CC BY
37
УДК 669.715
Ю.Ю. Клочкова1, Г.Г. Клочков1, В.А. Романенко1, И.П. Бурляева1
СТРУКТУРА И СВОЙСТВА МАССИВНЫХ ПРЕССОВАННЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНОГО АЛЮМИНИЙЛИТИЕВОГО СПЛАВА В-1469
Повышение весовой эффективности перспективных изделий авиационно-космической техники возможно благодаря применению алюминийлитиевых сплавов, обладающих пониженной плотностью. Во ФГУП «ВИАМ» разработан высокопрочный сплав В-1469 системы Al-Cu-Li пониженной плотности, повышенной жесткости, дополнительно легированный микродобавками Ag, Sc и Zr. Разработана промышленная технология прессования массивных профилей из сплава В-1469. Выбрана температура прессования, исследовано влияние режимов термомеханической обработки на структуру и механические свойства профилей. Приведены результаты всесторонних исследований механических, коррозионных и эксплуатационных свойств.
Ключевые слова: сплав В-1469, система Al-Cu-Li, прессование, профили, термическая обработка, структура, механические свойства, коррозионная стойкость.
An increase of weight efficiency of advanced aerospace equipment is possible by using of low-density aluminium-lithium alloys. A new high-strength low-density alloy V-1469 of Al Cu Li series with micro-additions of Ag, Sc and Zr has been developed at VIAM. Furthermore, an industrial technology for manufacturing of massive extruded sections from V-1469 alloy was developed. Extrusion temperature was chosen as well; some effects of heat treatment conditions on structure and mechanical properties of extrusions were studied. Results of comprehensive studies of mechanical, corrosion and resource characteristics are given in the paper.
Keywords: V-1469 alloy, Al-Cu-Li series, extrusion, extruded sections, heat treatment, structure, mechanical properties, corrosion resistance.
Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal state unitary enterprise «Ail-Russian scientific research institute of aviation materials» State research center of the Russian Federation] E-mail: [email protected]
Введение
Создание перспективных конкурентоспособных изделий авиационно-космической техники требует разработки и освоения промышленного производства новых материалов. Разработка новых композиций алюминиевых сплавов пониженной плотности, повышенной жесткости и прочности в сочетании с высокими ресурсными характеристиками, а также технологических параметров получения полуфабрикатов из них в условиях промышленного производства является актуальной задачей [1-4].
Одним из перспективных конструкционных материалов для авиационно-космической промышленности является высокопрочный (ов>580 МПа) высокомодульный (£=78 ГПа) сплав В-1469 пониженной плотности (d=2,67 г/см3) системы Al-Cu-Li, дополнительно легированный Ag, Sc и Zr, разработанный в ВИАМ [5, 6]. Этот сплав по удельной прочности превосходит все существующие алюминиевые деформируемые сплавы и обладает высокой коррозионной стойкостью, трещиностойкостью и усталостной долговечностью [7], а также технологической пластичностью при литье и обработке давлением, что позволяет применять его для изготовления в промышленных условиях широкой номенклатуры полуфабрикатов [8, 9]. В настоящее время освоено промышленное производство листов толщиной 0,8-6 мм, плит толщиной 25-80 мм, прессованных профилей различного сечения и раскатных колец на серийном оборудовании
ОАО «КУМЗ». Все вышеперечисленные полуфабрикаты и сварные соединения из листов и плит паспортизованы [10-13], за исключением раскатных колец.
Сплав В-1469-Т1 по сравнению с широко применяющимся в настоящее время сплавом В95о.ч./п.ч.-Т2 обладает повышенными прочностью, жесткостью, сопротивлением коррозионному растрескиванию, сваривается всеми основными видами сварки. Сплав В-1469 имеет зарубежные сплавы-аналоги: 2195 - широко используется для сварных конструкций ракетно-космической техники [14, 15]; 2098 и 2198 - применяются в конструкциях самолетов компании Airbus. Сплав 2198 также применяется в сварных элементах фюзеляжа ракеты-носителя одноразового применения Space X Falcon 9 [17].
