CC BY
41
УДК 669.715:669.793
DOI: 10.24412/0321-4664-2022-3-9-18
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ, ЛЕГИРОВАННЫХ СКАНДИЕМ
Валерий Владимирович Захаров, докт. техн. наук, Юрий Аркадьевич Филатов, докт. техн. наук
Всероссийский институт легких сплавов, Москва, Россия, info@oaovils.ru
Аннотация. Отечественные ученые уже более 40 лет занимаются легированием алюминиевых сплавов скандием в исследовательских и практических целях. Созданы промышленные алюминиевые сплавы, легированные скандием, и разработаны технологии получения из них деформированных полуфабрикатов. Все промышленные алюминиевые скандийсодержащие сплавы можно разделить на три группы в зависимости от системы базирования: термически неупрочняемые сплавы на основе системы Al-Mg, термически упрочняемые на основе системы Al-Zn-Mg-(Cu) и термически упрочняемые литийсодержащие алюминиевые сплавы.
Сплавы Al-Mg-Sc нашли практическое применение в изделиях космической промышленности с самого начала их создания и в настоящее время развитие сплавов этой группы направлено на разработку новых экономнолегированных скандием сплавов с целью их удешевления и расширения областей использования. Промышленные сплавы Al-Zn-Mg-(Cu)-Sc имеют уникальный комплекс свойств деформированных полуфабрикатов. Сплав 1977, относящийся к сплавам этой группы, имеет перспективы применения в виде обшивочных листов. Легирование скандием алюминиево-литиевых сплавов следует осуществлять с осторожностью, учитывая что эта добавка способствует охрупчиванию сплавов и снижению характеристик вязкости разрушения. Представляется важным продолжение исследований влияния добавок скандия на свариваемость полуфабрикатов из сплавов этой группы. Легирование скандием алюминиево-литиевых сплавов, используемых в авиастроении, нецелесообразно.
Ключевые слова: промышленные алюминиевые сплавы, легирование скандием, практическое использование, итоги, перспективы
Modern Trends in the Development of Aluminum Alloys Doped with Scandium.
Dr. of Sci. (Eng.) Valery V. Zakharov, Dr. of Sci. (Eng.) Yuri A. Filatov
All-Russian Institute of Light Alloys, Moscow, Russia, info@oaovils.ru
Abstract. For more than 40 years, Russian scientists have been engaged in alloying of aluminum alloys with scandium for research and practical purposes. Scandium-doped industrial aluminum alloys and technologies to produce deformed semi-finished products from them were developed. All industrial scandium-bearing aluminum alloys can be divided into three groups depending on the alloying composition: Al-Mg non-heat-treatable alloys, Al-Zn-Mg-(Cu) heat-treatable alloys, and heat-treatable lithium-bearing aluminum alloys.
The Al-Mg-Sc alloys have found practical application in space equipment from the very beginning of their manufacturing; at present, the creation of alloys this group is aimed at the development of alloys sparingly alloyed with scandium in order to reduce their cost and expand their application areas. Industrial Al-Zn-Mg-(Cu) alloys have the brilliant combination of properties of deformed semis. The 1977 alloy, which belongs to this alloy group, has prospects for the use as covering sheets. Alloying of Al-Li alloys with scandium should be done with caution, since this additive contributes to the embrittlement of these alloys and to decrease the fracture toughness properties. It seems important to continue research on the influence of scandium additives on the weldability of Al-Li-alloy semis. Scandium doping of Al-Li-alloys used in the aircraft industry is impractical.
Key words: industrial aluminum alloys, alloying with scandium, practical use, results, prospects
Введение
В конце 70-х - начале 80-х гг. прошлого века в бывшем Советском Союзе открылись научно-исследовательские работы, посвященные изучению влияния добавок скандия на структуру и свойства алюминиевых сплавов. Первые результаты этих работ свидетельствовали, что скандий оказывает сильное и многостороннее воздействие на структуру и свойства алюминия и его сплавов. Скандий оказался самым сильным по сравнению со всеми известными добавками и компонентами алюминиевых сплавов модификатором литой зеренной структуры, самым сильным упроч-нителем и самым сильным антирекристалли-затором. Небольшая добавка скандия приводила к заметному повышению прочностных свойств деформированных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов, улучшению их свариваемости, повышению коррозионной стойкости, улучшению показателей трещиностой-кости, появлению сверхпластических свойств. Однако положительное влияние добавок скандия распространялось не на все алюминиевые сплавы. В сплавах систем Д!-Мд-31-(Ои), А1-Си, Д!-Ои-Мд кремний и медь являются основными легирующими компонентами и вводятся в сравнительно больших количествах, они связывают скандий в химические соединения. Вследствие этого скандий не фиксируется в твердом растворе при кристаллизации и не оказывает благоприятного воздействия на структуру и свойства этих сплавов. Напротив, введение скандия в эти сплавы снижает их прочностные и пластические свойства. Было установлено, что скандием целесообразно легировать три группы алюминиевых сплавов: Д!-Мд, Д!^п-Мд-(Ои) и Д!-Ои-(Мд)-и. В процессе работы выявилась другая важная особенность скандия как легирующего компонента: скандий следует вводить вместе с цирконием, который стабилизирует и усиливает положительное действие скандия.
