автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Исследование закономерностей формирования структуры и свойств крупногабаритных прессованных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов, легированных цирконием, с целью повышения их качества

ВСЕСОЮЗНЫЙ ИНСТИТУТ ЛЕГКИХ СПЛАВОВ

Экз. №

СУХИХ Александр Ювенальевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЙ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ПРЕССОВАННЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ, ЛЕГИРОВАННЫХ ЦИРКОНИЕМ, С ЦЕЛЬЮ

Специальность 05.16.01 "Металловедение и термическая обработка металлов"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПОВЫШЕНИЯ ИХ КАЧЕСТВА

Москва - 1991

* /

Работа выполнена на Верхнесалдинском металлургическом производственном объединении имени В.И.Ленина.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

В.И.Елагин.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Ведущее предприятие - Белокалитвинское металлургическое

производственное объединение 2Ъ

Защита диссертации состоится " " октября 1991 года.,-в 10 часов на заседании специализированного совета Д.048.01.01 прп ВИЛС по адресу: Москва, 121596, ул.Горбунова,20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан " 6 "_0&_1991 года.

Ученый секретарь специализированного совета.

Г.И.Эскин.

кандидат технических наук Н.И.Колобнев.

В.Г. КАЗАКОВ

С1". " ■ "^ТТ"1!»

/актуальность проблемы. В последнее десятилетие в самолетостроении большое применение нашли крупногабаритные длинномерные пробили и панели, в том числе с законцовкой, из высокопрочных алюминиевых сплавов дИЗч, 1Й5пч и ьЭооч. монолитные детали , получаемые из крупногабаритных длинномерных полуфабрикатов, позволяют снизить вес конструкции, трудоемкость ее изготовления, повысить ресурс и х'ерметичность за счет резкого сокращения заклепочных и болтовых соединений. Создание широкофюзеляжных самолетов дяя гражданской и транспортной авиации еще больше повысило требования к используемым материалам. На первое место выдвинуты такие конструкционные характеристики, как вязкость разрушения, скорость роста усталостных трещин, сопротивление много- и малоцикловой усталости, коррозионному растрескиванию и другие параметры, отвечающие за надежность эксплуатации изделий.

Применительно к новым изделиям, сотрудниками ВИДО, ВИАМ и заводов отрасли разработаны новые сплавы 1161 и 1973 (легированные цирконием), которые являются, соответственно, аналогами сплавов дхбч и ВУ5пч. Опытные образцы из вновь предложенных сплавов, по сравнению с промышленными, имеют более высокие ресурсные свойства. Ко времени постановки данной работы, штучный выход годного крупногабаритных длинномерных профилей и панелей, в той числе с законцовкой, был невелик. Наиболее существенные замечания относились к макроструктуре полуфабрикатов -недопустимая величина зоны веерных кристаллов и большая протяженность штрихов. В профилях и панелях из сплава 1161 наблюдалось повышенное количество внутренних дефектов, выявляемых при ультразвуковом контроле. Крупногабаритные профили из

сплава ИЫ более, чем в 30 % случаев не достигали необходимой прочности в продольном направлении.

Цель работы. Определение закономерностей формирования структуры и свойств крупногабаритных длинномерных полуфабрикатов, в том числе с законцовкой, из алюминиевых сплавов, легированных цирконием, и на их основе уточнение промышленной технологии изготовления прессованных профилей и панелей из сплавов 1161 и 1973.

В работе решаются следующие задачи:

1. Установление закономерностей формирования структуры крупногабаритных слитков из сплавов II6I и 1973 в зависимости от условий модифицирования расплава титаном и скорости подачи расплава в кристаллизатор.

2. Исследование влияния структуры слитка, режима гомогенизации, технологических нагревов на сопротивление деформации сшивов II6I и 1973 при прессовании и структуру прессованных полуфабрикатов.

3. Установление связи между структурой и свойствами крупногабаритных длинномерных полуфабрикатов.

4. Исследование влияния качества слитков и условий деформации на образование внутренних дефектов, выявляемых при ультразвуковом контроле и контроле макроструктуры.

5. Изучение влияния параметров прессования, термической и термомеханической обработки на формирование структуры и свойства крупногабаритных полуфабрикатов.

Научная новизна. Изучены закономерности формирования структуры и свойств крупногабаритных слитков диаметром от 680 до I2Q0 мм из сплавов II6I и 1973. Установлено, что для устранения веерной структуры скорость подачи расплава из распределительной коробки в лунку кристаллизующегося слитка должна быть увеличена с О,II...О,13 м/с до 0,24...О,32 и/о. Расплав при этом необходимо модифицировать лигатурным прутком /7^-2$ 71 со средним размером интерметаллидов Ri{Ti около 5...7 мкм. Общее содержание титана в сплаве должно быть в пределах 0,05...О,07%. Показано, что ддя исключения условий образования первичных интерметаллидов суммарное содержание титана и циркония в слитках сплавов II6I и 1973 не должно превышать 0,17$.

Разработана, исследована и опробована доя легирования алюминиевых сплавов, содержащих цирконий, лигатура Си* -10$, им< ющая дисперсную структуру, благоприятно влияющую на процесс кристаллизации крупногабаритных слитков сплавов II6I и 1973. Установлено, что применение лигатуры Go-10$& позволяет вводить в сплавы до 0,2$ Jfo без образования первичных интерметаллидов.

Исследовано влияние термической обработки слитков, режимов прессования и термоадъюстажной обработки на комплекс свойств крупногабаритных длинномерных (до 30м.) профилей и панелей, в toi числе с законцовкой, из сплавов II6I и 1973. Показано лоложитель

нов влияние вылеживания закаленных профилей сплава П61 перед правкой растяжением в течение 24...30 часов на прочностные свойства в продольном направлении.