Применение прессованных полуфабрикатов из сплава В-1469 перспективно и для деталей внутреннего набора изделий авиационно-космической техники. В статье представлены результаты исследования структуры и свойств массивных прессованных полуфабрикатов.
Материал и методы
Материалом для исследований служили круглые слитки диаметром 405 мм и прессованные профили с толщиной полки 40-60 мм (площадь сечения 100 см2) из сплава В-1469, изготовленные в условиях промышленного металлургического производства ОАО «КУМЗ».
Микроструктуру прессованных профилей исследовали на шлифах размером 15^15 мм при помощи металлографического микроскопа Neophot30, оснащенного цифровой камерой фирмы Olympus. Травление шлифов проводили раствором Келлера следующего состава: HF (1 cm3)+HC1 (1,5 cm3)+HNO3 (2,5 см3)+вода (95 см3), с последующим осветлением в 10-20%-ном водном растворе азотной кислоты.
Исследования механических свойств при растяжении, усталостных характеристик, коррозионных свойств прессованных профилей из сплава В-1469, термообработанных по режиму Т1, проведены с использованием современного сертифицированного оборудования в соответствии с действующими стандартами и методиками Российской Федерации.
Результаты
В условиях ОАО «КУМЗ» на промышленном плавильно-литейном агрегате массой 8 т с индукционной тигельной печью ИАТ-10/2,5 и электрическим вакуумным миксером проведена плавка сплава В-1469 и отлиты круглые слитки диаметром 405 мм. Химический состав сплава соответствует требованиям ОСТ 1 90048. Проведен гомоге-низационный отжиг слитков по серийному режиму.
С целью выбора температурного интервала прессования проведено исследование механических свойств слитков при повышенных (350-480°С) температурах (рис. 1).
V, % 100
806040200
Рис. 1. Механические свойства слитков из сплава В-1469 при высоких температурах: ■ - относительное сужение; □ - относительное удлинение
82
88 90
92
2,8 1,4
28
30
40
53
94
60
20 350 390 420 450 480 °С
Установлено, что в температурном интервале 390-480°С достигаются практически максимальные значения характеристик пластичности (5=30-60%, ^=88-94%). Это позволяет проводить горячую деформацию в указанном интервале температур. В результате для опробования технологии прессования были выбраны две температуры 390 и 480°С. Профили с толщиной полки 40-60 мм, с площадью сечения 100 см изготовлены в одно очко на горизонтально-гидравлическом прессе с усилием 5000 тс из контейнера 0370 мм (рис. 2). Размеры заготовок под прессование 0360*640 мм, скорость прессования 0,8 м/мин, коэффициент вытяжки 9,4%.
Рис. 2. Внешний вид прессованного профиля из сплава В-1469
Анализ макроструктуры поперечного сечения профилей, отпрессованных при двух температурах, проведенный на образцах, отобранных с выходного и утяжинного концов, показал, что структура однородная мелкозернистая по всему сечению. Дефектов в виде плен, неметаллических включений, пористости не обнаружено (рис. 3).
Рис. 3. Макроструктура профилей из сплава В-1469
прессованных
С утяжинного и выходного концов из толстой и тонкой части, соответственно, по всему сечению профилей, отпрессованных при двух температурах, в продольном направлении были отобраны образцы для проведения термообработки и испытаний механических свойств с целью выбора оптимального режима. В лабораторных условиях опробованы различные температуры нагрева под закалку (510-530°С) с продолжительностью выдержки (90-250 мин). Правка растяжением профилей после закалки не проводилась.
Микроструктура полуфабрикатов из сплава В-1469 представляет собой тонкую волокнистую субзеренную структуру на периферии и крупнозернистую - в центральной части (зоне) профилей (рис. 4). Существенных различий в микроструктуре профилей, подвергшихся различным режимам термической обработки, не наблюдается.