По мере приобретения и накопления практического опыта работы со скандийсодержа-щими сплавами и получения экспериментальных результатов складывались научные принципы легирования алюминиевых сплавов со скандием, разрабатывались и уточнялись составы промышленных сплавов. Наибольший интерес для промышленности представляли
термически неупрочняемые сплавы на основе системы Д!-Мд-Бс. Уже в начале 80-х гг. был разработан первый промышленный алюминиевый скандийсодержащий сплав 01570 на основе системы Д!-Мд-Бс [1].
Промышленные сплавы на основе системы А!-Мд-Эс
На эту тему в отечественной печати можно найти большое число публикаций. В 80-е гг. было разработано несколько промышленных сплавов на основе системы Д!-Мд-Бс: 01515, 01523, 01535, 01545, 01570, 01571 [2]. Содержание магния в этих сплавах меняется от 1 до 6 %, а содержание скандия и циркония поддерживается на уровне 0,22 и 0,10 % соответственно. Присутствие скандия совместно с цирконием обеспечивает сильное упрочнение деформированных полуфабрикатов. Так, например, горячекатаные плиты из сплава 01570 в отожженном состоянии имеют следующие свойства: ств = 400 МПа, ст0,2 = 270 МПа, 5 = 17 %. Для сравнения аналогичный полуфабрикат из сплава АМг6 в отожженном состоянии имеет значительно меньшие прочностные свойства: ств = 330 МПа, ст0,2 = 180 МПа, 5 = 20 %. При введении совместной добавки скандия и циркония в сплавы Д!-Мд с меньшим содержанием магния наблюдается такой же сильный упрочняющий эффект. Так, например, катаные полуфабрикаты из сплава 01523 имеют в 2 раза более высокий предел текучести по сравнению с аналогичными полуфабрикатами из сплава АМг2.
Упрочнение достигается за счет выделения из твердого раствора скандия и циркония в алюминии продуктов распада этого раствора высокой плотности и сохранения в деформированных полуфабрикатах нерекристаллизованной (полигонизованной) зеренной структуры.
Величина упрочнения деформированных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов, возникающая от введения скандия и циркония, зависит от деформационных условий получения. Увеличение степени деформации, снижение температуры и повышение скорости деформации при производстве полуфабрикатов (факторы, способствующие накоплению деформационной энергии в металле) заметно повышают величину упрочнения от введения скандия и циркония. Так, горячедеформированные
массивные полуфабрикаты из сплава 01570 (поковки, раскатные кольца - деформация при высокой температуре с малой степенью и низкой скоростью) имеют в отожженном состоянии типичные механические свойства: ств = 360 МПа, ст0,2 = 240 МПа, 5 = 20 %. Тонкие холоднокатаные листы из такого же сплава будут иметь в отожженном состоянии более высокие прочностные свойства: ств = 440 МПа, ст0,2 = 350 МПа, 5 = 20 %. Зеренный тип структуры у всех видов полуфабрикатов из сплава 01570 в отожженном состоянии одинаковый - нерекри-сталлизованная полигонизованная структура, но отличающаяся размером субзерен. У по-лигонизованной структуры отожженных листов размер субзерен составляет 1,5-2,0 мкм, а у массивных полуфабрикатов - на порядок больше, что и объясняет различие в величине прочностных свойств. Поэтому для полного использования упрочняющего эффекта от введения добавок скандия и циркония целесообразно использовать сплавы А!-Мд-Бс в виде сильнодеформированных при пониженной температуре (по мере технологических возможностей) полуфабрикатов.
В принципе упрочнение алюминиевых сплавов путем легирования их добавками скандия и циркония - это хороший пример развития и воплощения в жизнь идеи В.И. Добаткина об использовании эффекта структурного упрочнения, выдвинутой им в 60-е гг. прошлого века [3].
Прошедшее время показало, что практическое применение из всех скандийсодержащих алюминиевых сплавов нашли только высоколегированные магнием и высокопрочные сплавы типа 01570. Уникальный комплекс этих сплавов был востребован в одной из высокотехнологичных областей промышленности - в космической, несмотря на «космическую» стоимость этих материалов. Высокая стоимость этих сплавов обусловлена присутствием в их составе дорогого скандия. Другие высокотехнологичные отрасли промышленности, такие как авиастроение, судостроение, железнодорожный и автомобильный транспорт, уже не в состоянии и не могут себе позволить использовать эти сплавы в своих изделиях из-за высокой цены, хотя по эксплуатационным, технологическим свойствам сплавы А!-Мд-Бс и другие скандийсодержащие сплавы являются прекрасным конструкционным материалом для изделий этих отраслей промышленности.
Малолегированные магнием скандийсодер-жащие сплавы 01515, 01523, 01535 с их уникальным комплексом эксплуатационных и технологических свойств не смогли найти за прошедшие 40 лет с момента их создания практического применения, несмотря на острую необходимость в материалах с такими свойствами для новых изделий бурно развивающейся техники и большой интерес конструкторов к этим сплавам. Причина, на первый взгляд, непонятного игнорирования этих уникальных сплавов заключается в цене деформированных полуфабрикатов из них [4-6].
