Високоміцний сплав на основі алюмінію і виріб, виконаний з нього

 

Винахід відноситься до галузі кольорової металургії сплавів на основі алюмінію, а саме до високоміцних високолегированним сплавів системи Al-Zn-Mg-Cu, використовуваним в якості конструкційного матеріалу для основних (як правило, довгомірних) силових елементів планера літаків (обшивок і стрингерного набору верху крила, стійок, балок і ін), ракет, а також для виробів транспортних засобів (переважно наземних) і приладової навантаженої техніки.

Відома серія поширених сучасних високоміцних і надміцних сплавів різного призначення традиційної системи Al-Zn-Mg-Cu, додатково і ефективно легованих микродобавкой перехідного елемента цирконію для підвищення пластичності, технологічності (у т. ч. прогартованості), міцності.

До них відносяться, перш за все, російський високоміцний сплав (патент РФ №2165995 C1, 05.10.1999) з підвищеною в'язкістю руйнування, що містить такі компоненти, мас.%:

Цинк6,35-8,0
Магній0,5-2,5
Мідь0,8-1,3
Марганець0,01-0,1
Хром0,01-0,05
Залізо0,06-0,26
Кремній0,01-0,20
Берилій0,0001-0,05
АлюмінійІнше

Американський сплав 7085 компанії «Alcoa» [New Generation High-Strenght and High Damage Tolerance 7085 Thick Alloy Product with Low Quench Sensitivity Proc. of the ICAA-9, 2004, p. 969-974] має наступний хімічний склад, мас.%:

Інше
Цинк7,0-8,0
Магній1,2-1,8
Мідь1,3-2,0
Цирконій0,08-0,15
Титан<0,06
Марганець<0,04
Хром<0,04
Залізо<0,08

Німецькою компанією «Otto Fuchs» розроблений новий сплав 7037 [A New High Strength Aluminum Alloy for Aerospace Application. Proc of the ICAA-11, 2008, p. 209-214] хімічного складу, мас.%:

Цинк7,8-9,0
Магній1,3-2,1
Мідь0,6-1,1
Цирконій0,06-0,25
Залізо≤0,10
Кремній≤0,10
Титан≤0,10
Марганець≤0,5
Хром≤0,04
АлюмінійІнше

Ці сплави міцніше раніше введених і використовуються сплавів з цирконієм (7010, 7050), але мають недостатньо високий рівень статичної міцності і питомих характеристик міцності, не дозволяє досягати повною мірою льотних характеристик, збільшувати вагову ефективність виробів для�тихий сплавів є те, що вони пропонуються переважно для масивних (товщиною до 150-200 мм) напівфабрикатів стосовно до складних виробів внутрішнього силового набору (лонжеронам, фітингів та ін) і повинні володіти низькою чутливістю до швидкості охолодження при загартуванню.

Слід зазначити, що серед цих сплавів європейський сплав 7037 більш легованих цинком (для отримання високої міцності), але мало легованих міддю. Але він має підвищений граничний вміст марганцю і кремнію, що призводить до появи додаткових грубих шкідливих надлишкових інтерметалідів і вторинних дисперсоидов і погіршення службових характеристик.

У патенті США компанії «Alcoa» (патент США №7097719 B2, 29.08.2006) описаний високоміцний сплав для різних напівфабрикатів, в тому числі довгомірних, товщиною до 76 мм з підвищеним опором втоми (за рахунок регламентації домішок) наступного хімічного складу, мас.%:

Цинк7,6-8,4
Магній1,8-2,3
Мідь2,0-2,6
Цирконій0,080,01-0,09
Кремній0,01-0,06

До головного недоліку цього сплаву відноситься високий вміст міді (більше 2,0%), що викликає появу надлишкових грубих несприятливих фаз: розчинних (типу фази S - Al2CuMg) і нерозчинних різного складу (в результаті активної взаємодії міді з домішкою заліза). Сюди ж можна віднести недостатню пластичність в литому стані та, відповідно, схильність до утворення тріщин в злитках, особливо великогабаритних плоских для катаних напівфабрикатів.

