CC BY
32
УДК 621.78:669.157.8:669.718
М.С. Оглодков, Л.Б. Хохлатова,
Н.И. Колобнев, А.А. Алексеев, Е.А. Лукина
ВЛИЯНИЕ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА СВОЙСТВА И СТРУКТУРУ СПЛАВА СИСТЕМЫ А1-Си-М£-Ы^п
Высокопрочный свариваемый коррозионностойкий сплав В-1461 системы Al-Cu-Li-Zn-Mg (2г, Sc) относится к новому поколению алюминийлитиевых сплавов и характеризуется пониженным содержанием лития, повышенными технологичностью и характеристиками трещиностойкости. В работе исследовано влияние термомеханической обработки, режимов многоступенчатого старения на структуру и свойства сплава В-1461.
Ключевые слова: сплав В-1461 системы Al-Cu-Li-Zn-Mg ^г, Sc), катаные плиты, правка после закалки, НТМО, многоступенчатое старение, свойства при растяжении, вязкость разрушения.
Сплав В-1461 по химическому составу близок к сплавам 2099 и 2199 и предназначен для применения в виде листов, плит и прессованных профилей для обшивки и внутреннего силового набора фюзеляжа современных самолетов различного назначения. Российский сплав В-1461 отличается от американских сплавов 2099 и 2199 дополнительным микролегированием Sc и Се, улучшающими литейные свойства и свариваемость сплава. Для полуфабрикатов из алюминийлитиевых сплавов наиболее важными являются характеристики удельной прочности и вязкости разрушения [1].
Структуру сплава исследовали с помощью световой и просвечивающей электронной микроскопии на промышленных плитах толщиной 12-55 мм, изготовленных с использованием низкотемпературной термомеханической обработки (НТМО), которая включала в себя правку растяжением после закалки и дополнительную нагартовку на прогладочном стане с последующим искусственным старением.
Исследуемые плиты подвергали закалке на горизонтальном закалочном агрегате с охлаждением водой распылением. Деформация после закалки была различной на плитах разной толщины. Исследования проводились после правки растяжением:
Степень остаточной деформации в, % Дополнительная нагартовка
на прогладочном стане с в, %
2,8-3,2.........................Без нагартовки
0,1-1,1.........................Без нагартовки
0,1-1,1.........................4,8-6,3.
Структура плит толщиной 12; 20 и 40 мм - частично рекристаллизованная волокнистая, неоднородная по толщине (рис. 1). Неоднородность структуры по толщине более выражена в плитах толщиной 20 и 40 мм: чем толще плита, тем больше толщина волокон и меньше степень рекристаллизации.
В плитах большей толщины (45-55 мм) была получена нерекристаллизованная волокнистая, неоднородная по толщине структура. Толщина волокон больше, чем в плитах толщиной 12-40 мм и составляет в приповерхностных слоях 50-150 мкм, в центральных слоях: 50-250 мкм (рис. 2 и 3, а, б).
Сравнительные испытания характеристик прочности и пластичности проводили на образцах, вырезанных из центральной зоны по толщине плит. Свойства при растяжении определяли после двухступенчатого старения по режиму Т6 (130°С, 20 ч + 160°С, 24 ч), который обеспечивает максимальную прочность при сохранении относительного удлинения на высоком уровне.
Рис. 1. Микроструктура (травление в растворе Келлера) центральных по толщине слоев плит (продольное направление) из сплава В-1461-Т6 толщиной 12 (а), 20 (б) и 40 мм (в)
1000 мкм
1000 мкм
Рис. 2. Микроструктура (анодное окрашивание) центрального по толщине слоя плит из сплава В-1461-Т6 толщиной 45 (а) и 55 мм (б)
Рис. 3. Распределение частиц (темнопольное изображение) Т[ - (а, б) и -фаз (в, г) в плите из сплава В-1461-Т6 в зависимости от деформации растяжением в: 0,1 (а, в) и 2,8% (б, г)
Результаты испытаний показали, что увеличение степени остаточной деформации при правке растяжением в интервале от 0,1 до 1,1% приводит к росту пределов прочности и текучести плит на 35-55 МПа. Введение дополнительной нагартовки прокаткой с остаточной степенью деформации в=4,8-6,3% приводит к росту пределов прочности и текучести на 60-140 МПа в зависимости от толщины плиты (табл. 1).
Деформация растяжением после закалки с остаточной степенью деформации 2,8-3,2%, в сочетании с двухступенчатым старением на плитах толщиной 45 и 55 мм обеспечила получение высоких значений прочностных характеристик (ов=550 МПа, о0,2=525 МПа, 510=7,0%), при сохранении показателя вязкости разрушения на среднем
уровне (КХс (ДП)=37 МПа/м).