Снижения стоимости полуфабрикатов из скандийсодержащих алюминиевых сплавов можно добиться разными путями -снижением стоимости скандийсодержащей лигатуры и более полным вовлечением в технологический процесс отходов скандийсодержащих сплавов. Но наиболее эффективным и понятным путем удешевления полуфабрикатов является снижение содержания в промышленных сплавах скандия, например, с 0,22 до 0,12 % путем замены в данном случае 0,10 % Бс каким либо другим элементом или группой элементов для избежания или уменьшения потерь прочностных и других полезных свойств. Над решением этой проблемы работают специалисты и институты [4-6].
Уменьшение содержания скандия ниже 0,22 % (среднее содержание в классических сплавах типа 01570) сопровождается падением полезных и прежде всего прочностных свойств. Снижение прочностных свойств происходит из-за уменьшения плотности выделения вторичных частиц А!3(8с, Zr), обеспечивающих непосредственное упрочнение алюминиевой матрицы и одновременно повышающих сопротивляемость сплавов рекристаллизации. Температура рекристаллизации деформированных полуфабрикатов, в особенности полуфабрикатов, получаемых с использованием холодной деформации, снижается. После отжига полуфабрикатов частично теряется структурный эффект (эффект структурного упрочнения). В результате происходит снижение прочности. Поэтому основная проблема при создании экономнолегированных скандием сплавов - найти такую замену скандию (части скандия) в виде одного или группы элементов, использование которых могло бы по возможности сохранить прочностные свой-
ства и все достоинства старых классических сплавов типа 01570. Пути решения этой проблемы намечены, и будем надеется, что такие сплавы будут созданы [4-6].
Предлагаются другие решения практического использования положительного действия добавок скандия на свойства алюминиевых сплавов. Авторы [5], разрабатывая экономнолегированные скандием сплавы Д!-Мд, ставят перед собой задачу не сохранить уровень прочностных свойств, достигаемый для сплава 01570, а максимально использовать упрочняющее действие вводимой добавки скандия. Наиболее сильное упрочняющее действие оказывают первые малые добавки скандия (примерно до 0,1 %), и при дальнейшем увеличении количества скандия его влияние ослабевает. С учетом этой закономерности были созданы сплавы с содержанием 0,1 и 0,03 % Бс (1580, 1581), которые обладают заведомо более низкими прочностными свойствами, чем сплавы типа 01570. Но эти сплавы имеют заметно более высокую прочность, чем сплавы с таким же содержанием магния, но без добавки скандия (типа АМг5, АМг6). Следует отметить, что введение скандия в сравнительно малых количествах в эти сплавы более эффективно, чем в «классические» сплавы типа 01570 с 0,22 % Бс. При непрерывном литье слитков, в особенности крупного размера, образуется меньшее количество нежелательных первичных интерметаллидов Д!3(Бс, Zr), и соответственно увеличивается доля скандия и циркония, входящих при кристаллизации в твердый алюминиевый раствор. Таким образом, эффективность использования скандия как компонента-упрочнителя возрастает. Обладая заметно меньшей стоимостью по сравнению с «классическими» сплавами типа 01570, экономнолегированные и соответственно более дешевые сплавы 1580, 1581 найдут достойное применение в различных высокотехнологичных областях промышленности.
Легирование алюминия скандием совместно с цирконием позволяет получать сплавы с уникальным сочетанием прочности и электропроводности (теплопроводности). В работе [7] сообщается о низколегированном сплаве 01407, содержащем в среднем 0,22 % Бс и 0,1 % Zr и обеспечивающем получение прессованных прутков из слитков непрерывного литья с пределом прочности 230 МПа, преде-
лом текучести 180 МПа, относительным удлинением около 20 % и электропроводностью 36 МСм/м, то есть с пределом текучести, как у сплава АМг6, а с электропроводностью, как у чистого алюминия. При непрерывном литье слитков диаметром 360 мм скандий и цирконий входят в твердый раствор, и в процессе дальнейшей технологической переработки слитка в пруток при выбранных температурно-времен-ных параметрах происходит распад твердого раствора. При этом скандий и цирконий почти полностью выходят из твердого алюминиевого раствора, о чем свидетельствуют высокие значения электропроводности (36 МСм/м), а продукты распада (дисперсные частицы Д!3(Бс, Zr)) не успевают скоагулировать и обеспечивают сильное упрочнение. Сочетание таких сравнительно высоких прочностных свойств и высокой электропроводности является уникальным [7]. Сплав 01407 может в будущем успешно использоваться как конструкционный материал в изделиях космической техники, как проволока для бортовых проводов и проволока в аддитивных технологиях.
Промышленные сплавы
на основе системы А!-2п-Мд-(Си)-Эс
Сплавы на основе системы Д!^п-Мд-(Си) относятся к термически упрочняемым сплавам и после закалки и искусственного старения деформированные полуфабрикаты из этих сплавов обладают высокой прочностью и удовлетворительной пластичностью. Совместная добавка скандия с цирконием дает возможность достичь еще более высоких прочностных характеристик практически без снижения пластических свойств, повысить характеристики статической и циклической трещиностойкости, заметно улучшить свариваемость (уменьшить склонность к трещи-нообразованию и повысить механические и коррозионные свойства сварных соединений). Промышленные скандийсодержащие сплавы на основе системы Д!^п-Мд-(Си) стали разрабатывать в 80-х гг. одновременно с термически неупрочняемыми сплавами Д!-Мд-Бс. Однако в отличие от последних ни один из сплавов Д!^п-Мд-(Си)-Бс не нашел практического применения в отечественной промышленности, несмотря на блестящий комплекс эксплуатационных и технологических свойств.
