CC BY
11
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
Научный редактор раздела
докт. техн. наук, профессор Е.Б. Качанов
УДК 621.78:669.715
ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СПЛАВА 1370 ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ КАТАНЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ И ГЕРМЕТИЧНЫХ КОРПУСОВ ГИРОСКОПИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
Н.И. Колобнев, докт. техн. наук (e-mail: kolobnevni@viam.ru), В.В. Махсидов, канд. техн. наук, С.В. Самохвалов
(ФГУП «ВИАМ», г. Москва), В.Х. Даммер, канд. техн. наук, В.А. Кириллов, канд. техн. наук (АО «Научно-производственный центр «Полюс», г. Томск)
Приведены результаты исследования влияния низкотемпературной термомеханической обработки (НТМО) на свойства катаных полуфабрикатов в процессе их изготовления из сплава 1370 системы Al-Mg-Si-Cu и изготовления деталей герметичных корпусов гироскопических устройств.
Показана эффективность применения НТМО как при изготовлении полуфабрикатов в металлургическом производстве, так при изготовлении элементов конструкций авиакосмической техники. В результате повышаются прочностные свойства, практически устраняется склонность к межкристаллитной коррозии (МКК), обеспечивается точность и стабильность размеров деталей при длительном воздействии значительных механических нагрузок.
Ключевые слова: сплав 1370; низкотемпературная термомеханическая обработка; прокатка; вытяжка; коррозионная стойкость.
Thermomechanical Treatment Used in the Production Process of 1370 Alloy Rolled Semiproducts and Hermetically Sealed Gyroscopic Device Cases. N.I. Kolob-nev, V.V. Makhsidov, S.V. Samokhvalov, V.Kh. Dammer, V.A. Kirillov.
The results of the study concerning the effect of low-temperature thermomechanical treatment (LTTT) on properties of rolled 1370 Al-Mg-Si-Cu alloy semiproducts and components of hermetically sealed gyroscopic device cases in the process of their production are presented.
The efficiency of LTTT application both for production of wrought semiproducts and aerospace structural components is shown. As a result, strength properties are improved, susceptibility to intercrystalline corrosion is practically removed, accuracy in size and dimensional stability of the components under conditions of long-term effect of considerable mechanical loads are ensured.
Key words: 1370 alloy; low-temperature thermomechanical treatment; rolling; drawing; corrosion resistance.
Введение
Свариваемый алюминиевый сплав 1370 системы А!-Мд-81-Си - перспективный конструкционный материал для изделий авиакосмической техники [1-7]. Полуфабрикаты
(листы, плиты и прессованные профили) из сплава 1370Т1 имеют прочностные свойства и ресурсные характеристики на том же уровне, что и аналогичные полуфабрикаты из сплавов типа Д16чТ, а по пределу текучести и сопро-
Рис. 1. Элементы передней кромки крыла самолета Ан-148
тивлению некоторым видам коррозии (РСК и КР) превосходят их. Однако сплав 1370 проявляет некоторую склонность к МКК.
Высокая технологическая пластичность при холодной деформации и повышенные прочностные свойства при температурах до 150 °С позволили использовать листы из сплава 1370Т1 на передние кромки крыльев и оперения стабилизатора самолета Ан-148 (рис. 1) [8].
Для дополнительного повышения прочностных характеристик и устранения склонности к МКК сплава 1370 целесообразно применять термомеханическую обработку.
Термомеханическая обработка алюминиевых сплавов, включающая пластическую деформацию, которая благодаря повышенной плотности дефектов кристаллической решетки влияет на формирование структуры при фазовых превращениях, происходящих во время термической обработки. В результате улучшаются прочностные свойства за счет уменьшения размера и повышения плотности выде -лений метастабильных упрочняющих фаз. Применение низкотемпературной термомеханической обработки (НТМО) приводит к повышению не только прочностных характеристик, но и коррозионной стойкости [9].
Материалы и методика исследования
Работу по оценке эффективности применения НТМО проводили на листах толщиной 1,2 и 4,0 мм и плитах толщиной 30,0 мм из сплава 1370, химический состав которого соответствовал требованиям ОСТ 190048-90 (изменение № 8). Катаные полуфабрикаты
изготавливали на ОАО «КУМЗ» по серийной технологии из плоских слитков размером 300 х 1100 х 3000 мм. Неплакированные листы шириной 1400 мм изготавливали методом холодной рулонной прокатки, плиты шириной 1500 мм - горячей прокаткой. Эти же полуфабрикаты использовали при изготовлении кожуха и корпуса для сварных герметичных гироскопических устройств [10].
При исследовании катаных полуфабрикатов определяли зеренную микроструктуру, механические свойства при растяжении и коррозионную стойкость (МКК, РСК) по стандартным методикам. Приграничные зоны, свободные от выделений упрочняющих метастабильных фаз, определяли при электронно- микроскопическом исследовании.
