режим Средняя разница механических свойств между концом и началом плиты, МПа (ksi)

L LT

ств (по ТИ) 26,9 (3,9) 15,2 (2,2)

31,75 ств (скорректированный, только скорость) 12,4 (1,8) 10,3 (1,5)

ст02 (по ТИ) 33,8 (4,9) 19,3 (2,8)

ст02 (скорректированный, только скорость) 15,2 (2,2) 13,8 (2,0)

ств (по ТИ) 19,3 (2,8) 14,5 (2,1)

38,1 ств (скорректированный, скорость и расход ВД1) 5,5 (0,8) 8,3 (1,2)

ст02 (по ТИ) 22,7 (3,3) 14,5 (2,1)

ств (скорректированный, скорость и расход ВД1) 6,2 (0,9) 11,0 (1,6)

ств (по ТИ) 17,9 (2,6) 8,3 (1,2)

44,75 ств (скорректированный, только скорость) 0,0 0,7 (0,1)

ст02 (по ТИ) 22,1 (3,2) 9,7 (1,4)

ст02 (скорректированный, только скорость) 2,1 (0,3) 6,9 (1,0)

плитах из сплава 7475 в состоянии поставки Работа выполнена в рамках государ-Т7351 толщиной от 31,75 до 44,75 мм в сред- ственного задания по теме «Давление» нем увеличился на 4,3 %. № АААА-А18-118020190104-3.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Фридляндер И.Н. Алюминиевые сплавы в летательных аппаратах в периоды 1970-2000 и 20012015 гг. // Технология легких сплавов. 2017. № 4. С. 12-17.

2. Антипов В.В., Клочкова Ю.Ю., Романенко В.А.

Современные алюминиевые и алюминий-литиевые сплавы // Авиационные материалы и технологии. 2017. № 5. С. 195-211.

3. Каблов Е.Н., Гриневич А.В., Луценко А.Н. и др. Исследование кинетики разрушения конструкционных алюминиевых сплавов при длительном воздействии статической нагрузки и коррозионной среды с использованием образца нового типа // Деформация и разрушение материалов. 2016. № 10. С. 42-48.

4. Коррозия алюминия и алюминиевых сплавов / Под ред. Джозефа Р. Дейвиса. Пер. с англ. М.: НП «АПРАЛ», 2016. 315 с.

5. Нечайкина Т.А., Блинова Н.Е., Иванов А.Л. и др. Исследование влияния режимов гомогенизации и закалки на структуру и механические свойства раскатных колец из сплава В95оч-Т2 // Труды ВИАМ. 2018. № 10. С. 27-36.

6. Бачурин А.С., Бобин К.Н., Матвеев К.А. и др. Влияние закалки на остаточные деформации деталей летательных аппаратов из алюминиевых сплавов // Вестник Сибирского государственного

аэрокосмического университета им. академика М.Ф. Решетнева. 2013. № 3 (49). С. 119-123.

7. Нечайкина Т.А., Оглодков М.С., Иванов А.Л. и др. Особенности закалки широких обшивочных плакированных листов из алюминиевого сплава В95пч на линии непрерывной термической обработки // Труды ВИАМ. 2021. № 11. С. 25-33.

8. Фридляндер И.Н., Сенаторова О.Г., Ткачен-ко Е.А. и др. Развитие и применение высокопрочных сплавов системы Д!-7п-Мд-Си для авиакосмической техники // 75 лет. Авиационные материалы. Избранные труды «ВИАМ» 1932-2007. 2007. С. 155-163.

9. Технические условия на материалы авиационно-космического назначения. Плиты из алюминиевого сплава 5,77п-2,2Мд-1,6Си-0,22Сг (7475-Т7351), подвергаемые термической обработке на твердый раствор, снятию напряжений растяжением и дисперсионной термической обработке. БДЕ ДМБ4202. Редакция Е. 2019. 3 с.

10. Технические условия на авиакосмические материалы. Термообработка полуфабрикатов из алюминиевых сплавов. БДЕ ДМБ2772. Редакция G. 2016. 16 с.

11. Колобнев Н.И., Бер Л.Б., Цукров С.Л. Термическая обработка деформируемых алюминиевых сплавов. М.: НП «АПРАЛ», 2020. 552 с.

REFERENCES

1. Fridlyander I.N. Alyuminiyevyye splavy v letatel'nykh apparatakh v periody 1970-2000 i 2001-2015 gg. // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 2017. № 4. S. 12-17.

2. Antipov V.V., Klochkova Yu.Yu., Romanenko V.A. Sovremennyye alyuminiyevyye i alyuminiy-litiyevyye splavy // Aviatsionnyye materialy i tekhnologii. 2017. № 5. S. 195-211.

3. Kablov Ye.N., Grinevich A.V., Lutsenko A.N. i dr. Issledovaniye kinetiki razrusheniya konstruktsion-nykh alyuminiyevykh splavov pri dlitel'nom voz-deystvii staticheskoy nagruzki i korrozionnoy sredy s ispol'zovaniyem obraztsa novogo tipa // Deformatsi-ya i razrusheniye materialov. 2016. № 10. S. 42-48.

4. Korroziya alyuminiya i alyuminiyevykh splavov / Pod red. Dzhozefa R. Deyvisa. Per. s angl. M.: NP «APRAL», 2016. 315 s.

5. Nechaykina T.A., Blinova N.Ye., Ivanov A.L. i dr. Issledovaniye vliyaniya rezhimov gomogenizatsii i zakalki na strukturu i mekhanicheskiye svoystva ras-katnykh kolets iz splava V95och-T2 // Trudy VIAM. 2018. № 10. S. 27-36.

6. Bachurin A.S., Bobin K.N., Matveyev K.A. i dr. Vliyaniye zakalki na ostatochnyye deformatsii detaley letatel'nykh apparatov iz alyuminiyevykh splavov // Vestnik Sibirskogo gosudarstvennogo aerokosmi-

cheskogo universiteta im. akademika M.F. Reshet-neva. 2013. № 3 (49). S. 119-123.

7. Nechaykina T.A., Oglodkov M.S., Ivanov A.L. i dr. Osobennosti zakalki shirokikh obshivochnykh pla-kirovannykh listov iz alyuminiyevogo splava V95pch na linii nepreryvnoy termicheskoy obrabotki // Trudy VIAM. 2021. № 11. S. 25-33.

8. Fridlyander I.N., Senatorova O.G., Tkachenko Ye.A. i dr. Razvitiye i primeneniye vysokoprochnykh splavov sistemy Al-Zn-Mg-Cu dlya aviakosmicheskoy tekhniki // 75 let. Aviatsionnyye materialy. Izbrannyye trudy «VIAM» 1932-2007. 2007. S. 155-163.

9. Tekhnicheskiye usloviya na materialy aviatsionno-kosmicheskogo naznacheniya. Plity iz alyuminiyevogo splava 5,7Zn-2,2Mg-1,6Cu-0,22Cr (7475-T7351), podvergayemyye termicheskoy obrabotke na tverdyy rastvor, snyatiyu napryazheniy rasty-azheniyem i dispersionnoy termicheskoy obrabotke. SAE AMS4202. Redaktsiya E. 2019. 3 s.

10. Tekhnicheskiye usloviya na aviakosmicheskiye materialy. Termoobrabotka polufabrikatov iz alyuminiyevykh splavov. SAE AMS2772. Redaktsiya G. 2016. 16 s.

11. Kolobnev N.I., Ber L.B., Tsukrov S.L. Termiches-kaya obrabotka deformiruyemykh alyuminiyevykh splavov. M.: NP «APRAL», 2020. 552 s.