Изучено влияние веерной структуры на комплекс свойств крупногабаритных прессованных полуфабрикатов из сплавов 1161 и 1973. Показано, в подтверждение имевшихся данных для сплава В95пч, что наличие веерной структуры в панелях и профилях из сплава 1973 приводит к снижению пластических и ресурсных характеристик в поперечных по ширине и высоте направлениях. Для сплава 1161 веерная структура не оказывает отрицательного влияния. Регламентировано применение полуфабрикатов с веерной структурой для изготовления ответственных авиационных деталей.

Показано, что образованию протяженных расслоений, выявляемых в длинномерных полуфабрикатах, способствуют повышенное га-засодержание, пористость и скопления крупных интерметаллидов.

Практическая значимость работы. Полученные экспериментальные результаты позволили обосновать и уточнить промышленную технологию изготовления крупногабаритных длинномерных профилей и панелей, в том числе с законцовкой, из сплавов 1161 и 1973. Выпущена технологическая инструкция № 100-3/1-31-87 "Производство профилей из сплава 1973".

В результате удалось получить слитки и прессованные полуфабрикаты с однородной структурой, оптимальным комплексом механических и коррозионных свойств, минимальным количеством внутренних дефектов, выявляемых при ультразвуковом контроле.

Реализация работы в промышленности. Уточненная технология изготовления крупногабаритных длинномерных полуфабрикатов, в том числе с законцовкой, из сплавов 1161 и 1973 внедрена на Верхнесалдинском металлургическом производственном объединении имени В.И.Ленина. По разработанной технологии изготовлено более 500 т крупногабаритных профилей и панелей, в том числе с законцовкой, высокого качества.

Экономический эффект от использования результатов работы согласно акту внедрения с учетом долевого участия составил 93,26 тыс. рублей.

Апробация работы. Материалы диссертации представлены в пяти статьях, имеется положительное решение по заявке на изобретение.

Материалы диссертации доложены и обсуждены на следующих конференциях и совещаниях:

1. ХУ научно-техническое совещание работников заводских лабораторий, 1985 г. - г. Ступино.

2. ХУ1 научно-техническое совещание работников заводских лабораторий, 1988 г. - г. Белая Калитва.

3. Всесоюзная конференция по проблемам слитка, 1990 г. -- г. Волгоград.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и выводов, содержит 215 страниц машинописного текста, в том числе 42 таблицы и 86 рисунков. Список использованной литературы включает 157 источников.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование условий кристаллизации выполняли на промышленных плавках при литье крупногабаритных слитков диаметром 680, 845, 960 и 1200 мм из сплавов 1161 и 1973 со средним уровнем содержания основных легирующих элементов. Изменение размера и количества выходных отверстий в распределительной коробке, скорость подачи расплава в кристаллизатор изменяли в пределах от 0,11 до 0,32 м/с. Одновременно изучали влияние типа лигатурного прутка Д£ -2% Тс и содержания титана в сплавах на образование веерной структуры. Для этой цели использовали лигатурный пруток, полученный из слитка и гранул, соответственно, со средними размерами интерметалли-дов около 6 и 3 мкм. Содержание титана в сплавах изменяли от 0,03 до 0,07$.

Для оценки качества крупногабаритных слитков из сплавов 1161 и 1973 определяли изменение химического состава, плотности, пористости и содержания водорода по сечению, загрязненность металла по технологическим пробам, механические свойства при комнатной и повышенной температурах, а также проводили всестороннее исследование макро- и микроструктуры. Кроме того, на металле, прошедшем обработку в лабораторных условиях, исследовали влияние режимов гомогенизации и нагревов перед прессованием на сопротивление деформации и пластичность при температурах от 360 до 430°С.

Изучение влияния технологических параметров прессования и термической обработки на формирование структуры и свойств прессованных полуфабрикатов выполняли в лабораторных и промышленных условиях на крупногабаритных длинномерных профилях и панелях с законцовкой из сплавов 1161 и 1973 или заготовках из них.

Для исследования микроструктуры прессованных полуфабрикатов применяли световую микроскопию. Для определения степени рекристаллизации использовали рентгеноструктурный анализ. Для изучения микроструктурных особенностей разрушения и анализа внутренних дефектов в изломе применяли метод электронной фрак-тографии.

Механические свойства прессованных полуфабрикатов определяли стандартным методом на растяжение. Определение вязкости разрушения при плоской деформации (КдО проводили в направлении ДП на образцах типа "ВР". Испытания на МЦУ осуществляли на продольных плоских образцах с круглым концентратором. Коэффициент концентрации напряжений у отверстий R - 2,6; частота нагружения - 3 Iii; коэффициент асимметрии - оС = 0; напряжение - 3>та,*= 160 МПа. На законцовочном сечении панелей определяли МЦУ на "проушинах" в поперечном по высоте направлении. Коррозионные испытания включали определение чувствительности к межкристаллитной коррозии (МКК) в растворе 3%/iI&CI + + 1% UCi , расслаивающей коррозии (РСК) в растворе 20 г/л Kz&t^Oj + 30 мл/л Ш и коррозионному растрескиванию (KP) на установке "Сигнал".

Измерение электропроводимости проводили методом вихревых токов на приборе ВЭ17НЦ с системой эталонов.