Исследование распределения механических свойств по сечению профилей при двух температурах прессования показало, что прочностные характеристики в центральной зоне несколько ниже, чем на периферии, при более высоких значениях относительного удлинения ввиду пониженной теплопроводности сплава В-1469. Максимальный уровень прочности при сохранении высокой пластичности обеспечивает проведение закалки после выдержки при температуре 520-530°С, длительность выдержки
должна быть увеличена в два раза по сравнению с выдержкой, рекомендованной в ПИ1.2.699, для тех же толщин полуфабрикатов из серийных алюминиевых сплавов.
о)
100 мкм
б)
т --г — .
100 мкм
Рис. 4. Микроструктура прессованных профилей из сплава В-1469: а - выходной; б - утяжинный
Исследовано влияние продолжительности выдержки при старении на механические свойства. Установлено, что максимальный уровень свойств в продольном, поперечном и высотном направлениях достигается после старения по режиму: 150-160°С в течение 30-40 ч. Из анализа полученных значений механических свойств сделан вывод, что после термической обработки по рекомендованному режиму (закалка+старение, без правки растяжением) при обеих температурах прессования (390 и 480°С) достигается максимальный уровень прочности при сохранении высокого относительного удлинения: ав=590 МИа; а0,2=530-540 МИа; 5=9,7-10,5%.
Известно, что значительный эффект в повышении прочностных свойств, характеристик трещиностойкости и коррозионной стойкости наблюдается при использовании правки растяжением полуфабрикатов [18]. Фактическая степень остаточной деформации после правки профилей в промышленных условиях составила 4-5,5%. Значения механических свойств профилей по сечению после термической обработки в промышленных условиях ОАО «КУМЗ» приведены на рис. 5.
МПа 650 610 600 610
МПа 8, % 620 9,8 590 9,0 570 9,0 580 7,3
МПа 630 620 600 580 580 580 650
МПа 600 600 570 560 560 550 630
°0,2,
8, % 9,8 8,3 9,3 9,3 8,8 9,8 600 610 9,0
МПа I 650 610 610 610 600 590 570 590 650
МПа [ 630 590 580 580 580 570 9,3 7,0 630
8, % 1 8,5 8,3 9,5 10,5 9,8 7,3 9,8
Рис. 5. Механические свойства прессованных профилей из сплава В-1469-Т1 (предел прочности/предел текучести/относительное удлинение)
С целью паспортизации профилей из сплава В-1469-Т1 определены их механические свойства при растяжении (ов, о0,2, 5) при комнатной температуре (табл. 1). Образцы для испытания были вырезаны из двух зон профиля: толщиной 60 мм
(в продольном (Д), поперечном (П) и высотном (В) направлениях); толщиной 40 мм (в направлениях Д и П).
Таблица 1
Механические свойства при растяжении массивных прессованных профилей _из сплава В-1469-Т1 при комнатной температуре_
Толщина полки, мм Направление вырезки образца ^0,2 5, %
М] Па
60 д п в 600-650 540-550 520-530 580-620 520 460-530 9-12 6-7 4-5
40 Д п 610-640 550 580-620 520 10,5-11,0 6,8-8,0
Модуль упругости (Е) составляет 78 ГПа, что на 8-10% превосходит модуль упругости серийно применяемых алюминиевых сплавов. При испытании механических свойств при растяжении при 20°С после нагрева при 85°С до 3000 ч не происходит снижения относительного удлинения, при этом пределы прочности и текучести остаются на том же уровне.
Модуль нормальной упругости (£сж) и условный предел текучести при сжатии (о0,2сж) определены на образцах, вырезанных в продольном направлении. Средние значения составили £сж=80 ГПа, а0,2сж=600 МПа.
Малоцикловая усталость (МЦУ) профилей определена при £=40 Гц, R=0,1, о;^0 = 157 МПа и составляет 350-700 кциклов.
