CC BY
220
[email protected]. Research interests: workflows in turbomachines, computational fluid dynamics, work processes of the jet engines. УДК 620.22
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ КОВОЧНЫХ
СПЛАВОВ СИСТЕМЫ AL-ZN-MG-CU C РАЗЛИЧНЫМ СОДЕРЖАНИЕМ ОСНОВНЫХ ЛЕГИРУЮЩИХ КОМПОНЕНТОВ, МИКРОДОБАВОК И ПРИМЕСЕЙ
© 2012 Р. О. Вахромов, Е. А. Ткаченко, В. В. Антипов
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" Государственный научный центр Российской Федерации, Москва
Проведены комплексные исследования влияния содержания базовых легирующих элементов Zn, Mg, Cu, малых добавок Zr, Sc, Ag, примесей Fe и Si на прочность, вязкость разрушения, усталостные характеристики, коррозионную стойкость, параметры микроструктуры (дисперсоиды, упрочняющие выделения, степень рекристаллизации, размер зерна) кованых полуфабрикатов из высокопрочных сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu.
Сплавы системы Al-Zn-Mg-Cu-Zr, микродобавки Ag и Sc, примеси Fe и Si, кованые полуфабрикаты, механические свойства, коррозионная стойкость.
Алюминиевые сплавы на основе системы Al-Zn-Mg-Cu на сегодняшний день остаются основным конструкционным материалом для применения в современной и перспективной аэрокосмической технике. Оптимизация химического состава и технологических процессов производства данных сплавов с целью достижения улучшенного комплекса прочности, вязкости разрушения и коррозионной стойкости непрерывно проводится в России и за рубежом с начала использования их в конструкциях самолётов. Одним из наиболее эффективных способов воздействия на комплекс свойств таких сплавов является легирование микродобавками переходных и других металлов, ограничение по примесям, а также применение сложных многоступенчатых режимов старения.
Существенное влияние на структуру и комплекс служебных свойств оказывает ограничение содержания примесей- железа и кремния, однако минимально возможное присутствие этих элементов в сплавах системы Al-Zn-Mg-Cu ранее было ограничено требуемой технологичностью при литье слитков. В настоящее время, благодаря использованию нового литейного оборудования, оснащённого приборами автоматического регулирования процессов литья слитков, применению эффективных
приборов и устройств для внепечного рафинирования расплава от окисных плён и газовых включений, разработке новых модификаторов литой структуры, стало возможным отливать слитки из высокопрочных сплавов Al-Zn-Mg-Cu, в которых содержание железа, кремния, существенно ниже, чем в серийных сплавах.
Для установления влияния железа и кремния на структуру, относительное удлинение, вязкость разрушения,
характеристики трещиностойкости и усталостную долговечность в
деформированных полуфабрикатах из сплава системы Al-Zn-Mg-Cu (типа 1933) в условиях ВИАМ были отлиты полунепрерывным методом в
кристаллизатор скольжения слитки 0 105 мм двух составов (табл. 1), из которых были изготовлены поковки размером 65x100x300 мм.
В сплаве №2 по сравнению со сплавом №1 снижено более чем в 2 раза содержание примесей железа и кремния.
Проведённые исследования макро и микроструктуры показали, что уменьшение содержания железа, кремния практически не оказало влияния на зёренную структуру и качество опытных слитков и поковок (рис. 13).
Таблица 1 - Расчётный химический состав опытных сплавов (массовая доля в %)
№ сплава М Zn Mg Zr Fe Si
1 й и о 7,0 1,7 1,1 0,11 0,05 0,125 0,08
2 К о о 7,0 1,7 1,1 0,11 0,02 0,05 0,04
Рис. 2. Микроструктура опытных поковок
Ъ
1
— —у ' ^ ч ' -
100 мкм
Рис. 3. Микроструктура опытных поковок
Механические свойства поковок после закалки и искусственного старения по
216
режиму Т2 представлены в таблице 2, из в продольном направлении: ов=480-485 МПа,
которой следует, что прочностные о0,2=445 МПа.
характеристики исследованных поковок
близки между собой и составляют
Таблица 2 - Механические свойства опытных поковок (средние значения)
Номер сплава Направление вырезки образцов Ов, МПа О0,2, МПа 5, % КСи, кДж/м2 (ПД) Кю, МПа^м
Д 485 445 12,5 - 54 (ДП)
1 П 485 440 11,5 76 -
В 470 430 9,5 - 40 (ВД)
Д 480 445 14,5 - 58 (ДП)
2 П 475 425 12,5 142 -
В 460 420 12,0 - 51 (ВД)
По относительному удлинению заметное преимущество (примерно на 25%), особенно в долевом и высотном направлении, имеют поковки №2 с пониженным содержанием железа и кремния.