Для високонавантажених деталей у Росії створено високолегированний високоміцний сплав на основі алюмінію (патент РФ №2164541 C2, 05.02.1999), для якого дуже важливі статичні характеристики міцності.

Сплав володіє наступним хімічним складом, мас.%:

d align="left">При співвідношенні
Цинк8,0-9,0
Магній2,3-3,0
Мідь2,0-2,6
Цирконій0,10-0,20
ЗалізоFe/Si≥0,5
Берилій0,0001-0,002
Водень0,9-3,6·10-5
АлюмінійІнше

У відповідності з завданнями сплав сильно легований, в тому числі магнієм і міддю, що забезпечує високі значення статичної і конструкційної міцності. Однак таке легування, так само як і присутність підвищеного максимального вмісту домішок небажано для сплаву з особливими вимогами до поєднанню характеристик в'язкості руйнування, корозійними та іншими властивостями, необхідними для авіаційних та інших конструкцій.

Найбільш близьким за хімічним складом до пропонованого винаходу є високоміцний сплав 7056 (Recently-developed aluminium solutions for aerospace applications. Proc. of ICAA-10, Canada, 2006, p.p. 1271-1278.), містить, мас.%:

Цинк8,5-9,7
Магній1,5-2,3
Мідь1,2-1,9
<0,12
Кремній<0,10
Титан<0,08
Марганець<0,20

Недоліки цього високолегированного сплаву (в основному для елементів авіаційних конструкцій) полягають в наступному:

- висока і надвисока міцність забезпечується сильним легуванням головними компонентами (цинком, магнієм, міддю) при необмеженої максимальної суми (до 13,9%), що вище сумарної їх граничної розчинності в твердому алюмінієвому розчині (для отримання максимальної міцності), і призводить до утворення надлишкових грубих розчинних інтерметалідів і, відповідно, до зниження характеристик тріщиностійкості, пластичності, опору втоми;

- недостатнє обмеження домішок заліза, кремнію та перехідних елементів титану, марганцю викликає утворення нерозчинних грубих евтектичних і первинних інтерметалідів і вторинних дисперсоидов, також веде до зниження необхідних експлуатаційних характеристик (в'язкості руйнування та ін), особливо без регламентації їх співвідношення; останнім додатково не обетав сплаву не створює оптимальні умови формування структури та необхідного комплексу експлуатаційних характеристик відповідальних конструкцій, таких як обшивки і стрингери крила, стійки літаків та ін., потрібних для сучасних і перспективних авіаційних виробів.

Технічним завданням цього винаходу є створення сплаву з підвищеними механічними властивостями, сполучаються з необхідним рівнем експлуатаційних характеристик, необхідним для силових елементів планера літака, ракет та інших виробів, при достатній традиційними методами технологічності для виробництва різних деформованих напівфабрикатів, особливо довгомірних.

Технічним результатом цього винаходу є підвищення характеристик міцності та в'язкості руйнування.

Для досягнення технічного результату запропоновано високоміцний сплав на основі алюмінію, що включає основні компоненти цинк, магній, мідь при їх регламентованому граничному кількості, добавки перехідних металів цирконій, марганець, хром, також при регламентованих обмеження, співвідношень домішкових елементів заліза, кремнію, принаймні один елемент групи, що включає титан і бор, який відрізняється тим, що він додатково містить берилій і водень при наступному співвідношенні компонентів, мас.%:

1,6-2,1
Мідь1,3-1,8
Цирконій0,06-0,14
Марганець0,01-0,1
Залізо0,02-0,10
Кремній0,01-0,05
Хром0,01-0,05
Берилій0,0001-0,005
Водень0,8·10-5-2,7·10-5
АлюмінійІнше

І принаймні один елемент групи:

Титан0,005-0,06
Бор0,001-0,01

Переважно, сума основних легуючих елементів цинку, магнію, міді не повинна перевищувати 12,5-13,0%.

Переважно, сумарний вміст перехідних елементів цирконію, марганцю та хрому не повинна перевищувати 0,25-0,30%.

