CC BY
22
УДК 669.715:669.721.5
Г.Г. Клочков, O.E. Грушко, В.И. Попов, В.В. Овчинников*, В.Ф. Шамрай**
СТРУКТУРА, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И СВАРИВАЕМОСТЬ ЛИСТОВ ИЗ СПЛАВА В-1341 СИСТЕМЫ Al-Mg-Si
Приведены результаты исследования листов сплава В-1341, разработанного на основе системы Al-Mg-Si, легированного кальцием. Изучены кристаллографическая текстура, микроструктура, способность к формообразованию при холодной деформации и свариваемость листов толщиной 1,5 мм.
Ключевые слова: Al-Mg-Si, В-1341, листы, технологичность, свариваемость, структура, кальций.
В конструкции современных летательных аппаратов широкое применение находят сварные узлы из алюминиевых сплавов, работающие под внутренним давлением жидкостей и газов. К таким узлам относятся подвесные и накладные топливные баки, топливные аккумуляторы, бачки и баллоны, а также сварные трубопроводы.
Технологический процесс изготовления бачков и баллонов включает операции холодной штамповки листовой заготовки и дуговую сварку неплавящимся электродом в защитном газе. В отечественной и зарубежной практике при изготовлении изделий, технологический цикл которых включает операции холодной штамповки с глубокой вытяжкой, растяжением и изгибом, обычно применяют сплавы системы Al-Mg. Однако эти сплавы обладают относительно низкой прочностью, не являются вакуумно-плотными в листах толщиной менее 2,5 мм, склонны к наклепу и формированию деформационных полос при деформации растяжением. Для аналогичных целей могут широко использоваться листы из сплавов системы Al-Mg-Si (серии 6000). В последние годы этим сплавам уделяется большое внимание в связи с тем, что их начинают применять в автомобильной промышленности.
В работе приведены результаты исследования листов сплава В-1341, разработанного на основе системы Al-Mg-Si, легированного кальцием. Изучены кристаллографическая текстура, микроструктура, способность к формообразованию при холодной деформации, свариваемость листов толщиной 1,5 мм сплавов системы Al-Mg-Si, содержащих легирующие добавки кальция, имеющих регламентированную рекристал-лизованную структуру после закалки. Показана высокая технологичность листов, позволившая получить детали типа полусфер, тонкостенные профили в условиях стесненного изгиба, гофрированные панели. Изучена свариваемость сплава В-1341, получены герметичные сварные баллоны, которые при испытании под избыточным давлением до 1,3 ат (0,13 МПа) сохраняли герметичность. Полученные результаты показали перспективность применения сплава В-1341 системы Al-Mg-Si в сварных герметичных конструкциях вместо сплавов системы Al-Mg. Разработанный сплав применен в новом российском гражданском самолете SSJ (Sukhoi Super Jet) в конструкции пилонов, систем кондиционирования и отъемной части крыла.
* ФГУП «Российская самолетостроительная корпорация „МиГ"».
** «ИМЕТ им. A.A. Байкова» РАН.
Методы и материал для исследования
В качестве материала для исследований использовали холоднокатаные листы толщиной 1,5 мм из сплавов системы Al-Mg-Si двух составов: без кальция и с кальцием. Величину зерна определяли на микрошлифах, вырезанных в продольном направлении относительно прокатки по толщине листа.
Технологичность при холодном формообразовании холоднокатаных листов в закаленном состоянии оценивали комплексной методикой [1], включающей определение показателей, характеризующих способность материала к выдавке (коэффициент выдав-ки ^ьи, высота купола Ц) и гибке (минимальный радиус изгиба гШш).
Величину ^выд определяют по формуле:
Квьщ=#/рм^),
где Н - высота купола, мм; Бм - диаметр матрицы, мм; s - толщина листа, мм.
Влияние Са на структуру
Одними из существенных факторов, определяющих способность к формообразованию при холодной деформации, являются кристаллографическая текстура и зерен-ная структура. Размер зерна в листах из сплавов системы Al-Mg-Si не должен превышать величины d:«50-70 мкм [2]. В алюминиевых сплавах на параметры структуры существенное влияние оказывают переходные металлы, такие как Fe, Гг, ТТ, а также щелочные и щелочноземельные металлы.