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ КРУПНОГАБАРИТНЫХ СЛИТКОВ ИЗ СПЛАВОВ II6I и 1973

Крупногабаритные слитки диаметром до 1200 мм из сплава II6I и до 845 мм из сплава 1973 имеют высокий уровень механических свойств, обладают незначительным сопротивлением деформации и хорошей пластичностью при температурах прессования. Однако, существенным недостатком принятой в настоящее время технологии является часто наблюдаемая неоднородность структуры слитков: зоны веерных кристаллов, включения первичных интермета ллидов циркониевой фазы. Веерная структура встречается в 41,3$ слитков из сплава II6I и 80$ - из сплава 1973 и обычно имеет вид периферийного кольца толщиной до 300 мм, а в ряде случаев занимает всю площадь макрошлифов. Первичные интерме-таллиды (\1ь7лС&) обнаружены в слитках, имеющих суммарное содержание титана и циркония более 0,17$.

Исследование движения расплава в кристаллизаторе показало, что усиление динамического воздействия на фронт кристаллизации слитка снижает вероятность возникновения веерных кристаллов (табл. I). Это достигается за счет уменьшения количества и размеров отверстий в распределительной коробке, что увеличивает ,скорость истечения расплава из отверстий коробки и повышает его воздействие на фронт кристаллизации. Важное значение имеет время, за которое струи расплава, выходящие из отверстий распределительной коробки, достигают периферии лунки. Для подавления возникновения широких зон веерных кристаллов это время не должно превышать I секунду. При одинаковой скорости истечения струек из распределительной коробки, струйки расплава, вытекающие из отверстий меньшего диаметра, раньше теряют свою скорость и слабее воздействуют на процесс кристаллизации. Ддя полного устранения веерной структуры, одновременно с высокими скоростями истечения расплава из распределительной коробки, содержание титана в сплавах 1161 и 1973 необходимо поддерживать в пределах 0,05...О,07$. Часть титана необходимо вводить в прилеточную коробку лигатурным прутком /?/-2$7/ , изготовленным из слитка (размер интерметал-лидов /- 5...7 мкм), из расчета 3...4 кг на I тонну расплав.

Устранение возможности образования первичных интерметалли-дов достигается за счет ограничения содержания цирко-

ния в сплавах в пределах от 0,10 до 0,12$ при содержании титана от 0,05 до 0,07$ и их суммы не выше 0,17$. Применение лигатуры С* вместо позволило получить слитки

диаметром 270 и 680 мм из сплава 1161 с содержанием циркония, со ответственно, 0,2 и 0,15$ (титан 0,04 и 0,06$) без первичных интерметаллидов циркониевой фазы Подобный эффект обусловлен наследственным влиянием дисперсных интерметаллидов Ск3 в лигатуре на структуру слитков. Поскольку их размеры значительно меньше, чем размеры интерметаллидов , они легко растворяются в

расплаве и не наследуются слитками.

Исследование свойств слитков, отлитых по уточненной технологии, при повышенных температурах позволило установить, что для сплава 1973, по сравнению со сплавом В95пч, характерно пониженное на 5...10 МПа сопротивление деформации и повышенное

.Влияние скорости истечения расплава из отверстий распределительной коробки на вероятность ооразования веерной структуры

Сплав диаметр Количество диаметр время до- Скорость ис- модифици- Количество Количество

слитка, отверстий отверстий стижения течения рас- рование слитков, слитков с

мм коробки, коробки, расплавом плава из от- лигатур- прошедших веерной

шт. мы фронта верстий ко-роЗ-ки, м/с ным прут- контроль, структурой.

кристал- ком шт. р

лизации , с

1973 6Ьи хи 1,96 и, XI - 7 Ю0,и

12 10 1,96 и,11 + 2 50,0

645 15 10 1,96 0,12 - 15 60,и

15 10 1,96 и,12 + 6 33,3

15 ь 1,30 0,16 + 7 14,3

15 7 0,9Ь 0,24 + 7 14,3

1161 960 15 10 2,30 0,13 - 15 100,0

15 10 ¿,30 и,13 + 27 29,5

15 ь 1,45 0,21 - 52 15,3

15 7 1,13 0,27 - 112 9,1

20 6 1.17 0,26 - 7 14,2

10 8 0,95 0,32 — го 0

\

на 10...15$ относительное удлинение (табл. 2). Это обусловлено более низким содержанием в сплаве 1973 железа и кремния и полным отсутствием марганца. Введение в сплав всего 0,25% марганца приводит к росту сопротивления деформации при температуре 400°С на 32$.

Таблица 2

Механические свойства при температурах прессования гомогенизированных слитков из сплавов 1161 и 1973 в сравнении с промышленными сплавами Д16ч В95пч

Сплав Температура испытания, °С

350 400 450

¿е, ¿0,2 ¿е, 60,3, ¿Г. ¿0,2,

МПа МПа % МПа МПа % МПа МПа %

1161 63 40 33 47 37 44 28 22 50

ДГбч 40 28 42 30 18 55 19 13 52

1973 40 29 85 25 19 88 18 15 52

В95пч 47 36 75 36 23 73 24 19 46

Сплав 1161, легированный одновременно марганцем и цирконием, отличается от сшива Д16ч более низким относительным удлинением (на 10$) и высоким сопротивлением деформации (на 10... 20МПа).

Отрицательное влияние на свойства сплава 1161 при повышенных температурах оказывает также пониженное, по сравнению со сплавом Д16ч, содержание меда. Как показано В.В.Захаровым, при содержании в бинарных сплавах системы алюминий-медь 3,5...3,7$ меди (в сплаве 1161 - 3,3...3,8$ меди) наблкщается резкое понижение относительного удлинения и рост сопротивления деформации при температурах прессования.