Изготовление и исследование катаных полуфабрикатов из сплава 1370 с применением НТМО
В процессе изготовления листов и плит из сплава 1370 деформацию между закалкой и старением осуществляли прокаткой или растяжением (табл. 1, 2). Листы толщиной 4,0 мм после закалки подвергали прокатке со степенью остаточной деформации от 10 до 20 %, листы толщиной 1,2 мм - растяжению до 7 %. Плиты толщиной 30 мм после закалки подвергали пластической деформации растяже-
Таблица 1
Влияние пластической деформации
между закалкой и старением на свойства листов толщиной 4,0 мм из сплава 1370 в состоянии Т1
Температура нагрева под закалку 547 °С
Свойство без НТМО прокатка, 8 = 10 % прокатка, 8 = 15 % прокатка, 8 = 20 %
ств, МПа 425 435 445 450
ст0 2, МПа 395 410 420 430
8, % 12 9 7 6
МКК, мм 0,08 0,06 0,02 0
РСК, балл 2-3 2-3 2-3 2-3
Ширина ЗСВ, нм 35 30 20 18
Таблица 2
Влияние пластической деформации
между закалкой и старением
на свойства листов толщиной 1,2 мм
из сплава 1370 в состоянии Т1
Свойство Температура нагрева под закалку 547 °С
без НТМО растяжение, е = 7 %
ств, МПа 430 445
ст0,2, МПа 385 410
8, % 13 10
МКК, мм 0,07 0
РСК, балл 2 2
нием (до 15%) и прокатке (до 20%). Затем полуфабрикаты искусственно старились по режиму 180 °С, 10 ч (Т1) (табл. 3).
Листы и плиты характеризовались сравнительно мелкозернистой рекристаллизован-ной структурой (рис. 2).
Применение пластической деформации между закалкой и старением (НТМО) при изготовлении листов и плит обеспечивает повышение прочностных свойств на 25-40 МПа и практически устраняет склонность к МКК. Снижение склонности к МКК можно объяснить уменьшением приграничных ЗСВ и выравниванием электрохимических потенциалов матрицы в зерне и в приграничной зоне [8].
Таблица 3 Влияние вида пластической деформации между закалкой и старением на свойства плит толщиной 30 мм из сплава 1370 по режиму Т1
Свойство Температура нагрева под закалку 530 ° С Температура нагрева под закалку 547 °С
без НТМО растяжение, е = 15 % прокатка, е = 20 % растяжение, е = 15 % прокатка, е = 20 %
ств, МПа ст0 2, МПа 8, % МКК*, мм РСК*, балл Ширина ЗСВ, нм * Катаная 410 385 12,5 0,20/0,14 3/3 /фрезеров 430 400 11 0,13/0,07 3/4 100 анная на 1/ 445 425 12 0,08/0,04 3/3 60 2 толщины 445 420 10,5 0,08/0,04 3/4 45 поверхнос 450 430 8 0,05/0,04 3/4 30 ть плиты.
Рис. 2. Микроструктура листа толщиной 1,2 мм (а) и плиты толщиной 30 мм (б) из сплава 1370Т1
а
Изготовление и исследование сварных герметичных корпусов гироскопических
устройств из сплава 1370 с применением НТМО
Сплав 1370Т1 является весьма перспективным материалом для снижения массы гироскопических устройств взамен сплава АМг6 из-за более высокой прочности [10]. Материалы для изготовления герметичных корпусов гироскопических устройств должны удовлетворять следующим требованиям: обеспечение герметичности сварных соединений и точности размеров при изготовлении деталей механической обработкой, стабильности размеров в течение длительного времени в условиях значительных механических нагрузок, способности к глубокой холодной вытяжке. Опытные работы показали, что этим требованиям полностью удовлетворяют листы и плиты из сплава 1370.
Корпус гироскопа состоит из собственно корпуса сложной формы из плиты (рис. 3, а, б) и кожуха полусферической формы (рис. 3, в, г). Герметичность достигается электронно-лучевой сваркой кожуха с корпусом.
Изготовление кожуха из листов толщиной 1,2 мм и корпуса из плиты толщиной 30 мм осуществляли с использованием НТМО. Для придания материалу кожуха высокой пластичности, необходимой при вытяжке, листовую заготовку подвергали закалке. Затем для получения требуемой кривизны сферической поверхности кожух подвергался вытяжке и старению, оставаясь надетым на пуансон.
Для снижения закалочных напряжений закалку заготовок дисковой формы для корпусов проводили с охлаждением в горячей воде температурой 75-80 °С или масле.
д
Рис. 3. Корпус из плиты (а, б), кожух из листа после вытяжки (в, г) и сварной корпус гироскопа (д)
После закалки для снижения остаточных напряжений заготовки подвергали вращению вокруг оси симметрии со скоростью, при которой напряжения в материале под действием центробежных сил достигают предела текучести и происходит микропластическая деформация.