Исследована структура листов двух сплавов. Микроструктуры листов изученных сплавов заметно различаются как по размеру зерна, так и по своему характеру. Зерна в сплаве без кальция значительно крупнее, чем в сплаве с кальцием (соответственно: -100 и ~30 мкм), они имеют более равноосную (полигональную) форму. Все это указывает на то, что в сплаве без кальция прошла собирательная рекристаллизация. Зерна в сплаве с кальцием мельче и более вытянуты, структура более однородная (рис. 1).
а) б)
Рис. 1. Микроструктура (х 100; цветное травление) сплава В-1341 без кальция (а) и с кальцием (б)
Листы сплава без кальция характеризуются заметной неоднородностью текстуры по толщине. По всему сечению листа преобладает кубическая ориентация {100}-<0И>. В структуру срединных слоев заметный вклад внесли ориентации сдвигового типа ^И}-<011> с осью <011>, параллельной направлению прокатки. Практически отсутствуют ориентации плоской деформации типа {110}+^И}-<112>, характерные для текстуры срединных слоев листов из алюминиевых сплавов [3, 4]. В срединной части листов отмечено присутствие октаэдрической ориентации сдвигового типа {111} -<011>, которая выражена наиболее отчетливо в сплаве с кальцием. В целом наблюдается некоторая
нерегулярность мотива полюсных фигур, проявляющаяся в виде нарушений зеркальной симметрии позиций текстурных максимумов, отвечающих совокупности ориентации одного типа, что свидетельствует о наличии крупных зерен.
Основной особенностью прямых полюсных фигур (ППФ) листов сплава с кальцием является сильный центральный максимум (Р«10—20), соответствующий кубической текстуре. Помимо кубической текстуры, только на ППФ подповерхностных слоев сплава без кальция фиксировались следы текстуры Госса типа {110}-<001> и компонент {113}-<332>. На большинстве полюсных фигур проявились изолированные интенсивные максимумы, свидетельствующие о присутствии крупных зерен произвольной ориентации. Полюсные фигуры сплава с кальцием имеют более регулярный характер, на них практически полностью отсутствуют сильные изолированные максимумы [5]. В отличие от сплава без кальция, в структуре сплава с кальцием в качестве основного присутствовал октаэдрический компонент {111}<110>, который, как известно, обеспечивает однородное течение металла при холодной штамповке без образования фестонов.
Для обеспечения хорошего формообразования при холодной деформации необходимо, чтобы листы были изотропны. Листы сплава, легированного кальцием, в состоянии Т (закалка+естественное старение) - изотропны (рис. 2). Значения предела прочности находятся в диапазоне 252-258 МПа, а относительного удлинения: 28,5-31,3%.
Влияние Са на формообразование и свариваемость
На листах обоих сплавов в состоянии Т были определены характеристики технологичности при холодном формообразовании (табл. 1). Высота купола при выдавке Н и коэффициент выдавки на листах сплава с кальцием выше, чем на листах без кальция. Минимальный угол изгиба для обоих сплавов находится в пределах (0,6-0,8^ ^ - толщина листа, мм).
Таблица 1
Характеристики технологичности сплавов системы Д1-Мц-81_
Сплав Показатель технологичности
гmin К-выд Н, мм Качество поверхности
Без кальция 0,6-0,8 35 20 Небольшая шероховатость
С кальцием 0,6-0,8 43 23 Гладкая
Исследована свариваемость сплавов системы Al-Mg-Si. В табл. 2 показано влияние содержания кальция на склонность сплава к образованию трещин. Аргоно-дуговую сварку образцов осуществляли без присадки и с присадочной проволокой. Как видно, введение в сплав кальция позволяет снизить коэффициент трещинообразования. Склонность к трещинообразованию при сварке плавлением в результате введения кальция снижается за счет измельчения структуры швов.