Значение вязкости разрушения (Кд) в направлении ДП составило 40 МП^^/м . Скорость роста трещины усталости (СРТУ) определена на компактных образцах, среднее значение СРТУ (Ш/ёМ) профилей при АК=31,0 МПаТм составляет 1,65 мм/кциклов.
Испытания на межкристаллитную коррозию (МКК) проведены в соответствии с требованиями ГОСТ 9.021-74 в растворе 2 в течение 6 ч, глубина МКК составляет <0,14 мм. Испытания на расслаивающую коррозию (РСК) проведены в соответствии с требованиями ГОСТ 9.904-82 в растворе 2 в течение 2 сут, склонность к РСК: 2-4-й балл. При испытании на стойкость к коррозионному растрескиванию на установке «Сигнал» образцы, вырезанные в высотном направлении, простояли более 45 сут без разрушения при напряжении 280 МПа.
Технология прессования массивных профилей из сплава В-1469 освоена и внедрена в промышленное металлургическое производство ОАО «КУМЗ», разработана нормативная документация на их изготовление и поставку. Результаты всесторонних исследований, в том числе при высоких и низких (криогенных) температурах, позволили рекомендовать сплав для конструкций перспективных изделий авиационно-космической техники, работающих в интервале температур от -70 до +150°С (длительно) и от -150 до +175°С (кратковременно).
Характеристики прессованных профилей из сплава В-1469-Т1 в сравнении с базовым сплавом В95о.ч./п.ч.-Т2 приведены в табл. 2.
Видно, что полученные свойства прессованных профилей из сплава В-1469-Т1 превосходят свойства аналога - отечественного сплава В95о.ч./п.ч.-Т2: по удельной прочности более чем на 20%, модулю упругости - на 10%, сопротивлению коррозионному растрескиванию - на 65%.
Таблица 2
Характеристики прессованных профилей из сплава В-1469-Т1 в сравнении с аналогичными полуфабрикатами из сплава В95о.ч./п.ч.-Т2_
Характеристика Значение характеристик сплавов Квоты преимущества, %
В-1469-Т1 (паспортные данные) В95о.ч./п.ч.-Т2 [19]
св, МПа 600-650 >510 >18
Св/d, км (усл. ед.) >22,5 >17,9 >26
«0,2, МПа 580-620 >450 >29
Е, ГПа 78 71 10
СРТУ: dl/dN, м/кцикл 1,65 2,7 64
(при AK=31 Пал/м )
скр, МПа >280 170 >65
Массивные прессованные профили из сплава В-1469Т1 рекомендованы для изготовления направляющих крепления кресел, каркаса пола пассажирского салона, рельсов грузового отсека, деталей внутреннего набора и других изделий авиационно-космической техники.
Обсуждение и заключения
Разработана технология прессования массивных профилей из высокопрочного алюминийлитиевого сплава В-1469, на серийном оборудовании ОАО «КУМЗ» освоено их опытно-промышленное производство.
Исследовано влияние различных режимов упрочняющей термической обработки на структуру и механические свойства прессованных профилей. Выбран режим, обеспечивающий максимальный уровень прочности при сохранении высокого относительного удлинения: ав>600 МПа, а0,2>580 МПа, 5>9%.
Проведены комплексные исследования массивных прессованных профилей, разработана нормативная документация на их изготовление и поставку.
Сплав В-1469 рекомендован для применения в конструкциях перспективных изделий авиационно-космической техники, работающих длительно в интервале температур от -70 до +150°С (длительно) до +175°С (кратковременно).
Прессованные профили из сплава В-1469-Т1 рекомендованы для замены аналогичных полуфабрикатов из сплава В95о.ч./п.ч.-Т2, так как превосходят их по удельной прочности более чем на 20%, модулю упругости - на 10%, сопротивлению коррозионному растрескиванию - на 65%.
ЛИТЕРАТУРА
1. Каблов E.H. 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.
2. Каблов E.H. Авиакосмическое материаловедение //Все материалы. Энциклопедический справочник. 2008. №3. С. 2-14.