Режим гомогенизации и последующий нагрев перед деформацией существенно изменяют свойства слитков при температурах прессования. Оптимальный комплекс свойств, обеспечивающий высокую тех нологичность сплава 1161, достигается после гомогенизации при температурах 480...490°С в течение 14...16 часов; сплава 1973 -- при температурах 460.,.470°С в течение 8...12 часов. Нагрев и ввдержка заготовок при температурах прессования способствуют дополнительному снижению сопротивления деформации и повышению

относительного удлинения по сравнению с гомогенизированным состоянием (табл. 3). Наиболее существенные изменения происходят после нагрева металла до температур 400...430°С.

Таблица 3

Свойства слитков из сплавов 1161 и 1973 после нагрева до температур деформации

Сплав Темпера- Гомогенизация Гомогенизация + нагрев тура наг- и выдержка при темпера

рева (ис- турах прессования

пы^анши.

1161 1973

360 400 430

360 400 430

¿г,

МПа

62,0 48,0 32,0

44,0 33,4 27,2

¿0,2, МПа

50,0 41,0 28,0

39,2 27,6 23,0

К

%

33,2

59.5

52.6

64.0

76.1 89,0

4

МПа

56,0 42,2 33,0

42,4 27,2 22,6

¿0,2, МПа

41,0 34,0 29,0

36,6 21,4 17,2

£ _

44,7 81,4

82.4

73,7 86,0

84.5

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ПРЕССОВАННЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ ИЗ СПЛАВОВ 1161 и 1973

В панелях и профилях сплава 1161Т, прессуемых с вытяжкой /\ от 7,0 до 9,5 веерная структура не оказывает влияния на уровень механических свойств. Более того, веерные кристаллы способствуют снижению анизотропии механических свойств и повышению сопротивления коррозионному растрескиванию, по сравнению с полуфабрикатами, с равноосной структурой (табл. 4). В прессованных полуфабрикатах из сплава 1973Т2 наблвдается иная зависимость. Прочностные свойства панелей и профилей независимо от типа структуры находятся на одном уровне, а относительное удлинение и коррозионная стойкость в поперечном по высоте направлении, ударная вязкость, особенно образцов с предварительно нанесенной трещиной и малоцикловая усталость в поперечном по ширине и по высоте направлениях полуфабрикатов с веерной структурой ниже, чем в случае отсутствия веерной структуры (см. табл. 4).

При увеличении вытяжки Х^ 14 веерная структура не оказывает влияния на свойства в продольном и поперечном до ширине направлениях. В поперечном по высоте направлении, ввиду малой толщиш полуфабрикатов, свойства не определяли.

Таблица 4

Влияние типа структуры на свойства крупногабаритных полуфабрикатов из сплавов 1161 и 1973

Сплав, состояние терыо-обраб. Тип структуры Направление испытания МПа мПа КО/, КСТ /1ЦУ Лд/ы^Дл/м^ к ц КР.СУТ. . при ¿, МПа, 50 17? РС\ 5йп,

11611' веер- Д 477 343 13,4 — — — _ - 6,Ь

ная 11 460 3^5 14,0 3,11/ - - - - -

в 433 ЗОи 12,6 1,4и - - 43 - -

без Д 4ь7 356 13,0 - - - - - 7,0

веера 11 440 310 2и,2 ¿,40 - - - - -

в 424 2Ь5 11,6 1,60 - - - -

116ХТ1 веер- А 467 359 12,2

ная 11 452 353 Ь,ь 1,10 и,66 - - - -

В 446 350 4,9

без д 469 35Ь 12,7

веера П 454 355 11,5 1,би 1,60 - - - -

в 44Ь 352 7,0

1973Т2 веер- д 556 502 12,4 1,50 0,66 165 - - -

ная П 54<; 439 11,2 0,75 0,27 137 - - -

в 511 - 2,3 - 50 - 32 -

без д 553 511 12,0 1,79 1,32 249 — - 2-3

веера II 540 503 11,0 1,00 0,5и 212 - - -

в 516 - 4,3 0,70 0,40 66 - 45 -

Кроме степени деформации, одним из решающих факторов, оказ вающих влияние на свойства полуфабрикатов с веерной структурой является режим старения. Искусственное старение (190 9 часов) приводит к снижению пластических свойств проу_илей и панел

из снлаваПбШ в поперечном но ширине и высоте направлениях (сь:.табл.4).

Исследование поверхности разрушения образцов показало, что причиной отрицательного влияния веерной структуры на i, еханичес-кие свойства профилей и панелей является большая протяженность границ веерных кристаллов, на которых при искусственно!»! старении оеалаются продукты распада твердого раствора, ослаблш1 их. Ь случае неблагоприятной ориентировки образцов относительно прилолшнняк напряжений, уровень механических свойств существенно снижается, использование в конструкциях полуфабрикатов с веерной структурой в искусственно состаренное состояния нежелательно, особенно в случае приложения к ним нагрузок, действующих в поперечно« по ширине и высоте направлениях.

¡леханичискае свойства прессованных шлуфаирикатов, крои.е наследственного влияния структуры слитков, зависят от температур хоыохенизации и прессования.