Первый скандийсодержащий сплав на основе системы А!^п-Мд-(Си) 1970 был разработан в середине 80-х гг. и предназначался для использования в изделиях космической техники [8]. Подробные исследования структуры и свойств деформированных полуфабрикатов из сплава 1970 показали, что все виды полуфабрикатов из этого сплава, в том числе сильно деформированные холоднокатаные листы, имеют после обработки на твердый раствор стабильную нерекристаллизованную, хорошо полигонизованную структуру и, как следствие, повышенный комплекс механических свойств [3, 9]. Структура разных полуфабрикатов из сплава 1970 отличается размером субзерен, который определяется величиной накопленной при деформации энергии. Сопротивляемость рекристаллизации сплава 1970, обусловленная присутствием скандия, циркония, марганца и содержанием (соотношением) цинка и магния, весьма сильная. Например, исчезновение нерекристаллизованной структуры в горячедеформированных полуфабрикатах при их нагреве происходит при достижении температуры начала оплавления путем ее трансформации в жидкую фазу.
Полуфабрикаты из сплава 1970 обладают рядом замечательных свойств. Так, штамповки из сплава 1970, имея хорошее сочетание прочностных и пластических свойств, изотропны (табл. 1).
Зеренная структура штамповок нерекри-сталлизованная, хорошо полигонизованная. Зерна сильно вытянуты в направлении деформации, сравнительно крупные (30 мкм по толщине) и состоят из многочисленных равноосных, хорошо сформированных субзерен, не имеющих предпочтительной ориентировки,
однородных по размеру и со средним «диаметром» 3 мкм.
В сплавах А!^п-Мд-(Си) в отличие от сплавов А!-Мд легко проходит полигонизация, уменьшая накопленную при деформации энергию -движущую силу рекристаллизации, и повышая температуру рекристаллизации. Добавки скандия и циркония, находящиеся в составе сплава 1970 и эффективно тормозящие рекристаллизацию, не препятствуют полигонизации. Хорошо развитая полигонизованная (субзеренная) структура закаленных и состаренных штамповок не только обусловливают структурный эффект, но и нейтрализует влияние на механические свойства сильно вытянутых в направлении деформации нерекристаллизованных зерен, о чем свидетельствует полная изотропность механических свойств штамповок.
Другое достоинство сплава 1970 - высокие значения характеристик статической и циклической трещиностойкости деформированных полуфабрикатов из этого сплава (табл. 2).
Все виды деформированных полуфабрикатов из сплава 1970, в том числе и представленные в табл. 2 в качестве примера катаные и прессованные полуфабрикаты, имеют высокие характеристики трещиностойкости. Вязкость разрушения в условиях плоской деформации K1с = 50 МПа^м в продольном направлении и = 40 МПаТМ в поперечном направлении, вязкость разрушения в условиях плоского напряженного состояния ^ = 160 МПаТм в продольном направлении, скорость роста усталостной трещины при ЛK = 31 МПа ТМ составляет 0,8 мм/кцикл. Такие высокие значения характеристик трещиностойкости сплава 1970 обусловлены прежде всего его химическим составом - содержанием и соотношением основных легирующих компонентов цинка и магния, ограниченным содержанием марганца, железа, кремния, содержанием скандия и циркония, близким к оптимальному. Состав сплава и используемые режимы гомогенизации обусловливают получение термически обработанных деформированных полуфабрикатов с полиго-низованной, хорошо развитой субзеренной структурой, отсутствием первичных интерме-таллидов и малым количеством избыточных фаз эвтектического происхождения.
Высокие значения характеристик трещиностойкости полуфабрикатов из сплава 1970 -это одно из проявлений структурного эффек-
Таблица 1 Механические свойства штамповок в виде стакана (0280 мм, h = 225 мм, 5 = 45 мм) из сплава 1970 после закалки и искусственного старения
Направление вырезки образцов ав, МПа а0,2, МПа 5, %
Продольное 480 435 12
Хордовое(поперечное) 490 440 15
Радиальное(высотное) 490 440 12
Таблица 2 Механические свойства катаных и прессованных полуфабрикатов из сплава 1970 [8]
Вид полуфабриката Направление вырезки образцов 0в, МПа а0,2, МПа 8, % К1с, КС, МПал/м Мр, кцикл СРТУ, мм/кцикл
Плита Продольное 480 430 15 54 180 -
Поперечное 470 430 13 40 - -
Высотное 440 430 11 - - -
Лист, 2 мм Продольное 520 490 11 160 (Кс) 240 0,8
Поперечное 520 490 11 - - -
Прессованная полоса Продольное 480 440 11 50 240 -
Поперечное 450 420 12 38 - -
Высотное 440 420 10 - -
Прессованный профиль Продольное 520 470 12 - 280 -
Поперечное 510 460 13 - - -
Обозначения: К1с- вязкость разрушения в условиях плоской деформации; Кс - вязкость разрушения в условиях плоского напряженного состояния; Ыр - число циклов до разрушения при испытании на малоцикловую усталость и условиях ( = 30 Гц, аа = 2,6, Я = 0,1, сттах = 160 МПа.