«
н о о и
^ I
о
а 1 а '
ч
<и Ч <и а С
260
5 250
240
230
0(Д)
90(П)
Направление вырезки образца, град
Рис. 2. Свойства листов из сплава В-1341 в зависимости от направления вырезки образцов
Таблица 2
Склонность к трещинообразованию при сварке ААрДЭС сплава В-1341
Сплав
Вид сварки
Коэффициент трещинообразования, %
Без кальция С кальцием
Без присадки Без присадки С присадкой
45 18
2-8
Изготовление деталей из листов сплава В-1341
На основании полученных результатов сплав системы Л1-М§-Б1, легированный кальцием, запатентован и получил марку В-1341. Освоено его промышленное производство в виде листов, прессованных прутков, профилей, труб. Гарантированный уровень свойств листов из сплава В-1341:
Предел прочности ов, МПа....................................>330
Предел текучести о0,2, МПа....................................>260
Относительное удлинение 5, %.................................>10.
Из холоднокатаных листов в состоянии Т методами холодной деформации могут быть получены детали сложной формы (рис. 3) без промежуточной термической обработки.
а) б)
Рис . 3. Детали из сплава В-1341, полученные холодной деформацией: а - днище бака 0120 мм (штамповка за два перехода, без промежуточной термической обработки); б - полупатрубок (штамповка за один переход)
Листы, сварные соединения и детали из сплава В-1341 имеют высокую коррозионную стойкость. Глубина межкристаллитной коррозии (МКК) в состоянии Т1(закалка+искусственное старение) и после нагрева при 175°С, 1000 ч не превышает 0,1 мм.
Листы из сплава В-1341 хорошо свариваются с листами сплавов системы Л1-М§. Характеристики сварных соединений приведены в табл. 3.
Таблица 3
Механические свойства сварных соединений_
Сочетание Состояние Предел прочности сварного Угол изгиба,
сплавов образца* соединения свсв, МПа град
В-1341-Т+В-1341-Т 1 208 83
2 288 62
В-1341-Т+АМг2 1 196 100
2 197 81
В-1341 -Т4+АМг4 1 202 90
2 215 72
В-1341 -Т4+АМгб 1 207 81
2 282 60
* 1 - после сварки; 2 - искусственное старение после сварки.
Проведены сравнительные циклические испытания на герметичность образцов-емкостей (рис. 4) из сплава В-1341 (толщина листа 1,5 мм) и сплава АМг4 (толщина листа 2,5 мм) по следующей схеме:
- проверка на герметичность давлением воздуха 0,2 МПа;
- подъем давления до 0,2 МПа (через штуцер в дне) и сброс давления до нуля (один цикл);
- осмотр герметичности сварных швов через каждые 1000 циклов.
Испытания на герметичность избыточным давлением показали, что образцы-емкости из сплава АМг4 теряют герметичность при повышении давления с 0,2 до 0,3 МПа. При этом наблюдается отпотевание (нарушение герметичности) как по основному металлу, так и по сварному соединению. Нарушение герметичности по сварному соединению происходит по металлу шва или по зоне сплавления.
При испытаниях на герметичность циклическим нагружением образцы-емкости из сплава В-1341 выдержали (48-50)-10 циклов без нарушения герметичности основного металла и продольного сварного шва, такие же образцы-емкости из сплава АМг4 теряли герметичность приблизительно через (28-33)-10 циклов нагружения.
Хорошая штампуемость и свариваемость листов сплава В-1341 позволяет изготовлять из него сварные топливные аккумуляторы, топливные баки, расположенные в крыльях самолета, и расширительные бачки из листа толщиной 1,5 мм (взамен сплава АМг4 толщиной 2,5 мм). Применение сплава В-1341 должно способствовать повышению надежности в эксплуатации сварных емкостей. На рис. 5 показан топливный аккумулятор из сплава В-1341 после испытания на прочность при внутреннем давлении, в 2 раза превышающем рабочее.