лруиногаоаритные пробили из сплава ±i/7J приоиретают наиболее высокие прочностные свойства в случае прессования их при температурах jüu. ..зуи °0 из слитков, прошедших гомогенизацию при температурах 'яи...42и Однако при этом относительное удлинение в поперечном но высоте направлении находится в пределах от до /j (табл.Ь). Повышение TeMiiegaTyp прессования до 4iu...4üu и гомогенизации до 466...475 С способствует увеличению размеров суизерен л как следствие, к росту относительного удлинения (до 3,^...7,5 >) и снижению прочностных свойств в продольном и поперечном по ширине направлениях Сна 50.,.6и wiiia), которые остаются на достаточно высоком уровне.Наилучшее сочетание прочностных и пластических свойств наблюдается у полуфабрикатов отпрессованных при температурах 36U.,.370°о из слитков, прошедших гомогенизацию при температурах 465... 475

Душ прессованных крупногабаритных полуфабрикатов из сплава и.6±Т с ростом температуры деформации от 35U...37U до 44и... 45и во всех направлениях прочностные характеристики повышаются на 1и. ..¡¿и lviila при практически постоянной величине относительного удлинения (таол.б). Указанное повышение температуры деформации ооуславливает формирование в полуфабрикатах однородной

Влияние температуры гомогенизации и прессования на механические свойства профилей из сплава ±973'i'2

Температура гомогенизации, _

410-42U_465-475

Температура прессования, °ü_

36U-370 4IÜ-420 36U-37U 410^120

Продольное ¿g ,МПа 609 591 593 562

¿o,i ,шПа 561 521 541 4bi

g , % 12,b 13,5 13,U 13,2

Поперечное ¿g ,í.¡IIa 59b 575 55U 535

по ширине ¿02,¡Ша 544 5CJ5 522 458

i , lo 12,ü 12,1 12,11 14,6

Поперечное Zt ,MlIa 556 533 541 524 по высоте ¿^.¡лПа 504 4GI 471

g , % i',¿ 3,6 3,2 7,5

Направленно Механи-вырезки об- ческие разцов свойства

поллгонизованной структуры вместо сме.ланой, состоящей из полн-гонизованных и рекристаллизованных зерен.

На комплекс свойств крупногабаритных полуфабрикатов существенное влияние оказывают внутренние дефекты, представляющие собой несшюшности материала и которые молено разделить на две группы: а) расслоения; б) штрихи. Оба вида дефектов видны в изломе и на макроструктурах, кро;*:е тох'о расслоения надежно выявляются при ультразвуковом контроле. В длинномерных полуфабрикатах, ввиду высоких степеней деформации в отдельных кпкрообъемах, образуются протяженные (до 2UU мм) расслоения, количество которых в 3-5 раз меньше, чем точечных. Фрактографический анализ поверхности протяженных расслеений показал, что их образованию способствуют повышенное газосодержание, пористость и скопления и нтерметаллидов.

для снижения количества расслоений до требований заказчика в сплаве II6I содержание водорода и коэффициент затухания не должны превышать, соответственно, 0,12 см3/Ю0г и 1,4 дб/см, а в сплаве 1973 - 0,2 см3/100г и 2,0 дб/см.

Влияние температуры прессования на механические свойства проучилай из сплава 1161Т

Направление Механиче-_Температура прессования. °С_

вырезки об- ские

разцов свойства 350-370 410-420 425-435 440-450

Продольное ,МПа 452 45Ь 462 47 *

¿¡■г.ыПа 340 347 347 357

д , % 14,6 14,0 14,и 14,8

Поперечное & ,Ша 4<:Ь 4<;з 430 445

по ширине ¿21 шПа 3x5 310 316 315

Ь , % 15,5 15,3 хб,5 16,6

Поперечное ¿г .мЛа 375 37и 387 ЗЪЗ

по высоте (¿¡г,шйа ¿70 ¿6у 3и1 2у7

£ , /ч Ь,7 7,6 7,У

Основной причиной появления штрихов служат оксидные плены, которые попадают в металл из лигатурно1'о прутка, а также вовлекается с поверхности расплава (табл.7). Наибольшая отбраковка полуфабрикатов по штрихам наблюдается при использовании прутка из гранул.

Таблица 7

.Влияние модифицирования с помощью лигатурном прутка ( ) на образование штриов в полуфабрикатах из

сплава 1161

Тил прутка

Количество полуфабрикатов, %

без штрихов

годные со штрихами

орак

из гранул Из слитка Ьез прутка

¿7,3

15.7

53.8

40,9 61,4 46,2

31,6

22,9 О

В ряде случаев одновременно с окисными пленами инициаторами зарождения штрихов являются грубые скопления интерметаллидов.Исследованиями определено, что применение лигатурного прутка

(\1 - 2$Ти , изготовленного из слитка, создание условий для ламинарного течения расплава от миксера до лунки и ужесточение схемы фильтрации, позволяют полностью исключить штрихи.

ВЛИЯНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ И ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ПРЕССОВАННЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ

На основании проведенных исследований условий закалки и старения показано, что оптимальная температура нагрева полуфабрикатов из сплава 1161 под закалку находится в интервале от 495 до 500°С. При закалке от более низкой температуры (490°С) происходит снижение предела прочности на 45...50 МПа, что обусловлено недостаточным растворением избыточных фаз и пересыщением твердого раствора. При температуре 505°С обнаружен пережог, который способствует понижению прочностных свойств на 20... 40 МПа.

Панели и профили из сплава 1973 имеют высокие механические свойства после закалки в широком интервале температур (от 460 до 500°С), однако наиболее стабильный уровень свойств прессованных полуфабрикатов приобретают после закалки от температур 465...475°С. Начальные стадии пережога, обнаруженные в металле, нагретом до температуры 490°С, не оказали влияния на уровень механических свойств. Панели и профили из сплава 1161, используемые в конструкциях в естественно состаренном состоянии, наибольшие прочностные свойства приобретают после старения в течение 240 часов. Существенное увеличение продолжительности старения, по сравнению со сплавом Д16ч, связано с меньшей легирован-ностью сплава 1161.

