Статья: Алюминий-литиевый сплав нового поколения марки В-1481 для обшивки фюзеляжа

УДК 669.715

Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» (ФГУП «ВИАМ»)

Алюминий-литиевый сплав нового поколения марки В-1481 для обшивки фюзеляжа

Алюминий-литиевые сплавы, созданные на базе системы Al-Cu-Li, характеризуются пониженной плотностью, повышенными жесткостью, прочностью и усталостными характеристиками. Среди алюминий-литиевых сплавов третьего поколения на основе системы Al-Cu-Li известны высокопрочные российские и зарубежные сплавы В-1461, В-1469, 2199 и 2196, с более низким содержанием лития и дополнительным легированием Zn, Ag и Mg. Они являются альтернативой основному конструкционному алюминиевому сплаву В95пчТ2 [1-5].

Задачей данной работы является разработка состава алюминий-литиевого сплава нового поколения с высокой вязкостью разрушения и технологической пластичностью для обшивки фюзеляжа перспективных самолетов [6]. Для решения этой задачи предложено несколько путей решения:

1. Исследовать влияние концентрации основных легирующих элементов Cu и Li и их соотношения в сплавах системы Al-Cu-Li, дополнительного легирования Ag, Sc, Zn и Mg, на структуру и свойства
Al-Cu-Li сплавов;

2. Исследовать закономерности изменения фазового состава сплавов системы Al-Cu-Li, дополнительно легированных Ag, Sc, Zn и Mg, в процессе старения в широких температурно-временных интервалах и его влияния на уровень механических свойств и вязкости разрушения;

3. Выбрать наилучший режим термической обработки, обеспечивающий изотропность свойств и высокую вязкость разрушения листов из сплава Al-Cu-Li

В некоторых статьях и патентах имеется информация об определенном соотношении Cu /Li, его влиянии на механические свойства и характеристики вязкости разрушения. Также для обеспечения более высокой вязкости разрушения в зарубежных сплавах рекомендуется придерживаться следующего соотношения: Cu +5/3 % Li <5,2 при котором обеспечивается полный перевод в твердый раствор Cu и Li [7]. С учетом этих рекомендаций сплавы можно разделить на две условные группы: сплавы 2198, 2060 при соотношении <5,2 и сплавы 2099, 2397 при соотношении 5,2 (таблица 1). Листы из сплавов с указанным соотношением обладают высоким уровнем вязкости разрушения: Ксу 100-130 МПам (В=400 мм). Выбранные модельные сплавы № 1-4 содержали легирующие элементы в интервале: 3,2 - 3,6 Cu; 0,8 - 1,45 Li; 0,3 - 1,0 Mg при соотношении (Cu +5/3 %Li) в интервале 4,67 - 5,62 [8-12].

Таблица 1 Химический состав модельных сплавов системы Al-Cu-Li (в масс. %)

Сплавы № 1, 2 и 4, как и 2198, 2060 по соотношению концентрации Cu и Li меньше 5,2 (первая группа), а сплавы № 3, 2099, 2397 - больше 5,2 (вторая группа). Также выбранные сплавы отличаются суммарным содержанием легирующих элементов (Ag+Zn) и наличием или отсутствием добавки Sc (таблица 1). Все сплавы были легированы Zr. Основные легирующие элементы Cu, Li и Mg в процессе старения создают упрочняющие метастабильные фазы. Кроме того, магний оказывает твердорастворное упрочнение. Серебро и цинк интенсифицируют выделения упрочняющих фаз. Небольшое количество переходных элементов, таких как Sc и Zr, модифицируют структуру и повышают температуру рекристаллизации.

Для составов №1-4 были построены политермические разрезы для определения возможных фазовых превращений в исследуемых сплавах. Политермические сечения диаграмм состояния системы Al-Cu-Li строились с переменным содержанием Li и с постоянным содержанием Cu и Mg в сплавах № 1-4 (рисунок 1). В зависимости от содержания лития при термической обработке в этих сплавах могут протекать многофазные превращения:

- в сплаве 1 - +S +S+TB+S+T1++S+T1++S+TB;

- в сплаве 2 - +TB +TB+T1+T1++T1+S++S+TB;

- в сплаве 3 - +T1 ++T1 ++T1+S++S+TB;

- в сплаве 4 - +TB + T1 +TB + S +T1 ++S+T1 ++S+TB.