та, обеспечивающего не только упрочнение, но и повышение сопротивления циклическим нагрузкам и развитию трещин [9].
Другой особенностью сплава 1970 является высокая устойчивость твердого раствора основных легирующих компонентов цинка и магния в алюминии вследствие высокого соотношения содержания цинка к магнию 5,4/2,0 и низкого содержания марганца. Высокая устойчивость твердого раствора и широкий температурный интервал его существования обеспечивают его фиксацию при охлаждении сварных соединений с температуры сварки на спокойном воздухе и дальнейшее упрочнение их путем естественного старения при последующем вылеживании. Прочность сварных соединений после 2-3 месяцев естественного старения достигает 0,8-0,9 от прочности основного металла - закаленного и искусственно состаренного листа.
В сплаве 1970 содержится 0,18-0,25 % Бе. Однако последующие работы со сплавом 1970, специальные исследования влияния скандия на структуру и свойства сплавов А1^п-Мд показали, что наиболее эффективное влияние оказывают первые малые добавки (рис. 1) и можно существенно, примерно в 2 раза, уменьшить содержание скандия [10]. Присутствие в сплаве
скандия и циркония примерно по 0,1 % обеспечивают сильный антирекристаллизационный эффект и получение всех видов деформированных полуфабрикатов со структурным упрочнением. Так появился сплав 1975 [11].
Сплав 1975 обладает практически тем же уровнем механических, физических и коррозионных свойств, что и сплав 1970, уступая последнему в свариваемости. Возможные об-
100
В 80 ¡°з 60
40
а в-
§ 20
Без вс / 0, 1 % Бс ч
\
0, 2 % Бс
>—•—" г 0,3 »/овс 0,4 % Бс -Л-^
0 250
300 350 400 450
500
550 600
Температура отжига, °С
Рис. 1. Зависимость объемной доли рекристаллизованной структуры тонких холоднокатаных листов из сплава А1-5,5 % 2п-2,0 % Мд с разным содержанием скандия от температуры отжига. Длительность выдержки 1 ч
Таблица 3 Механические свойства и характеристики трещиностойкости термоупрочненных тонких листов из сплава 1977 в поперечном направлении [12]
Состояние ав, МПа а02, МПа 8, % К СУ, МПаТм атнретто, МПа СРТУ, мм/кцикл, ДK = 30 МПаТм Число кциклов до разрушения*
Т2 582 518 11,8 89,8 436 2,2 >480
Т3 543 448 12,1 78,7 388 2,6 -
* аа = 2,5 , сттах = 160 МПа, ^ = 30 Гц, R = 0,1
ласти применения - прессованные полуфабрикаты в виде рам для северных вездеходов, труб для велосипедов.
Высокопрочный сплав марки 1977 на основе системы А1^п-Мд-Си был специально разработан для использования в виде обшивочных листов для коммерческих и транспортных самолетов [12]. К обшивочным листам из алюминиевых сплавов предъявляются высокие требования по геометрии (разнотолщинность, плоскостность и т.п.). Прокатка таких листов осуществляется на станах холодной прокатки с большими степенями обжатий. Последующий нагрев под обработку на твердый раствор сильно деформированных холоднокатаных листов из обычных сплавов этой системы без добавки скандия приводит к полной рекристаллизации и потере структурного эффекта. Сплав 1977 легирован достаточно большим количеством скандия и цирконием, которые повышают температуру начала рекристаллизации холоднокатаных листов выше температуры нагрева под обработку на твердый раствор. В результате в термоупрочненных обшивочных листах из сплава 1977 формируется нерекристаллизо-ванная, хорошо полигонизованная структура в отличие от рекристаллизованных листов из других сплавов на основе этой же системы, например из сплавов В95оч, АА7475. Структурно упрочненные листы обладают не только повышенной прочностью, но повышенными характеристиками трещинностойкости: вязкостью разрушения, высоким сопротивлением циклическим нагрузкам, низкой скоростью развития усталостной трещины [9, 12].
Другая особенность сплава 1977 - в нем изменено соотношение между двумя основными легирующими компонентами цинком и магнием по сравнению со стандартными сплавами типа В95. В сплаве 1977 больше «легкого» магния и
меньше «тяжелого» цинка. В результате плотность сплава снизилась с 2,84 до 2,72 г/см3, что имеет определенное положительное значение для сплава, который «летает».
Общее представление об уровне механических и ресурсных свойств сплава 1977 дает табл. 3.
Благодаря выбранному составу и структурному упрочнению листы из сплава 1977 обладают ощутимым преимуществом перед листами из других сплавов. У них более высокие прочностные свойства и значительно более высокие характеристики статической и в особенности циклической трещиностойкости.