Предел прочности профилей сплава 1161 в продольном направлении достигает 452...460 МПа, что ниже (на 20...25 МПа), чем у аналогичных полуфабрикатов из сплава Д16ч. В поперечном по ширине направлении эта разница уменьшается, а в поперечном по высоте направлении более высокую прочность имеют полуфабрикаты из сплава 1161.Относительное удлинение во всех направлениях выше у изделий из сплава 1161.Такое соотношение свойств прессованных полуфабрикатов сплавов Д16ч и 1161 обусловлено более низким содержанием избыточных фаз в сплаве 1161, а также более равномерным распределением интерметаллидов переходных металлов при одновременном ле-

гировании сплава 1161 марганцем и цирконием.

На комплекс свойств панелей и профилей из сплава 1973 после искусственного ступенчатого старения оказывают влияние продолжительность нахождения при комнатной температуре и температурах первой и второй ступеней старения. Предварительное естественное старение в течение 4...96 часов приводит к снижению на 10... 20 МПа пределов прочности и текучести после ступенчатого старения. Это обусловлено низкой устойчивостью зон Гинье-Престона (ГП) при последующих нагревах. Увеличение продолжительности выдержки на первой степни старения (ПО...120 °С) с 6 до 20 часов приводит к возрастанию стабильности зон ГП. Это приводит к дисперсности образующейся на зонах ГП упрочняющей -фазы. В результате уменьшается вероятность перестаривания полуфабрикатов из сплава 1973. Длительная первая саупень старения улучшает коррозионные свойства панелей и профилей из сплава 1973. Наиболее высокий комплекс механических и коррозионных свойств обеспечивает старение по режиму: I ступень - ПО...120 °С, выдержка 9...10 часов; П ступень - 165...175 °С, выдержка 9...10 часов.

Изучение процесса правки растяжением показало, что с увеличением величины остаточной деформации от 0 до 5 % прочностные свойства повышаются { ¿ё - на 20 МПа, а ¿о,г - на 130 МПа) у полуфабрикатов из сплава П61Т и снижаются ( ¿£ - на 35 МПа,

- на 50 МПа) у полуфабрикатов из сплава 1973Т2. Учитывая благоприятное влияние правки растяжением на механические свойства полуфабрикатов из сплава 1161, была исследована возможность их повышения за счет термомеханической обработки, которая включает в себя: закалку, вылеживание в закаленном состоянии в течение 24...30 часов, правку растяжением с остеточной деформацией 2,5...3,0 % и окончательное естественное старение не менее 240 часов. Увеличение продолжительности предварительного старения перед правкой растяжением от 6 до 24...30 часов повышает предел прочности в продольном направлени у профилей с вытяжками А = 6 и X = 12,8, соответственно, на 30...40 и 15...20 МПа (рис.1). Устойчивый рост прочностных характеристик наблюдается также в поперечном по ширине и высоте направлениях, но он не цревышает 10...15 МПа.

Рис. I. Механические свойства крупногабаритных профилей из сплава 1161 (а-Л = 6, 5-Х =12,8), растянутых с остаточной деформацией 2,5-3,0$, в зависимости от продолжительности предварительного естественного старения.

РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ПРОМЫШЛЕННОЙ ТЕХНОЛОГИИ

ПРОИЗВОДСТВА КРУПНОГАБАРИТНЫХ ДЛИННОМЕРНЫХ

ПРЕССОВАННЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ ИЗ СПЛАВОВ П61Т и 1973Т2

По результатам работы в промышленную технологию производства крупногабаритных длинномерных полуфабрикатов, в том числе с законцовкой, из сплавов 1161Т и 1973Т2 внесен ряд дополнений и изменений.

1. В результате исследований уточнено содержание в сплавах 1161 и 1973 циркония - О,10...О,12$ и титана - 0,05... 0,07$, исключающее образование в слипсах первичных интерме-таллидов. При этом суммарное содержание титана и циркония в сплавах не должно превышать 0,17$.

2. Для устранения условий замешивания окисных плен, которые являются одним из источников появления штрихов в полуфабрикатах, применена прилеточная коробка новой конструкции, обеспечивающая спокойное ламинарное движение расплава от миксера до кристаллизатора. Введена дополнительная фильтрация в лунке кристаллизующегося слитка.

3. Для предотвращения условий образования веерной структуры использованы чугунные коробки с диаметром выходных отверстий 7 мм, позволяющие подавать расплав в лунку со скоростью 0,24...0,30 м/с. В процессе отливки сплавы модифицировали катаным лигатурным прутком (\1- 2$ 71 со средними размерами интерметаллидов 5...7 мкм.

4. В связи с использованием в ряде случаев слитков максимального объема и работой прессового оборудования на предельном усилии, установлены режимы гомогенизации, обеспечивающие минимальное сопротивление деформации. Для сплава 1161 -- 480...490°С, 14...16 часов; для сплава 1973 - 460...470°С, 12 часов.

5. Температура прессования назначена с учетом обеспечения высокого комплекса механических и коррозионных свойств, однородной, без крупнокристаллического ободка макроструктуры и минимального количества дефектов, выявляемых при ультразвуковом контроле. На основании изложенного выше, температура нагрева металла выбрана в пределах 360...380°С. Ввиду большого сопро-

тивления деформации, заготовки из сплава 1161 прессовали при температурах 390...4Ю°С.