Переважно, співвідношення заліза до�у з головним елементом - антирекристаллизатором цирконієм присутність у пропонованому сплаві в невеликих кількостях хрому, марганцю при регламентації загальної суми елементів, що не перевищує 0,25-0,30%, сприяє формуванню та стабілізації нерекристаллизованной зеренной структури, зародження зміцнюючих фаз і відповідно додаткового приросту міцності, а також позитивно впливає на опір корозійного розтріскування під напругою і розшаровуючої корозії.

Введення берилію знижує окислюваність і покращує жидкотекучесть при плавці, підвищуючи якість злитків і напівфабрикатів (особливо великих). Присутність в мікродозах водню сприяє утворенню дрібнозернистої структури, рівномірному розподілу неминучих неметалевих мікровлючень за обсягом злитків і напівфабрикатів та підвищення їх пластичності.

Малі добавки титану та/або бору, надають модифікуючу дію, призводять до гетерогенної кристалізації сплаву і подрібнення зерна і, відповідно, до поліпшення пластичності злитків і напівфабрикатів і до розширення можливості збільшення їх розмірів і підвищення якості.

Перевищення вмісту домішки заліза над вмістом домішки кремнію (більш чеаллидов і негативного впливу на міцнісні та експлуатаційні властивості) необхідно для поліпшення ливарних властивостей високолегованих сплавів з метою можливості отримання великих зливків для довгомірних напівфабрикатів.

Підтримання помірної кількості міді (до 1,8%) і магнію (до 2,1%) при підвищенні вмісту цинку (до 9,3%) і збереження спільної ступеня легированности основними компонентами в сплаві забезпечує підвищені міцнісні характеристики. При цьому обмежується можливість утворення надлишкових медьсодержащих інтерметалічних фаз та їх негативного впливу на характеристики в'язкості руйнування, пластичності, втоми.

Корозійна стійкість до небезпечних видів корозії - корозійне розтріскування (КР), расслаивающаяся корозія (РСК), в основному регулюється режимами штучного старіння.

Приклади здійснення

В умовах дослідного виробництва були відлиті злитки, хімічні склади яких наведено в табл. 1. Злитки мали діаметр 110 мм, отримані полунепреривним методом з охолодженням поверхні водою. Плавки здійснювалися в електричній печі. Після гомогенізації при температурі 460°C протягом 24 годин докладно проводили мікроаналіз структури по перетину зливків методами оптичної та електронної мікроскопії, мікрорентгеноспектрального фазового аналізу (МРСА), диференціального термічного аналізу (ДТА).

Оцінювали значення середнього зерна dcpу дослідженнях�сований микрошлифах; кількісна металографія широко використовувалася при аналізі об'ємної частки і форми інтерметалічних фаз. Для дослідження характеру і пластичності руйнування використовувався фрактографический аналіз за допомогою електронного скануючого мікроскопа.

Після гомогенізації злитки пресували при 390-410°C на смуги перетином 15×70 мм з коефіцієнтом витяжки >8,0. За даними ДТА температура кристалізації евтектик досліджених сплавів знаходилася в межах 473-476°C. Заготовки з пресованих смуг гартували з температури 470°C, з урахуванням перепадів в печі (після тривалої витримки 90 хв) в холодній воді (20-25°C). У свежезакаленном стані заготівлі розтягували із середнім ступенем деформації ~1,5%. В межах 4 год після гарту смуги піддавали різним штучному старінню: варіанти Т1 за одноступінчатому (на максимальну міцність) режиму 120°C, 24 год і варіанти з двоступінчастим режиму типу Т22 (на першій ступені при 120°C, 1,5 год + на другій ступені при 150°C невеликий ступеня перестаривания - 10-20 МПа).

Комплекс механічних і корозійних властивостей досліджували на зразках, вирізаних з пресованих смуг.

Механічні властивості при розтягуванні (границя міцності, границя текучості, отноТрещиностойкость оцінювали за питомої роботи руйнування (КСТ) при ударному вигині зразка з втомної тріщиною в V-образному надрізі, а також за ударної в'язкості (KCU) зразків з U-подібним надрізом згідно ГОСТ 9454.