Легирование скандием алюминиево-литиевых сплавов
Учитывая известные достоинства алюми-ниево-литиевых сплавов - низкая плотность, повышенный модуль упругости, возможность достижения высокой прочности при удовлетворительной пластичности, высокое сопротивление циклическим нагрузкам, высокая коррозионная стойкость - становится понятным, что эти сплавы являются первыми кандидатами для использования в качестве конструкционного материала в изделиях авиакосмической промышленности. Однако эти сплавы имеют не меньшее количество недостатков, реально препятствующих их практическому применению. К их числу можно отнести склонность к хрупкому субзеренному разрушению, приводящему к заметному снижению вязкости разрушения деформированных полуфабрикатов из алюмининиево-литиевых сплавов при формировании в них полигонизованной структуры [13-15]. Многочисленные субграницы, располагающиеся внутри нерекристаллизо-ванных зерен, при искусственном старении
46
Я 34 - 28 22 16 76 70
Ü* 64
i 58 1 52
46
40
34
100 % 100 % 100 % деформированной полигонизованной рекристаллизованной структуры структуры структуры -Степень восстановительных процессов
Рис. 2. Зависимости К1с плит из сплава 1450 (а) и KC листов из сплава 1460 (б) от степени восстановительных процессов:
■ - плиты толщиной 20 мм;
□ , А - плиты толщиной 50 мм
охрупчиваются и по ним происходит разрушение отрывом без предварительной пластической деформации [14]. Экспериментальные кривые на рис. 2 наглядно демонстрируют сильное отрицательное влияние процесса по-лигонизации (формирование и развитие суб-зеренной структуры) на вязкость разрушения плит из сплавов 1450 и 1460. Так, для плит из сплава 1450 вязкость разрушения K ДП снижается при развитии процесса полигонизации с 46 до 16 МПа \/м . При этом полностью меняется характер излома от макровязкого до ма-крохрупкого [14]. Полигонизованная структура для полуфабрикатов из алюминиево-литие-вых сплавов является нежелательной в отличие от обычных алюминиевых сплавов на основе систем Al-Cu-Mg, Al-Zn-Mg-Cu. В сплавах с меньшим содержанием лития (сплавы второго поколения) возможно этот эффект будет не так сильно выражен, но отрицать его отсутствие пока нет оснований.
Промышленные алюминиево-литиевые сплавы, имея в своем составе цирконий и литий, обладают высокой температурой рекристаллизации, превышающей соответствующую температуру для сплавов типа Д16,
В95. Варьируя термомеханические параметры обработки давлением, можно получать термоупрочненные деформированные полуфабрикаты из алюминиево-литиевых сплавов с любым типом зеренной структуры - от нерекристаллизованной (деформированной) до полностью рекристаллизованной, включая все промежуточные структуры. Добавка скандия к таким сплавам еще больше повышает температуру рекристаллизации, но не препятствует процессу полигонизации (формированию субструктуры внутри нерекристаллизо-ванных зерен). Добавка скандия увеличивает вероятность получения полуфабрикатов с не-рекристаллизованной структурой и повышенными прочностными характеристиками. Но этого эффекта для рассматриваемых сплавов можно достичь не добавляя скандий, а меняя термомеханические режимы обработки давлением. Добавка скандия увеличивает вероятность получения полуфабрикатов с нежелательной полигонизованной структурой, вызывающей охрупчивание и снижение вязкости разрушения. Поэтому легирование скандием алюминиево-литиевых сплавов следует осуществлять с определенной осторожностью.
Следует также учитывать, что сплавы, легированные литием, обладают склонностью к локализации деформации вследствие присутствия большого числа когерентных перерезаемых дислокациями частиц 5'-фазы (А!^1). Эта особенность сплавов А!-Ы создает неприятности технологического и эксплуатационного характера: появление полос сдвига и других дефектов при прокатке заготовок, возникновение обратной анизотропии свойств у катаных полуфабрикатов, отклонение траектории движения трещины от прямолинейного пути при проведении испытаний на СРТУ и при контроле развития трещин на изделии. При легировании А1-Ы-сплавов скандием их склонность к локализации деформации усиливается вследствие появления дополнительных когерентных перерезаемых дислокациями частиц фазы А!3(8о, Zr) [16]. Поэтому при использовании алюминиево-лити-евых сплавов в качестве конструкционного материала в коммерческих и транспортных самолетах целесообразно не легировать их скандием. Тем более, что небольшая добавка скандия приводит к заметному удорожанию сплава.
Добавка скандия, являясь сильным модификатором литой зеренной структуры алюми-
ниевых сплавов, заметно улучшает свариваемость алюминиево-литиевых сплавов - уменьшается склонность к трещинообразованию при сварке, улучшаются свойства сварных соединений. Поэтому в случае использования алюминиево-литиевых сплавов в изделиях космической техники добавка скандия представляется целесообразной [17].
Итоги развития, перспективы использования, особенности алюминиево-литиевых сплавов в металловедческом и технологическом аспектах даны в двух монографиях и обзоре, сравнительно недавно вышедших в свет [17-19].
Заключение
Все промышленные скандийсодержащие алюминиевые сплавы можно разделить на три группы в зависимости от системы базирования: термически неупрочняемые сплавы на основе системы А1-Мд, термически упрочняемые на основе системы А^п-Мд-(Си) и термически упрочняемые скандийсодержащие алюминиево-литиевые сплавы.