3. Фридляндер И.Н. Воспоминания о создании авиакосмической и атомной техники из алюминиевых сплавов. М.: Наука. 2005. 275 с.
4. Тарасов Ю.М., Антипов В.В. Новые материалы ВИАМ — для перспективной авиационной техники производства ОАО «ОАК» //Авиационные материалы и технологии. 2012. №2. С. 5-6.
5. Антипов В.В., Сенаторова О.Г., Ткаченко Е.А., Вахромов P.O. Алюминиевые деформируемые сплавы //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 167-182.
6. Сплав на основе алюминия и изделие, выполненное из него: пат. 2237098 Рос. Федерация; опубл. 24.07.2003.
7. Фридляндер И.Н., Грушко О.Е., Антипов В.В., Колобнев Н.И., Хохлатова Л.Б. Алюминийли-тиевые сплавы /В кн. 75 лет. Авиационные материалы. Избранные труды «ВИАМ» 1932-2007: Юбилейный научн.-техн. сб. М.: ВИАМ. 2007. С. 163-171.
8. Клочкова Ю.Ю., Грушко О.Е., Ланцова Л.П., Бурляева И.П., Овсянников Б.В. Освоение в промышленном производстве полуфабрикатов из перспективного алюминийлитиевого сплава В-1469 //Авиационные материалы и технологии. 2011. №1. С. 8-12.
9. Клочков Г.Г., Грушко О.Е., Клочкова Ю.Ю., Романенко В.А. Промышленное освоение высокопрочного сплава В-1469 системы Al-Cu-Li-Mg //Труды ВИАМ. 2014. №7. Ст. 01 (viam-works.ru).
10. Колобнев Н.И., Хохлатова Л.Б., Оглодков М.С., Клочкова Ю.Ю. Высокопрочные сплавы системы Al-Cu-Li с повышенной вязкостью разрушения для самолетных конструкций //Цветные металлы. 2013. №9. С. 66-71.
11. Шамрай В.Ф., Грушко О.Е., Тимофеев В.Н., Лазарев Э.М., Клочкова Ю.Ю., Гордеев А.С. Структурные состояния материала прессовок и листов из сплава системы Al-Cu-Li, легированного серебром //Металлы. 2009. №6. C. 53-59.
12. Shamray V., Grushko O., Timofeev V., Lazarev E., Klochkova J. Structural Evolution in Aluminum-Copper-Lithium-Magnesium Alloy Sheets During Processing /Proceedings of the 12-th International Conference of Aluminium Alloys. 2010. P. 2141-2146.
13. Антипов B.B., Колобнев Н.И., Хохлатова Л.Б. Развитие алюминийлитиевых сплавов и многоступенчатых режимов термической обработки //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 183-195.
14. Фридляндер И.Н., Грушко О.Е., Шамрай В.Ф., Клочков Г.Г. Высокопрочный конструкционный Al-Cu-Li-Mg сплав пониженной плотности, легированный серебром //МиТОМ. 2007. №6 (624). С. 3-7.
15. Troeger P., Domack M.S., Wagner J.A. Microstructural and Mechanical Property Characterization of Shear Formed Aerospace Aluminum Alloys /NASA. Langly Research Center Hampton. Virginia. 2000.
16. Hales S.J., Hafley R.A. Structure-Property Correlations in Al-Li Alloy Integrally Stiffened Extrusions /NASA, Langly Research Center Hampton. 2001.
17. Prasad N.E., Gokhale A., Wanhill R.J.H. Aluminium-lithium alloys: processing, properties, and applications. 2013. 608 p.
18. Фридляндер И.Н., Чуистов КВ., Березина А.Л., Колобнев Н.И. Алюминиево-литиевые сплавы. Структура и свойства. К.: Наукова думка. 1992. 192 с.
19. Авиационные материалы: Справочник в 13-ти томах. 7-е изд., перераб. и доп. /Под общ. ред. Е.Н. Каблова. М.: ВИАМ. 2009. Т. 4. Ч. 1. Кн. 2. 170 с.