Опір малоцикловой втоми (МЦУ) оцінювали по часу до руйнування круглих поздовжніх зразків з кільцевим надрізом (Kt=2,2) при високій напрузі (σmax=0,7σBн) і частоті f=3 Гц.

Корозійні властивості вивчали за:

- опору розшаровуючої корозії (РСК) плоских поздовжніх зразків за 10-ти бальною системою згідно з ГОСТ 9.904;

- опору корозійного розтріскування під напругою (КР) з часу до руйнування поперечних зразків при напрузі σ=0,75 σ0,2та інших умовах по ГОСТ 9.019;

- питомої електропровідності вихреструмовим неруйнівним методом за ОСТ 1 92133.

В табл. 2 представлений комплекс механічних (в т. ч. показники в'язкості руйнування) та корозійних властивостей пресованих смуг із заявленого і відомого сплавів, об'ємний вміст надлишкових інтерметалідів в сплавах.

Як видно з отриманих та представлених результатів, запропонованого складу сплаву дозволив отримати високий рівень міцності своого подовження) і прийнятною корозійної стійкості до розшаровуючої корозії та корозійного розтріскування.

Таким чином, запропонований високоміцний сплав забезпечує підвищення вагової ефективності при забезпеченні ресурсу і надійності експлуатації виробів.

Сплав призначений в якості конструкційного матеріалу для основних елементів планера літака, особливо в обмежених зонах (обшивки і стрингери верху крила, силові стійки, балки та ін), ракетної техніки та інших виробів.

З сплаву виготовляються катані (листи, плити), пресовані (профілі, панелі та ін) напівфабрикати, включаючи довгомірні з великих зливків з підвищеним рівнем міцності та експлуатаційних (в тому числі з підвищеною в'язкістю руйнування) характеристик.

1. Високоміцний сплав на основі алюмінію, що містить цинк, магній, мідь, цирконій, марганець, залізо, кремній, хром, принаймні один елемент групи, що включає титан і бор, який відрізняється тим, що він додатково містить берилій і водень при наступному співвідношенні компонентів, мас.%:

цинк8,5-9,3
магній1,6-2,1
0,06-0,14
марганець0,01-0,1
залізо0,02-0,10
кремній0,01-0,05
хром0,01-0,05
берилій0,0001-0,005
водень0,8·10-5-2,7·10-5
принаймні один елемент групи:
титан
бор
алюміній
0,005-0,06
0,001-0,01
інше

2. Сплав на основі алюмінію за п. 1, який відрізняється тим, що сумарний вміст цинку, магнію та міді не перевищує 12,5-13,0%.

3. Сплав на основі алюмінію за п. 1, який відрізняється тим, що сумарний вміст цирконію, марганцю та хрому не перевищує 0,25-0,30%.

4. Сплав на основі алюмінію за п. 1, який відрізняється тим, що співвідношення заліза до кремнію становить не менше 1,5.

5. Виріб, виконаний з високоміцного сплаву на основі алюмінію, відрізняються

 

Схожі патенти:

Надміцний сплав на основі алюмінію і виріб з нього

Винахід відноситься до металургії, зокрема до сплавів на основі алюмінію, призначеним для виготовлення деформованих напівфабрикатів у вигляді штамповок і труб для використання в газових центрифугах, в компресорах низького тиску, вакуумних молекулярних насосах і в інших сильно навантажених виробах, що працюють при помірно підвищених температурах. Сплав містить, мас.%: цинк 8-10, магній 2,0-3,0, мідь 1,6-2,6, скандій 0,12-0,25, цирконій 0,06-0,20, берилій 0,0001-0,005, кобальт 0,05-0,15, нікель 0,5-1,0, залізо 0,45-0,95, алюміній - інше, при цьому відношення вмісту цинку до вмісту магнію знаходиться в межах 3,1-4,1. Технічним результатом винаходу є підвищення міцності сплаву при кімнатній температурі і опору повзучості при помірно підвищених температурах до 60°С. 3 табл., 1 пр.
Винахід відноситься до металургії протекторних сплавів на основі алюмінію і може бути використане при виробництві протекторів для захисту від корозії різних металевих споруд і конструкцій. Сплав містить, мас. %: цинк - 4,0-6,0, марганець - 0,1-0,3, магній - 0,5-2,5, титан - 0,01-0,1, кальцій - 0,005-0,01, алюміній - інше при такому обмеженні змісту домішок: залізо - не більше 0,1, мідь - не більше 0,01, кремній - не більше 0,1, водень - не більше 0,35 см3/100г металу. Технічний результат полягає в забезпеченні високих електрохімічних характеристик і виключення небезпеки пасивації поверхні литих протекторів, виготовлених із запропонованого сплаву, а також підвищення межі міцності на розтяг сплаву. 1 табл.
Винахід відноситься до металургії алюмінієвих напівфабрикатів, а саме до металургії зварюваних алюмінієвих сплавів системи алюміній - цинк, магній, і може знайти застосування при виготовленні гомогенних або шаруватих броньових плит для броненесущих і бронекорпусних об'єктів. Зварюваний алюмінієвий сплав для броні містить, мас. %: цинк 3,8-5,3; магній 1,2-2,0; марганець 0,91-1,3; хром 0,12-0,40; цирконій 0,07-0,15; мідь 0,10-0,30; залізо ≤0,35; кремній ≤0,35; ванадій 0,01-0,12; бор 0,01-0,12; нікель ≤0,05; кальцій ≤0,05; алюміній - інше, при сумарному вмісті цинку і магнію 5,0-7,3 мас. % і щодо вмісту цинку до вмісту магнію 1,90-4,58. Технічним результатом є створення зварюваного алюмінієвого сплаву для броні, який забезпечує при високій корозійній стійкості броні підвищення рівня безпечних напруг - σКР (опір корозійного розтріскування), підвищення опору до утворення тильних відколів. 1 пр.

Продукти з алюмінієвого сплаву і спосіб штучного старіння

Винахід відноситься до конструкційних елементів з алюмінієвого сплаву, зокрема для аерокосмічної промисловості. Плита виконана завтовшки щонайменше 4 дюйма з алюмінієвого сплаву, який містить: від 6,4 до 8,5 мас.% Zn, від 1,4 до 1,9 мас.% Mg, від 1,4 до 1,85 мас.% Сі, від 0,05 до 0,15 Zr, від 0,01 до 0,06 мас.% Ti, до 0,15 мас.% Fe, до 0,12 мас.% Si, решта алюміній, супутні елементи і домішки. Забезпечується покращене поєднання міцності і стійкості до розтріскування, а також забезпечується стійкість до розтріскування в результаті корозії під навантаженням, особливо в умовах морської атмосфери. 9 з.п. ф-ли, 14 іл., 14 табл., 3 пр.
Винахід відноситься до галузі металургії, зокрема до способів виробництва труб осесиметричних штамповок діаметром до 200 мм з високоміцних алюмінієвих сплавів Al-Zn-Mg-Cu, легованих скандієм і цирконієм. Спосіб виробництва вісесиметричних штамповок типу кришка діаметром до 200 мм з високоміцних алюмінієвих сплавів Al-Zn-Mg-Cu, легованих скандієм і цирконієм, включає приготування алюмінієвого розплаву, що містить скандій і цирконій, його перегрів до 765-780°С, виливок круглих злитків малого діаметру при 710-740°С, їх гомогенізацію при 400-440°С протягом 4-10 годин, штампування при 380-440°С, загартування з температури 465-480°С з рівномірним охолодженням всій поверхні штамповок зі швидкістю, яка забезпечує збереження після гарту повністю нерекристаллизованной структури штампування, і штучне старіння. Штампування мають менший рівень залишкових гартівних напруг, що забезпечує стабільність геометричних параметрів деталей за рахунок усунення овализации при обточуванні штамповок на тонкостінні деталі. 2 табл., 1 пр.
Винахід відноситься до галузі металургії, зокрема до деформованим алюмінієвих сплавів, використовуваних у якості високоміцного конструкційного матеріалу зниженої щільності разового застосування. Сплав містить, мас.%: цинк 6,0-8,0; магній 3,4-4,2; мідь 0,8-1,3; скандій 0,07-0,15; цирконій 0,08-0,12; берилій 0,0005-0,004; церій 0,01-0,15; титан 0,02-0,08; кремній 0,01-0,15; залізо 0,01-0,15; водень 0,05-0,35 см3/100 г металу; неминучі домішки з групи Mn, Cr, V, Mo, Li, Ag, K, Na, O у сумарній кількості не більше 0,10; алюміній - інше, при співвідношенні між вмістом магнію і цинку від 0,53 до 0,57. Технічним результатом винаходу є підвищення рівня міцності сплавів системи Al-Zn-Mg-Cu зі зниженою щільністю і разових виробів, виконаних з них. 2 н.п. ф-ли, 1 пр., 2 табл.