Практическое применение нашли высоколегированные магнием термически неупроч-няемые высокопрочные сплавы А!-Мд-Бс 01570 и 1570С, применяемые в изделиях космической отрасли. В других отраслях эти сплавы не применяют из-за их дороговизны, связанной с высокой стоимостью входящего в их состав скандия. Сформировались две тенденции развития сплавов этой группы, направленные на расширение областей их применения: первая - замена части скандия (до
50 %), входящего в состав этих сплавов, другим, более дешевым элементом или группой элементов при сохранении достигнутого на сплаве 01570 комплекса свойств, в основном прочностных; вторая - идя на заведомо более низкие, чем у сплава 01570, но более высокие, чем у сплавов АМг5 и АМг6, прочностные свойства, за счет существенного снижения содержания скандия вплоть до сотых долей процента приблизить их стоимость к стоимости обычных сплавов без скандия.
Разработанные А!^п-Мд-(Си)-Бс-сплавы 1970, 1975, 1977 обладают уникальным комплексом технологических и эксплуатационных свойств. Что касается первых двух, то перспективы их применения пока неясны, а что касается сплава 1977, то складывающаяся ситуация в гражданском авиастроении способствует его применению в виде обшивочных листов. Представляется целесообразным довести информацию о сплаве 1977 до самолетостроительных КБ.
Разработано около 10 промышленных алюминиево-литиевых сплавов, многие из которых легированы скандием. Легирование скандием этих сплавов следует осуществлять с осторожностью, учитывая что эта добавка способствует формированию в готовых полуфабрикатах полигонизованной структуры, приводящей к охрупчиванию сплава и снижению вязкости разрушения. Тем не менее, представляется важным продолжение исследования влияния добавок скандия на свариваемость полуфабрикатов из сплавов этой группы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Филатов Ю.А. Работы ВИЛСа по деформируемым алюминиевым сплавам системы А!-Мд-Бс. История создания, структура, свойства, опыт применения, проблемы и перспективы // Технология легких сплавов. 2017. № 3. С. 7-25.
2. Филатов Ю.А. Промышленные сплавы на основе системы А!-Мд-Бс // Технология легких сплавов. 1996. № 3. С. 30-35.
3. Добаткин В.И. О структурном упрочнении алюминиевых сплавов // В кн.: Металловедение легких сплавов. М.: Наука, 1965. С. 116-124.
4. Филатов Ю.А. Дальнейшее развитие деформируемых алюминиевых сплавов на основе системы А!-Мд-Бс // Технология легких сплавов. 2021. № 2. С. 12-22.
5. Рябов Д.К., Панов А.В., Виноградов Д.А., Кро-хин А.Ю. Перспективы применения экономноле-гированных скандийсодержащих алюминиевых
сплавов // Технология легких сплавов. 2021. № 2. С. 23-31.
6. Захаров В.В., Филатов Ю.А. Экономнолегиро-ванные скандием алюминиевые сплавы // Технология легких сплавов. 2021. № 4. С. 31-37.
7. Филатов Ю.А., Снегирева Л.А. Механические свойства и теплопроводность прессованных прутков из алюминиевых сплавов 01513 системы А|-Мд-Бс-Н и 01407 системы А!-Бс-7г // Технология легких сплавов. 2020. № 3. С. 34-38.
8. Захаров В.В., Ростова Т.Д. Высокопрочный свариваемый сплав 1970 на основе системы А!-7п-Мд // Металловедение и термическая обработка металлов. 2005. № 4. С. 10-17.
9. Добаткин В.И. Свойства конструкционных алюминиевых сплавов в рекристаллизованном и в по-лигонизованном состояниях // Известия АН СССР Металлы. 1982. № 2. С. 76-81.
10. Елагин В.И., Захаров В.В., Мартынова Н.А., Ростова Т.Д. Влияние добавки скандия на структуру и свойства сплава Al-Zn-Mg // Вопросы авиационной науки и техники. Сер. Технология легких сплавов. 1985. Вып. 4. С. 23-30.
11. Захаров В.В., Ростова Т.Д., Фисенко И.А. Алюминиевый сплав для несущих строительных конструкций // Металловедение и термическая обработка металлов. 2005. № 8. С. 30-35.
12. Елагин В.И., Захаров В.В., Ростова Т.Д., Швеч-ков Е.И., Фисенко И.А., Кириллова Л.П. Развитие идей структурного упрочнения применительно к обшивочным листам из алюминиевых сплавов // Технология легких сплавов.2011. № 3. С. 18-24.
13. Елагин В.И., Захаров В.В., Ростова Т.Д., Щеглова Н.М. Исследование структуры промышленных плит из сплава 1450 в связи с нестабильностью механических свойств // Технология легких сплавов. 1993. № 7-8. С. 36-42.
14. Ростова Т.Д. Некоторые особенности разрушения катаных полуфабрикатов из алюминиево-литие-
вых сплавов // Технология легких сплавов. 1997. № 1. С. 40-43.
15. Елагин В.И., Ростова Т.Д., Захаров В.В. Получение листов с регламентированной структурой из алюминий-литиевых сплавов // Технология легких сплавов. 1997. № 1. С. 44-47.
16. Захаров В.В., Ростова Т.Д. О природе обратной анизотропии листов из алюминиевых сплавов // Металловедение и термическая обработка металлов. 2010. № 7. С. 34-39.