При изготовлении корпусов контролировались внутренний и наружный диаметры кольцевых заготовок до и после разгона на частоте 17000 об/мин. Их увеличение составляло 100-150 мкм внутри и 50-100 мкм снаружи, что согласуется с результатами проведенных расчетов и свидетельствует о пластическом течении во всем объеме заготовки. При расчетах напряженного состояния заготовки, пластически деформируемой при вращении под действием центробежных сил, использовали уравнения равновесия [11, 12]. Ориентировочно
_ степень деформации составляет
7-10%.
В результате операции по снижению закалочных напряжений и НТМО при изготовлении элементов гироскопических устройств обеспечили требуемые механические свойства (ств = 435 МПа, ст02 = 415 МПа при 8 = 10 %), высокую точность и стабильность их размеров.
Заключение
Применение термомеханической обработки при изготовлении катаных полуфабрикатов и элементов конструкций из свариваемого высокотехнологичного сплава 1370 системы А!-Мд-81-Си позволяет повысить прочностные свойства за счет уменьшения размера и повышения плотности выделений метаста-бильных фаз в' (Мд2в1) и О' (А15Б1бМд8Си2), понизить склонность к межкристаллитной коррозии, обеспечить точность и стабильность размеров деталей гироскопических устройств.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Колобнев Н.И., Махсидов В.В., Самохвалов С.В., Сбитнева С.В., Попов В.И., Курс М.Г.
Влияние деформации после закалки и режимов старения на механические и коррозионные свойства сплава системы А!-Мд-Б1-Си-2п // Авиационные материалы и технологии. 2011. № 1. С. 12-15.
2. Фридляндер И.Н., АнтиповВ.В., Колобнев Н.И., Якимова Е.Г. Конструкционные жаропрочные алюминиевые сплавы. 75 лет. Авиационные материалы // В сб.: Избранные труды «ВИАМ» 1932-2007 гг. - М.: ВИАМ, 2007. С. 172-180.
3. Каблов Е.Н. Современные материалы - основа инновационной модернизации России // Металлы Евразии. 2012.№ 3. С. 10-15.
4. Каблов Е.Н. 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. С. 3-33.
5. Каблов Е.Н. Авиакосмическое материаловеде-ние//Все материалы. Энциклопедический справочник. 2008. № 3. С. 2-14.
6. Махсидов В.В., Колобнев Н.И., Каримова С.А., Сбитнева С.В. Взаимосвязь структуры и коррозионной стойкости в сплаве 1370 системы А!-Мд-
Б1-Си-2п // Авиационные материалы и технологии. 2012. № 1. С. 8-12.
7. Илларионов Э.И., Колобнев Н.И., Горбунов П.З.
Алюминиевые сплавы в авиакосмической технике. - М.: Наука, 2001. - 192 с.
8. Махсидов В.В. Закономерности изменения структуры, механических и коррозионных свойств листов из сплава 1370 системы А!-Мд-Б1-Си-2п в зависимости от химического состава, режимов термомеханической и термической обработок. Дис. канд. техн. наук. - М.: 2012.
9. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. - М.: Металлургия, 1986. - 480 с.
10. Даммер В.Х., Кириллов В.А., Солдатенко В.В., Болзовская О.Г., Колобнев Н.И., Самохвалов С.В., Махсидов В.В. Технология изготовления деталей космических аппаратов из высокопрочного сплава 1370 // В сб.: Электронные и электромеханические системы и устройства. -Томск. 2011. С. 526-531.
11. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т. 7. Теория упругости.: в 10 т.: 4-е изд., пе-рераб. и доп. - М.: Наука, 1987. - 264 с.
12. Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. Справочник по сопротивлению материалов. -Киев.: Наукова думка, 1988. - 734 с.
С ЮБИЛЕЕМ!
14 апреля 2016 г. исполняется 80 лет доктору технических наук, профессору
НИКОЛАЮ ИВАНОВИЧУ КОЛОБНЕВУ -
одному из ведущих специалистов в области металловедения алюминиевых сплавов и теории их термической обработки, главному научному сотруднику Всероссийского научно-исследовательского института авиационных материалов.
Вся трудовая деятельность Н.И. Колобнева с 1959 г. связана с ВИАМом и была направлена на разработку, освоение и внедрение алюминиево-литиевых и коррозионно-стойких сплавов систем А!-Мд-Ы, А!-Си-Ы, А!-Мд-Б1-Си и научных основ ступенчатой термической обработки алюминиево-литиевых сплавов.
Н.И. Колобнев является автором 180 научных публикаций и более 60 авторских свидетельств и патентов. В 1999 г. Н.И. Колобневу присуждена Государственная премия РФ в области науки и техники за работу «Сверхлегкие сплавы в авиакосмической технике».
Коллектив Всероссийского института легких сплавов и редколлегия журнала «Технология легких сплавов» поздравляют Николая Ивановича с юбилеем, желают ему крепкого здоровья и успехов в работе.