Ударная вязкость (КСи) образцов, вырезанных в направлении ПД, имеет ту же закономерность, что и относительное удлинение (табл. 2), причём преимущество
Таблица 3 - Результаты испытаний на МЦУ
поковок с пониженным содержанием железа и кремния в этом случае составляет более чем в 1,8 раза.
При испытаниях на вязкость разрушения и усталостную долговечность получены высокие результаты на всех исследованных поковках, однако наиболее высокие значения отмечаются у поковок состава №2 в направлении ВД (табл. 2,3).
№ сплава Число циклов до разрушения При Омах=157 МПа, К =2,6, R=0,1, \>= 40 Гц
1 79 800*, 253 000, >305 000**, >316 000, >367 000
2 225 000, 333 350**, >315 000, >358 000
Примечание: *в очаге разрушения - включения интерметаллидов, ** v= 5 Гц.
При определении коррозионных свойств установлено (табл. 4), что изменение содержания железа, кремния в исследованных пределах не оказали влияние Таблица 4 - Коррозионная стойкость опытных поковок
на склонность к расслаивающей и межкристаллитной коррозии опытных поковок.
№ сплава Место вырезки образца Склонность к МКК, глубина,мм Склонность к РСК, балл
1 Поверхность - 3
Середина 0,03 3
2 Поверхность - 3
Середина нет 3
Изучение влияния содержания базовых легирующих элементов ^п, Mg, Си), комплексной добавки Zr+Sc+Ag на прочность, вязкость разрушения,
усталостные характеристики и
коррозионную стойкость проводили на
Следует отметить, что практически все новые сплавы системы Al-Zn-Mg-Cu содержат добавку Zr, необходимую для образования во время гомогенизации и закалки дисперсных фаз А^г, которые сдерживают статическую рекристаллизацию посредством укрепления межзеренных границ [1-3].
В последние годы наряду с добавкой Zr в качестве легирующей добавки получил распространение Sc, который обладает более сильным модифицирующим и
антирекристаллизующим действием, чем Zr. Комплексная добавка Sc+Zr позволяет использовать сильнейшее модифицирующее действие скандия при его меньших концентрациях (до 0,2%), способствует значительному увеличению прочности сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu, повышает температуру рекристаллизации, оказывает существенное влияние на зёренную структуру [3-5].
Роль добавки серебра в алюминиевые сплавы изучена в меньшей степени по сравнению с цирконием и скандием. Имеются данные, указывающие на то, что добавка Ag уменьшает степень перестаривания и поднимает критическую температуру устойчивости зон Г.П., влияет на ширину зон, свободных от выделений [6]. Вследствие этого высокая прочность может быть достигнута при более высоких температурах старения, что обеспечивает
поковках размером 60х200х350 мм из сплавов, химический состав которых приведён в табл. 5. Состав сплава 3 отличается от композиции 4 по содержанию меди и малых добавок серебра и скандия.
одновременно и повышение коррозионной стойкости.
Электронно-микроскопический анализ образцов двух составов показывает, что их зёренная структура имеет примерно одинаковый характер: преимущественно нерекристаллизованные субзёрна со средним размером 2-4 мкм. Сравнительно редко наблюдаются рекристаллизованные зёрна (рис. 4, а). На темнопольных снимках (рис. 4, б,в) видны дисперсоиды в виде частиц Р'-фазы (ALзScxZr1_x) равноосной формы, которые имеют следующие ориентационные отношения с матрицей: {011}а//{100}р- и <011> а //< 100> р . Количественная оценка размеров и объёмной плотности дисперсоидов показала, что в сплаве, содержащем 0,1% Ag, средний размер дисперсоидов Р'-фазы равен 15-18 нм, разброс размеров в пределах 10-25 нм, объёмная плотность изменяется в интервале
15 3
2,6-3,1х10 см . При увеличении содержания серебра до 0,2% в сплаве 3 несколько увеличивается средний размер дисперсоидов и разброс их размеров (до 1920 и 10-30 нм, соответственно), объёмная
15 3
плотность 1,1-1,6х10 см . Дисперсоиды сохраняют когерентную связь с матрицей, о чём свидетельствует появление
специфического дифракционного контраста на светлопольном снимке в форме дужек с областью нулевой интенсивности (рис. 4, г). На границах субзёрен дисперсоиды не были обнаружены.