17. Елагин В.И., Захаров В.В. Современные Al-Li-сплавы и перспективы их развития // Металловедение и термическая обработка металлов. 2013. № 4. С. 17-23.
18. Грушко О.Е., Овсянников Б.В., Овчинников В.В. Алюминиево-литиевые сплавы: металлургия, сварка, металловедение. М.: Наука, 2014. 296 с.
19. Колобнев Н.И., Хохлатова Л.Б., Лукина Е.А. Тенденции развития алюминий-литиевых сплавов и технологии их обработки. М.: ВИАМ, 2019. 367 с.
REFERENCES
1. Filatov Yu.A. Raboty VILSa po deformiruyemym alyuminiyevym splavam sistemy Al-Mg-Sc. Istoriya sozdaniya, struktura, svoystva, opyt primeneniya, problemy i perspektivy // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 2017. № 3. S. 7-25.
2. Filatov Yu.A. Promyshlennyye splavy na osnove sistemy Al-Mg-Sc // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 1996. № 3. S. 30-35.
3. Dobatkin V.I. O strukturnom uprochnenii alyumi-niyevykh splavov // V kn.: Metallovedeniye legkikh splavov. M.: Nauka, 1965. S. 116-124.
4. Filatov Yu.A. Dal'neysheye razvitiye deformiruyemykh alyuminiyevykh splavov na osnove sistemy Al-Mg-Sc // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 2021. № 2. S. 12-22.
5. Ryabov D.K., Panov A.V., Vinogradov D.A., Krok-hin A.Yu. Perspektivy primeneniya ekonomnolegi-rovannykh skandiysoderzhashchikh alyuminiyevykh splavov // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 2021. № 2. S. 23-31.
6. Zakharov V.V., Filatov Yu.A. Ekonomnolegirovan-nyye skandiyem alyuminiyevyye splavy // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 2021. № 4. S. 31-37.
7. Filatov Yu.A., Snegireva L.A. Mekhanicheskiye svoystva i teploprovodnost' pressovannykh prutkov iz alyuminiyevykh splavov 01513 sistemy Al-Mg-Sc-Hf i 01407 sistemy Al-Sc-Zr // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 2020. № 3. S. 34-38.
8. Zakharov V.V., Rostova T.D. Vysokoprochnyy svari-vayemyy splav 1970 na osnove sistemy Al-Zn-Mg // Metallovedeniye i termicheskaya obrabotka metallov. 2005. № 4. S. 10-17.
9. Dobatkin V.I. Svoystva konstruktsionnykh alyumi-niyevykh splavov v rekristallizovannom i v poligoni-zovannom sostoyaniyakh // Izvestiya AN SSSR. Metally. 1982. № 2. S. 76-81.
10. Yelagin V.I., Zakharov V.V., Martynova N.A., Ros-tova T.D. Vliyaniye dobavki skandiya na strukturu i svoystva splava Al-Zn-Mg // Voprosy aviatsionnoy
nauki i tekhniki. Ser. Tekhnologiya lyogkikh splavov. 1985. Vyp. 4. S. 23-30.
11. Zakharov V.V., Rostova T.D., Fisenko I.A. Alyumi-niyevyy splav dlya nesushchikh stroitel'nykh kon-struktsiy // Metallovedeniye i termicheskaya obrabotka metallov. 2005. № 8. S. 30-35.
12. Yelagin V.l., Zakharov V.V., Rostova T.D., Shvech-kov Ye.l., Fisenko I.A., Kirillova L.P. Razvitiye idey strukturnogo uprochneniya primenitel'no k obshi-vochnym listam iz alyuminiyevykh splavov // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 2011. № 3. S. 18-24.
13. Yelagin V.l., Zakharov V.V., Rostova T.D., Shcheg-lova N.M. Issledovaniye struktury promyshlen-nykh plit iz splava 1450 v svyazi s nestabil'nost'yu mekhanicheskikh svoystv // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 1993. № 7-8. S. 36-42.
14. Rostova T.D. Nekotoryye osobennosti razrusheniya katanykh polufabrikatov iz alyuminiyevo-litiyevykh splavov // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 1997. № 1. S. 40-43.
15. Yelagin V.l., Rostova T.D., Zakharov V.V. Polu-cheniye listov s reglamentirovannoy strukturoy iz alyuminiy-litiyevykh splavov // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 1997. № 1. S. 44-47.
16. Zakharov V.V., Rostova T.D. O prirode obratnoy anizotropii listov iz alyuminiyevykh splavov // Metallovedeniye i termicheskaya obrabotka metallov. 2010. № 7. S. 34-39.
17. Yelagin V.l., Zakharov V.V. Sovremennyye Al-Li-splavy i perspektivy ikh razvitiya // Metallovedeniye i termicheskaya obrabotka metallov. 2013. № 4. S. 17-23.
18. Grushko O. Ye., Ovsyannikov B.V., Ovchinnikov V.V.
Alyuminiyevo-litiyevyye splavy: metallurgiya, svarka, metallovedeniye. M.: Nauka, 2014. 296 s.
19. Kolobnev N.l., Khokhlatova L.B., Lukina Ye.A.
Tendentsii razvitiya alyuminiy-litiyevykh splavov i tekhnologii ikh obrabotki. M.: VIAM, 2019. 367 s.