Следует отметить, что в сплаве №1 с высоким содержанием магния значительную роль в упрочнении играет метастабильная фаза S`.

Рис. 1 - Политермические сечения диаграмм состояния сплавов 1-4

Листы сплавов 1 и 2 не содержат скандия и характеризуются полностью рекристаллизованной структурой (рис. 2 а, б). Структура листов из более легированного сплава мелкозернистая с размером зерен 20-40 мкм, близких к равноосной форме. В листах из менее легированного сплава 2 рекристаллизованные зерна вытянуты вдоль направления прокатки и большего размера (толщина 50-100 мкм, длина 100-350 мкм). Структура листов из сплавов 3 и 4, содержащих скандий, волокнистая преимущественно нерекристаллизованная с небольшим количеством рекристаллизованных зерен, вытянутых в направлении прокатки, не превышающих толщину волокна, составляющую 30-60 мкм (рис. 2 в, г). В листах из менее легированного сплава № 4 больше участков с рекристаллизованными зернами.

Рис. 2 - Микроструктуры листов исследуемых сплавов в направлении прокатки: а - сплав 1, б - сплав 2, в - сплав 3, г - сплав 4

В сплавах системы Al-Cu-Li правка растяжением после закалки повышает значения прочностных свойств в результате высокой плотности выделений основной упрочняющей фазы T1'(Al2CuLi) при старении, местом зарождения которой являются преимущественно дислокации деформационного происхождения. Правка растяжением после закалки существенно повышает прочностные свойства листов всех исследуемых сплавов как после 30 часов старения при 155°С, так и после 48 ч. Относительное удлинение незначительно уменьшается и находится на уровне 10-15%. В состаренном состоянии (155°С, 30 ч) максимальный прирост пределов прочности и текучести в результате применения правки растяжением после закалки составляет 70-95 МПа и 90-175 МПа соответственно (рис. 3).

Рис. 3 - Механические свойства листов в зависимости от состояния перед старением по режиму 155 °С, 30 ч: ¦ Т0 (без правки), ¦ Тдеф (с правкой) (продольное направление)

Увеличение длительности старения с 30 до 48 ч при температуре 155°С в состоянии Тдеф также повышает уровень прочностных свойств на 25-70 МПа сплавов 1, 3 и 4 (рис. 4). Прочностные свойства сплава 2 повышаются незначительно (на 5-10 МПа), что по-видимому определяется меньшей степенью легирования сплава.

Рис. 4 - Механические свойства листов после правки растяжением в зависимости от длительности старения при 155 °С: ¦ - 30 ч, ¦ - 48 ч (продольное направление)

Листы с рекристаллизованной и нерекристаллизованной структурой характеризуются сравнительной небольшой анизотропией прочностных свойств в продольном и поперечном направлениях (рис. 5). Для сплавов 1 и 2 прямая анизотропия, а для сплавов со скандием - обратная. Листы из сплавов 1 и 3 с суммарным соотношением легирующих компонентов меди, лития, магния обладают наиболее высоким уровнем прочностных характеристик после старения в течение 48 часов в состоянии Т1

Рис. 5 - Механические свойства листов в продольном и поперечном направлениях в состоянии Тдеф + старение 155 °С, 48 ч (Т1)

Листы из сплава 4 со Sc имеют наиболее высокие показатели характеристик вязкости разрушения (Kcy = 70 МПаvм при В=100 мм) и ударной вязкости (KCU= 238 кДж/м2) после старения 155 °С, 48 ч, по сравнению с другими исследованными сплавами. В связи с этим состав сплава 4 является оптимальным и выбран для последующего изготовления опытно-промышленной партии листов с присвоением сплаву марки В-1481.