Таблица 1
Влияние деформации между закалкой и старением на механические свойства
_при ^ растяжении плит толщиной 12-40 мм из сплава В-1461_
Толщина Направле- Значения свойств
плиты, мм ние вырезки образца после правки растяжением с дополнительной нагартовкой прокаткой
степень Ов О0,2 5, % суммар- Ов О0,2 5, %
остаточной деформации в, % МПа ная в, % МПа
12 Д 1,1 535 475 11,0 1,1+6,3 580 545 10
П 525 465 11,0 570 540 9,5
20 Д 0,6 515 440 9,0 0,6+5,3 570 535 9,0
П 505 420 11,5 563 525 9,0
40 Д 0,1 480 400 9,5 0,1+4,8 565 535 9,5
П 470 390 9,5 563 525 9,0
На основании ранее проведенных исследований структуры сплава В-1461 в широкой температурно-временной области старения (130-225°С, 1-64 ч) была построена диаграмма фазовых превращений при старении (ДФПС) [2].
Установлено, что при двухступенчатом старении область образования 9'-фазы, которая обеспечивает высокие значения характеристик вязкости разрушения, смещается в сторону меньшей длительности старения. Чем интенсивнее образование 5'-фазы с увеличением выдержки на низкотемпературной первой ступени (до 96 ч), тем сильнее это смещение на второй ступени старения. Для сокращения продолжительности выдержки на первой ступени вводится дополнительная ступень старения с промежуточной температурой и выдержкой, не превышающей 24 ч.
Интенсивное выделение 9'-фазы на ранних стадиях старения приводит к снижению количества выделяющихся частиц Г'-фазы. Тем самым для обеспечения более полного выделения 9'-фазы и очищения границ зерен от Г'-фазы, был предложен трехступенчатый режим старения Т6Х с низкотемпературной первой ступенью (120°С) и дополнительной промежуточной ступенью (140°С). Этот режим старения позволил сохранить на плитах толщиной до 55 мм высокие значения прочностных свойств и повысить характеристики вязкости разрушения в 1,5 раза (табл. 2).
Таблица 2
Средние значения механических свойств плит из сплава В-1461-Т6Х
Толщина плиты, мм Направление вырезки Ст0,2 5, % К1с , МПаТм
образца МПа
40 Д 569 527 11,0 45
(е=3,2%) П 548 490 10,5 31
55 Д 552 509 11,5 47
(е=2,8%) П 534 473 10,0 34
Определение фазового состава и морфологии распределения основных упрочняющих фаз проводили на электронном микроскопе JEM на состаренных по режиму Т6 образцах из плит в зависимости от величины и вида деформации после закалки: деформация растяжением 0,1 и 2,8%; деформация растяжением 0,1% + нагартовка прокаткой 4,8%.
Фазовый состав сплава В-1461 в состоянии Т6 следующий: 5'(A13Li), r'(A12LiCu), y(A12CuMg), 9'(CuA12). С увеличением деформации в образцах как растяжением до 2,8%, так и с дополнительной нагартовкой до 4,8%, объемная доля Г'-фазы резко возрастает, размеры пластин Г'-фазы не изменяются (см. рис. 3, а, б). Это происходит вследствие резкого роста плотности дислокаций, дислокационных стенок и малоугловых субграниц. Дислокации декорированы частицами У-фазы, также видны отдельные торцевые частицы У"-фазы (рис. 3, в, г). Для образца с дополнительной нагартовкой характерно более интенсивное выделение как пластин Г'-фазы, так и
частиц У-фазы по границам субзерен.
Дополнительно было проведено электронно-микроскопическое исследование структуры и фазового состава плиты толщиной 55 мм сплава Рис. 4. Темнопольное изображение В-1461-Т6Х. Здесь наблюдается существенно Э'-фазы в плите из сплава В-1461-Т6Х большее количество выделений 0'-фазы (рис. 4) п°
сравнению со старением по двухступенчатому режиму Т6. Выделения 9'-фазы имеют форму пластин диаметром 30-60 нм. Выделения частиц Т'-фазыравномерно распределены внутри зерна и наблюдаются как на субграницах, так и редко - на границах зерен (рис. 5).
а) б)
Рис. 5. Распределение Т'-фазы внутри зерна (а) и на субграницах (б) в плите из сплава В-1461-Т6Х (темнопольное изображение)
Применение НТМО на плитах из сплава В-1461 различной толщины позволяет значительно повысить прочностные свойства при растяжении.
Деформация после закалки перед искусственным старением существенно увеличивает объемную долю выделений основных метастабильных фаз Т[ и S' вследствие увеличения плотности отдельных дислокаций, дислокационных стенок и малоугловых субграниц. Это приводит к дополнительному упрочнению сплава без потери пластичности.
Показано, что трехступенчатый режим Т6Х обеспечивает выделение существенно большего количества частиц 9'-фазы и сокращение выделений Т'-фазы (по сравнению со старением по двухступенчатому режиму Т6).
Предложенный трехступенчатый режим старения позволяет значительно повысить вязкость разрешения (до 45-47 МПа/м) плит из сплава В-1461-Т6Х при сохранении прочности на достаточно высоком уровне.
ЛИТЕРАТУРА
1. Giummarra C., Rioja R.J., Bray G.H., Magnusen P.E., Moran J.P. //Aluminum Alloys (ICAA 11) Germany. 2008. V. 1. Р. 176-188.
2. Alekseev A.A., Khokhlatova L.B., Kolobnev N.I., Lukina E.A., Samokhvalov S.V. //Aluminum Alloys (ICAA 11) Germany. 2008. V. 1. Р. 234-240.