Таким образом, во ФГУП «ВИАМ» разработан и запатентован сплав марки В-1341 на основе системы Al-Mg-Si с легирующей добавкой кальция, которая оказывает положительное влияние на комплекс свойств, структуру и свариваемость сплава. Показаны высокие характеристики коррозионной стойкости, формообразования и свариваемости листов из сплава В-1341. Сплав рекомендован для замены сплавов системы Al-Mg в сварных узлах, работающих под давлением, и деталей, полученных холодной деформацией. В промышленном производстве освоено изготовление листов (рулонная прокатка), прессованных профилей, прутков, труб. Полуфабрикаты из сплава В-1341 могут использоваться в авиационной и автомобильной промышленности, строительстве. Разработанный сплав применен в новом российском гражданском самолете SSJ (Sukhoi Super Jet).
Рис. 4. Образец-емкость из сплава АМг4 Рис. 5. Топливный аккумулятор из спла-
ва В-1341 (показано образование «бочки»)
ЛИТЕРАТУРА
1. Аверкиев А.Ю. Методы оценки штампуемости листового металла. М.: Машиностроение. 1975. С.175.
2. Katsushi M., Yasuaki S., Mashiro Y. U.S. Patent 6334916, January, 2002.
3. Фридляндер И.Н., Шамрай В.Ф., Бабарэко A.A. и др. //Металлы. 1999. №2. С. 79-84.
4. Фридляндер И.Н., Бабарэко A.A., Сандлер B.C. //Перспективные материалы. 2000. №4. С. 19-24.
5. Шамрай В.Ф., Грушко O.E., Шевелёва Л.М., Самсонов В.Д. //Перспективные материалы. 2004. №5. С. 16-22.
УДК 669.715:669.884
Ю.Ю. Клочкова, O.E. Грушко, Л.П. Ланцова, И.П. Бурляева, Б.В. Овсянников*
ОСВОЕНИЕ В ПРОМЫШЛЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ ПОЛУФАБРИКАТОВ ИЗ ПЕРСПЕКТИВНОГО АЛЮМИНИЙЛИТИЕВОГО СПЛАВА В-1469
Приведены результаты испытаний катаных и прессованных полуфабрикатов из сплава В-1469-Т 1. Сплав В-1469 на основе системы Al-Cu-Li-Mg-Ag является алюминиевым деформируемым, термически упрочняемым, пониженной плотности, высокопрочным, высококоррозионностойким.
Ключевые слова: листы, прессованные профили, раскатные кольца, алюминийлитие-вые сплавы, исследование, термическая обработка.
Создание российских гражданских и боевых самолетов нового поколения, а также современных образцов ракетно-космической техники, в том числе работающих в условиях криогенных температур, требует разработки и освоения промышленного производства новых конструкционных материалов [1-3].
Алюминиевые сплавы являются основным конструкционным материалом летательных аппаратов, поэтому на протяжении нескольких десятилетий как за рубежом, так и в России ведутся исследования, направленные на разработку алюминиевых сплавов, легированных литием, обладающих большей удельной прочностью и жесткостью [4].
Работами зарубежных исследователей показано, что при дополнительном легировании сплавов системы Al-Cu-Li серебром можно получить более высокий уровень прочностных характеристик. Положительное влияние серебра на эффект старения сплавов алюминий-литий и алюминий-медь-литий было обнаружено Харди еще в 1956 году. В настоящее время зарубежные фирмы разрабатывают третье поколение таких сплавов.
В 2003 г. во ФГУП «ВИАМ» разработан и запатентован высокопрочный высокомодульный (£=78-80 ГПа) коррозионностойкий свариваемый сплав В-1469 пониженной плотности (d=2,67 г/см3) на основе системы Al-Cu-Li-Mg, легированный Ag, Zr и Sc. Благодаря дополнительному легированию цирконием, скандием и серебром, по удельной прочности он превосходит все существующие алюминиевые деформируемые сплавы, имеет высокие характеристики коррозионной стойкости и эксплуатационной надежности. Сплав технологичен при литье и обработке давлением, что позволяет получать из него все виды полуфабрикатов.
*ОАО «КУМЗ», г. Каменск-Уральский.