Проведены электронно-микроскопические исследования фазового состава упрочняющих фаз на листах опытного сплава 4 в широкой температурно-временной области старения и построена диаграмма фазовых превращений (рис. 6) при старении (ДФПС). Фазовый анализ сплава 4 показал, что практически во всей температурно-временной области старения от 130 до 160 єС при длительности от 20 до 60 часов присутствуют выделения фаз T1', и', S' и д'/ и'. Сплав 4 при режимах 155 °С, 30-48 ч, после которых исследованы механические свойства, характеристики вязкости разрушения, ударной вязкости, также находится в области выделений фаз T1', и', S' и д'/ и'.

Рис. 6 - Диаграмма фазовых превращений при старении (ДФПС) сплава 4

Полученные опытно-промышленные листы нового сплава В-1481 системы Al-Cu-Li [14] характеризуются преимущественно нерекристаллизованной (полигонизованной) структурой за счет дополнительного введения Sc и Zr (рис. 7).

Дополнительные исследования кинетики старения опытно-промышленных листов сплава В-1481 показали, что максимальный уровень прочностных характеристик обеспечивается режимами старения 160°С, 30 ч и 150°С, 50 ч и составляет ув=520-540 МПа при у0,2= 490 МПа и относительном удлинении 8-9% (рис. 8, а-в).

Рис. 7 - Микроструктура листов сплава В-1481 толщиной 3,0 мм в продольном (а) и поперечном (б) направлениях и светлопольное изображение субзеренной структуры листов (в)

Наибольший прирост пределов прочности и текучести (на 60-130 МПа) наблюдается при температурах 130 и 140°С с увеличением времени старения. При температуре 160°С с увеличением времени старения механические свойства изменяются незначительно.

Рис. 8 - Изменение механических свойств в зависимости от температуры и времени старения: а - предел прочности; б - предел текучести; в- относительное удлинение

Наилучшим сочетанием прочностных характеристик и пластичности обладают листы, состаренные при температурах 140°С и 150°С. В связи с этим были рассмотрены характеристики ударной вязкости (КСU) и вязкости разрушения (Ксу) после старения при указанных температурах. Следует отметить одинаковый уровень значений ударной вязкости и вязкости разрушения листов после режимов старения в интервале температур 140-150°С: КСU=200 кДж/м, Ксу = 69-70 МПаvм.

На листах были проведены дополнительные испытания образцов шириной 200 мм и 400 мм с определением вязкости разрушения и получены высокие значения Ксу=94-95 МПаvм, 130-135 МПаvм, соответственно. Исследования образцов с высокими характеристиками вязкости разрушения, состаренных по выбранному режиму, показали одновременное присутствие метастабильных выделений трех фаз T1', и', S' с достаточной плотностью и дисперсностью (рис. 9). вязкость сплав ударный алюминий

Рис. 9 - Темнопольные изображения выделений частиц

Листы, рекомендуемые для обшивки фюзеляжа из сплава В-1481Т1 имеют преимущество по сравнению с другими сплавами аналогичного применения 1163АТ, 2524Т351, 2060Т8Е30.

Таблица 2 Свойства полуфабрикатов из сплава В-1481Т1 в сравнении со сплавами-аналогами

Выводы

1. В результате исследований кинетики старения опытно - промышленных листов из сплава В-1481 установлен оптимальный режим в интервале температур 140-150°С, обеспечивающий наилучшее сочетание вязкости разрушения (Ксу) и прочностных характеристик листов;

2. Электронномикроскопические исследования фазового состава упрочняющих фаз в листах сплава В-1481 показали, что выбранный режим старения характеризуется наличием метастабильных фаз T1', и', S' с достаточной плотностью и дисперсностью;

3. Листы из сплава В-1481 имеют изотропные свойства при растяжении в направлении Д и П: b?490 МПа, 0,2 ?455 МПа, д?10% при Ксу на образцах 200 и 400 мм 95 и 135 МПаvм, соответственно.

Литература

1 . Антипов В.В., Колобнев Н.И., Хохлатова Л.Б. Развитие алюминий-литиевых сплавов и многоступенчатых режимов термической обработки //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 183-195.

2 . Хохлатова Л.Б., Колобнев Н.И., Оглодков М.С., Михайлов Е.Д. Алюминийлитиевые сплавы для самолетостроения //Металлург. 2012. № 5. С. 31-35