Таблица 5 - Расчетный химический состав опытных сплавов (массовая доля в %)
№ сплава Zn+Mg+Cu Zr+Sc Ag Fe Si Al
3 11,8 0,25 0,1 0,05 0,03 Осн.
4 11,0 0,26 0,2 0,05 0,03 Осн.
Рис. 4. Тонкая структура сплавов, полученная методом ПЭМ: структура субзерна (а), распределение дисперсоидов ¡-фазы в сплавах, дисперсоиды на границах субзёрен (г). (а - х15000; Ь, с, d - х80000; Ь, с -
темнопольное изображение)
В табл. 6 приведены результаты оптимальному трёхступенчатому режиму испытаний образцов из поковок двух Т102, в сравнении со сплавом без Ag и Sc. сплавов,термообработанных по
Таблица 6 - Свойства поковок из двух сплавов (продольное направление)
№ сплава Ов, МПа О0,2, МПа 5, % К:с, МПаЧм МЦУ*, кцикл КР, а^., МПа РСК
3 650 610 10 32 250 >170** 3
4 600 550 10 45 300 >250** 3
без Ag, 560 520 10 28 200 >150** ЕВ
Примечание: *омах=157 МПа, К =2,6, R=0,1, v= 40 Гц, ** Направление ПД.
Как показали результаты испытаний, приведённые в табл. 6, введение 0,1-0,2 % масс серебра и скандия в сплав системы А1-Zn-Mg-Cu с добавками циркония приводит к одновременному повышению
прочностных характеристик, вязкости разрушения и усталостной долговечности и улучшает характеристики свариваемости.
При проведении оценки
свариваемости методом аргонодуговой сварки (ААрДЭС) варьировали величину силы тока, скорость сварки, а также подбирали оптимальный расход аргона. Анализ структуры сварных соединений показал, что поры и раковины в металле шва, зонах сплавления и термического влияния практически отсутствуют.
Микроструктура шва сварного соединения, полученного с присадочной проволокой из сплава 1217 (А1-Си-8с), мелкозернистая, однородная (размер зерна менее 10 мкм). Оценку свариваемости методом электролучевой сварки проводили на прессованных полосах толщиной 40 мм (рис. 5, а,б) [7].
Для сварных соединений сплава с комплексной добавкой Zr+Sc+Ag(ЭЛС) характерно наличие мелкозернистой равноосной структуры с величиной зерна 815 мкм (рис. 5, в). В зоне термического влияния отсутствуют оплавления по границам зерен.
а б в
Рис.5. Внешний вид (а), макроструктура сварного соединения выполненного ЭЛС (б), микроструктура переходной
зоны (в) (*200) прессованной полосы
Ширина зоны с заметными структурными изменениями составляет всего 2-3 мм, что подтверждается результатами замера микротвёрдости. Проведено исследование механических свойств сварных соединений. В отличие от серийных сплавов системы A1-Zn-Mg-Cu, сплав, содержащий Ag, Sc и Zr, обладает удовлетворительной свариваемостью: прочность сварных соединений, полученных методом
автоматической аргоно-дуговой сварки, составляет не менее 0,6 от прочности основного металла, сохраняется высокая коррозионная стойкость, а минимальный угол изгиба сварного образца а > 45 градусов. Для сварных соединений (ЭЛС) прессованных полос из сплава с комплексной добавкой Zr+Sc+Ag прочность составляет 0,8 от прочности основного металла (табл. 7).
Таблица 7 - Механические и коррозионные свойства сварных соединений полуфабрикатов, полученных при
сварке различными способами.
Свойства Значения свойств сварных соединений сплавов
Вид сварки ЭЛС ААрДЭС
Ов.св, МПа 470 385
ЕХСО EA EA
SCCcCr, МРа > 250 > 250
Заключение
1. Показано, что понижение содержания примесей Fe + Si (<0,10 %) в деформированных полуфабрикатах из сплавов системы A1-Zn-Mg-Cu приводит к повышению относительного удлинения, вязкости разрушения, характеристик трещиностойкости и усталостной
долговечности.
2. Установлено существенное положительное влияние добавки 0,1-0,2% серебра на комплекс прочностных и коррозионных характеристик, вязкости разрушения и сопротивления усталости, а также характеристики свариваемости сплавов системы A1-Zn-Mg-Cu (осв. соед>0,8ав
осн. мет.).
3. Основной структурный эффект от присутствия 0,1-0,2 % серебра в сплавах системы Al-Zn-Mg-Cu состоит в ускорении процесса М'^ М превращения, увеличении объёмной доли зернограничных выделений частиц М' и М-фаз, а также в уменьшении ширины зоны, свободной от выделений у границ и субграниц.