Активний матеріал негативного електрода на основі кремнієвого сплаву для електричного пристрою

Винахід відноситься до активного матеріалу негативного електрода для електричного пристрою, який містить сплав з формулою складу SixZnyAlz, де кожен з х, y і z є масове процентний вміст, що задовольняє: (1) x+y+z=100, (2) 26≤х≤47, (3) 18≤y≤44 і (4) 22≤z≤46. Винахід відноситься до електричного пристрою і негативного електроду для нього. Технічний результат полягає в тому, щоб надати активний матеріал негативного електрода для електричного пристрою, такого як літій-іонна акумуляторна батарея, що проявляє добре збалансовані властивості збереження високої циклируемости і досягнення високої початкової ємності. 3 н. і 1 з. п. ф-ли, 2 табл., 10 іл., 2 пр.
Група винаходів відноситься до виробів з дисперсійно-тверднучого алюмінієвого сплаву. Виріб виконано товщиною від 2 дюймів (50 мм) до 12 дюймів (305 мм) зі сплаву наступного хімічного складу, вага.%: Zn - від 3 до 11, Mg - від 1 до 3, Cu - від 0,9 до 3, Ge - від 0,03 до 0,4, Si - максимум 0,5, Fe-максимум 0,5, Ti - максимум 0,3, інше - алюміній і звичайні та/або неминучі елементи і домішки. Спосіб виготовлення виробу включає виливок заготовки, підігрів та/або гомогенізацію відлитої заготовки, гарячу обробку заготовки, необов'язкову холодну обробку, термообробку на твердий розчин (ТТР) підданої гарячій обробці і необов'язково холодній обробці заготівлі, охолодження ТТР заготовки, необов'язкове розтяг або стиск охолодженої ТТР заготовки або іншу холодну обробку охолодженої ТТР заготовки для зняття напруг, старіння охолодженої і необов'язково підданої розтягування або стиснення або іншої холодної обробки ТТР заготовки для досягнення потрібного стану. Забезпечується одержання вироби з високою міцністю при високій в'язкості і зниженої чутливості до загартування. 2 н. і 18 з.п. ф-ли, 2 табл., 1 пр.
Сплав на основі алюмінію призначений для виготовлення деформованих напівфабрикатів у вигляді штамповок і труб для використання в газових центрифугах, в компресорах низького тиску, вакуумних молекулярних насосах і в інших сильно навантажених виробах, що працюють при помірно підвищених температурах. Сплав містить, мас.%: цинк 6,6-7,4, магній 3,2-4,0, мідь 0,8-1,4, скандій 0,12-0,30, цирконій 0,06-0,20, берилій 0,0001-0,005, кобальт 0,05-0,15, нікель 0,35-0,65, залізо 0,25-0,65, алюміній - інше. Технічним результатом винаходу є підвищення міцності при збереженні пластичності і зниженої щільності сплаву. 3 табл., 1 пр.

Спосіб виготовлення пресованих напівфабрикатів з високоміцного алюмінієвого сплаву і вироби, одержувані з них

Винахід відноситься до способу виробництва довгомірних, тонкостінних панелей і профілів, призначених для використання на залізничному транспорті
Up!