6. Для получения.требуемых прочностных свойств в продольном направлении крупногабаритных профилей из сплава 1161 внедрен режим закалки в узком интервале температур - от 495 до 500°С с последующей НТМО, включающей в себя предварительное естественное старение в течение 24...30 часов, правку растяжением с остаточной деформацией от 2,5 до 3,0$ и окончательное естественное старение в течение 240 часов.

По уточненной технологии были изготовлены промышленные партии крупногабаритных длинномерных профилей и панелей с закон-цовкой из сплавов 1161Т и 1973Т2, исследование которых подтвердило возможность разработанной технологии обеспечить стабильное и высокое качество прессованных полуфабрикатов.

Из 144 слитков диаметром 960 мм из сплава 1161Т и 16 диаметром 845 мм из сплава 1973Т2 не имели веерной структуры, соответственно, 80,0 и 93,7$ слитков. В остальных обнаружены небольшие участки веерных кристаллов, которые в процессе деформации значительно изменялись и не оказывали влияния на уровень механических свойств. Отбраковка полуфабрикатов по недопустимой величине веерной структуры снизилась с 7,4$ в 1986 году до 0...0,32$ в 1988-1990 гг. Ни одного полуфабриката не задержано по штрихам.

Механические свойства по длине профилей и панелей равномерны и достаточно высоки. Брак по прочностным характеристикам крупногабаритных профилей из сплава П61Т площадью поперечного сечения 720...940 мм, изготовленных с НШО, уменьшился с 43,4 до 9,7$.

Полуфабрикаты из сплавов 1161Т и 1973Т2 имеют значительное (в 1,3...2,0 раза) преимущество по сравнению с аналогичными изделиями из сплавов Д16чТ и В95пчТ2 по СРТУ и МЦУ. Коррозионные свойства типичны для сплавов системы алюминий-медь-магний (1161) и алюминий-цинк-магний-медь (1973).

Повышение качества слитков, оптимальные режимы гомогенизации и прессования позволили повысить скорости истечения при прессовании панелей и профилей из сплава 1973 в 2,0...2,5 раза. В зависимости от вида полуфабриката; снизить количество дефектов, выявляемых при ультразвуковом контроле в 3...26 раз.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Установлены закономерности формирования структуры и свойств крупногабаритных длинномерных (до 30 м) прессованных полуфабрикатов из высокопрочных алюминиевых сплавов, легированных цирконием, на основе системы А1- йь- М$ - 1161 и на основе системы (¡1-й - Мр- Ос - 1973.

Выявленные закономерности послужили металловедческой основой технологии отливки слитков и получения из них крупногабаритных длинномерных профилей и панелей из сплавов 1161 и 1973 применительно к современным транспортным самолетам "Руслан" и "Мрия".

2. Изучено влияние распределения расплава в лунке, технологии производства лигатурного прутка ( Йб- 2% 7*1 ) и его введения в расплав, содержания циркония и титана на формирование структуры в крупногабаритных слитках диаметром 680...1200 мм

из сплавов 1161 и 1973. Установлено, что с повышением скорости истечения расплава из распределительной коробки в лунку кристаллизующегося слитка от 0,11...0,13 м/с до 0,18...0,32 м/с склонность к образованию веерных кристаллов существенно понижается. При дополнительном непрерывном модифицировании расплава лигатурным прутком (№-2%Т1 (3...4 кГ на I т расплава) со средним размером частиц интерметаллидов Й1}Тс около 5...7 мкм и при общем содержании титана в сплавах 0,05... 0,07% веерная структура в слитках практически отсутствует.

3. Показано, что для устранения условий образования первичных интерметаллидов (Т1 ) в крупногабаритных слитках из сплавов 1161 и 1973, суммарное содержание титана и циркония не должно превышать 0,17%, в том числе циркония 0,10...0,12%.

Изучено введение циркония в сплавы в виде лигатуры Си, -- 10% 7л , которую предложено использовать для легирования алюминиевых сплавов вместо стандартной лигатуры Дв - 2% %/ь .

Наличие в лигатуре Со. - 10% 1л мелких интерметаллидных частиц ( Сиь ), имеющих относительно невысокую температуру плавления (1П5°С), позволяет получить слитки с содержанием циркония до 0,20% без образования первичных интерметаллидов.

4. Изучена роль температуры и длительности гомогенизации крупногабаритных слитков сплавов 1161 и 1973, а также влияния

режимов нагрева перед прессованием на технологичность металла при прессовании, структуру и свойства прессованных длинномерных крупногабаритных профилей и панелей.

Лдя обеспечения высокого качества прессованных полуфабрикатов оптимальными являются следующие режимы гомогенизации: для слитков сплава 1161 диаметром 680...1200 мм - 480...490°С 14...16 часов; для слитков сплава 1973 - 460...470°С 8...12 часов.

Показано, что отсутствие в сплаве 1973 марганца и хрома способствует, по сравнению со сплавом В95пч, снижению на 10... 25 МПа сопротивления деформации при температурах прессования и повышению относительного удлинения на 10...40 абс.%.

5. Изучено влияние веерной структуры на комплекс свойств крупногабаритных прессованных полуфабрикатов из сплавов 1161 и 1973. Показано, в подтверждение имеющимся данным для сплава В95пч, что наличие веерной структуры приводит к снижению пластических и ресурсных характеристик в поперечных по ширине и высоте направлениях в отпрессованных с малым коэффициентом вытяжки (А = 7...Э) полуфабрикатах, прошедших искусственное старение. Свойства полуфабрикатов сплава 1161 в естественно состаренном состоянии не зависят от типа структуры.