4. Представленные результаты позволяют рассчитывать, что высокопрочные ковочные сплавы в ближайшие 15-20 лет сохранят ведущую позицию в силовых элементах планера перспективных самолётов.
Библиографический список
1. Фридляндер, И.Н. Высокопрочные деформируемые алюминиевые сплавы [Текст] / И.Н. Фридляндер -М.: Оборонгиз, 1960. - 290 с.
2. Фридляндер, И.Н. Высокопрочные сплавы системы Al-Zn-Mg-Cu[Текст] / И.Н.
Фридляндер, О.Г. Сенаторова, Е.А. Ткаченко - М.: Машиностроение, т.2-3, 2001. - С. 94-128.
3. Фридляндер, И.Н. Перспективные алюминиевые сплавы [Текст] / И.Н. Фридляндер // «Технология легких сплавов», №4. 2002.
4. ^igorodova, L.I.FMM [Текст] / L.I. ^igorodova, E.I. Selnihina, Е.А. Тка^епко, O.G. Senator. - 1996, v.81, issue 5, 78-86.
5. Polmer, I.J. Proceeding ICAA6, Toyohashi, Japan, 1998, vol.1, 75-86.
6. Фридляндер, И.Н. МиТОМ [Текст] / И.Н. Фридляндер, А.В. Добромислов, Е.А. Ткаченко, О.Г. Сенаторова - №7. 2005, 1723.
7. Лукин, В.И. Сварка высокопрочных алюминиевых сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu [Текст] / В.И. Лукин, Е.Н. Иода // «Сварочное производство», №2. 2011. С. 711.
NATURAL DEVELOPMENT OF FORMING STRUCTURE AND PROPERTIES OF FORGEABLE AL-ZN-MG-CU ALLOYS HAVING DIFFERENT CONTENT OF MAIN ALLOYING ELEMENTS, MICROADDITIVES AND IMPURITIES
© 2012 R. O. Vakhromov, V. V. Antipov, E. A. Tkatchenko
Federal State Unitary Enterprise «All-Russian Scientific Research Institute of Aviation Materials», State Scientific Center of Russian Federation, Moscow
The complex studies have been made to investigate the influence of the main alloying elements Zn, Mg, Cu, small additives Zr, Sc, Ag, impurities Fe and Si on the strength, fracture toughness, fatigue properties, corrosion resistance, microstructure parameters (dispersoids, strengthening precipitates, recrystallization degree, grain size) of forged semiproducts manufactured from high strength forgeable alloys of Al-Zn-Mg-Cu system.
Alloys of the Al-Zn-Mg-Cu-Zr, microadditives Ag and Sc, impurity Fe and Si, forged semi-product, mechanical properties, corrosion resistance.
Информация об авторах
Вахромов Роман Олегович, начальник лаборатории «Алюминиевые деформируемые сплавы», ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов». E-mail: [email protected]. Область научных интересов: разработка высокоресурсных и жаропрочных сплавов на основе системы Al-Cu-Mg, технологии изготовления катаных и кованых полуфабрикатов.
Антипов Владислав Валерьевич, кандидат технических наук, заместитель генерального директора по научному направлению «Алюминиевые, магниевые, титановые и бериллиевые сплавы», ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов». Область научных интересов: разработка алюминий-литиевых сплавов пониженной плотности и слоистых алюмостеклопластиков.
Ткаченко Евгения Анатольевна, начальник сектора «Высокопрочные алюминиевые сплавы», ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов». Область научных интересов: разработка высокопрочных алюминиевых ковочных сплавов на основе системы Al-Zn-Mg-Cu.
Vahromov Roman, Head of Laboratory «Aluminium wrought alloy», Federal State Unitary Enterprise «All-Russian Scientific Research Institute of Aviation Materials».E-mail: [email protected]. Area of research:development of high-resource and heat resistant alloys of Al-Cu-Mg, manufacturing technologies rolled and forged semis-product.
AntipovVladislav,Ph.D., Deputy General Director for scientific direction «Aluminum, magnesium, titanium and beryllium alloys», Federal State Unitary Enterprise «All-Russian Scientific Research Institute of Aviation Materials». Area of research:development of aluminum-lithium alloys and laminated aluminum - glassplastics.
TkachenkoEvgeniya, Head of Sector «High-strength aluminum alloy», Federal State Unitary Enterprise «All-Russian Scientific Research Institute of Aviation Materials».Area of research: development of high-strength aluminum forging alloys of Al-Zn-Mg-Cu.