Увеличение коэффициента вытяжки более 14 способствует существенному видоизменению (дроблению) веерных кристаллов и устраняет их отрицательное влияние на свойства крупногабаритных профилей и панелей в искусственно состаренном состоянии.

6. Изучены, применительно к крупногабаритным прессованным полуфабрикатам, условия образования и природа внутренних дефектов, которые условно можно разделить на две группы: штрихи и расслоения.

Установлено, что указанные дефекты имеют различную природу, обусловленную наследственным влиянием качества слитков. Образование штрихов связано с наличием в металле скоплений частиц окисных плен, а образование расслоений определяется содержанием водорода, развитостью пористости и наличием крупных интерметал-лидов. На появление расслоений в отличие от штрихов в сильной степени сказываются температурно-скоростные условия прессования.

7. Исследованы и определены параметры термоадъюстажной обработки, обеспечивающие высокий уровень механических и коррозионных свойств профилей и панелей. Изучено влияние температур нагреьа под закалку и продолжительности старения на комплекс свойств полуфабрикатов из сплавов Hol и 1973.

.идя изготовления крупногабаритных профилей сплавов ITüI с коэффициентом вытяжки от 6,0 до 12,и разработан режим низкотемпературной термомеханической обработки, включающий: закалку от температуры 495...50и °С, предварительное естественное старение в течение 24...Зо часов, правку растяжением с.остаточной деформацией 2,5...3,0 окончательное естественное старение в течение 24и часов.

о. Па основании изучения основных закономерностей образования структуры сплавов сделаны следующие основные изменения в технологию изготовления крупногабаритных длинномерных профилей и панелей из сплавов 1161 и 1У73:

- внедрена распределительная коробка, обеспечивающая скорость истечения расплава в лунку кристаллизующегося слитка более 0,24 м/с;

- регламентировано суммарное содержание в силачах титана и циркония (но оолее 0,17 /J);

- уточнены режимы гомогенизации и прессования;

- внесен режим низкотемпературной термомеханической обработки крупногабаритных профилей из сплава 1x61.

внесенные изменения позволили получить слитки диаметром до 12ио мм из сплава 1161, диаметром до 645 мм из сплава 1973 и из них крупногабаритные длинномерные профили и панели с однородной зеренпой структурой, без включений первичных интерметалли-дов, содержащих цирконий и титан; с минимальным загрязнением металла оксидом алюминия, с высоким и стабильным уровнем механических свойств.

9. по уточненной технологии отлито и изготовлено более 500 тонн крупногабаритных профилей и панелей из сплавов ПогТ и 197312.

Годовой экономический эффект с учетом долевого участия составил 93,26 тысяч рублей.

МАТЕРИАЛЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУ Ю1Щ РАБОТАХ

1. Кавтаев Е.Е..Захаров М.Ф.»Баратов В.И.,Сухих А.Ю., Зашсовс-

кий В.Б. Особенности производство длинномерных панелей периодического сечения из сплавов Д16ч п В95пч. Вопроси авиационной науки и техники. Серия ТЛС,19й5,вып.6,с.5С-6й.

2. Лисов В.И.,Баратов В.И.,Сухих А.Ю. Исследование качества

промышленных партий крупногабаритных прессованных полуфабрикатов из сплава II6I - Вопроси авиационной науки и техники. Серия ТЛС.19ЬЬ,вш1.2, с.14-19.

3. Кукушкин iu.II. ,оайковский В.Б.,Захаров В.В..Королина Ji.ví.,

Лисов В.И.,Сухих А.Ю. Особенности прессования и качество

профилей алюминиевого сплава 1973.-Вопросы авиационной науки п техники. Серия ТЛС.19Ь91,с.27-32.

4. Сухих A.iu. .Киндышева Т.Г.,Баратов В.И. .Кукушкин iu.fi. .оайно-

вский В.Б. Опыт производства прессованных полуфабрикатов из сплава 1973.-Вопросы авиационной науки и техники. Серия ТЛС. i960, i,' 6, c.23-2G.

5. Замятин В.I'«. .¡Лушников B.C. .малиновскии г.Р.,Сухих А.ь. .Суслов Г.А. Устранение веерной структуры б крупногабаритных слитках из алюминиевых сплавов.-летние мегамли. . .;;12. с.76-7о.

о. лисов В.И. .Сухих A.U. .иахиутова и.А. .Киндышева Т.Г. Исследование качества крупногабаритных прессованных полуфабрикатов из сплава 11Ы. Тезисы доклада jJ научно-технического совещания работников заводских лаборатории. м.,ВИЛС, iybb, c.7ü.

7. Сухих A.aj. .Киндышева Т.Г..банковский B.L..Кукушкин и.П.Смшт производства прессованных изделий из сплава 1973. jjx. научно-техническое совещание работников заводских лабораторий. Тезисы докладов, id., ВЛСС, LK¡v¡3, 19ЬЬ, с.42. о. Кукушкин Ю.Н..Коровина Л.¿vi. .Сухих A.L. Влияние веерной структуры на свойства длинномерных прессованных полуфабрикатов из сплавов д10ч,В95пчТ2,1&731л. 7J± научно-техническое совещание работников заводских лабораторий. Тезисы докладов. КИЛС, LKvio, М., 19ЬЬ. с.43. 9. Замятин ii.ivi. ,1'лушнпкоп B.C. .Каратов В./i.,Сухих Л.i ,1нышев К.и. Процессы разливки, модификации и кристаллизации стали к сплавов. П Всесоюзная конференция по проблемам слитка. Волгоград, 1990, с.46-47. 1и.Авторское свидетельство -'г 141917b.