автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Металлургические и технологические основы свариваемости высокопрочных суперлегких алюминиево-литиевых сплавов



ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ "ВСЕРОССИЙСКИЙ ИНСТИТУТ АВИАЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ"

, На правах рукописи Для служебного пользования О ,/ ™ л Экз. №3

(Ю ((

ЛУКИН ВЛАДИМИР ИВАНОВИЧ

7

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ II ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ОСНОВЫ СВАРИВАЕМОСТИ ВЫСОКОПРОЧНЫХ СУПЕРЛЕГКИХ АЛЮМИНИЕВО-ЛИТИЕВЫХ СПЛАВОВ

Специальность 05.02.01 «Материаловедение (машиностроение)»

Диссертация

в форме научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва, 1998 г

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор В.Г. Давыдов Доктор технических наук, профессор ОМ. Стеклов Доктор технических наук, профессор A.M. Болдырев

Ведущее предприятие - АНПК "МИГ" им. А.И. Микояна

Защита состоится " "г" 1998 г. в " час. на заседании Диссе

тационного Совета (Д 048.02.01) ГНЦ РФ "Всероссийский институт авиационных ма териалов".

С диссертацией в форме научног' технической библиотеке ГНЦ РФ "Р

■"'■^ся в научно-

Диссертация в форме на

Ученый секретарь Диссертационного Совета кандидат химических наук

РОССИЙСКАЯ

гмударствечндя

еивлистыга'

5

Н.Ф. Старостенко

г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одной из важнейших задач мировой тенденции развития научно-технического прогресса является коренное улучшение показателей эксплуатационных характеристик новейших изделий авиакосмической промышленности. Решающее значение при этом приобретает разработка и применение новых высокотехнологичных конструкционных материалов, которые позволяют значительно улучшить весь комплекс параметров летательных аппаратов и, в первую очередь, весовые и аэродинамические характеристики.

К числу таких конструкционных материалов, применяемых при создании изделий авиакосмической техники, относятся высокопрочные алюминиевые сплавы систем А1-Mg и Al-Cu , легированные Ti , Zr , Cr , Mn , Li , Se и др. Наиболее эффективными из них с точки зрения максимальной весовой отдачи (увеличение не только прочности и жесткости, но и удельных характеристик, отнесенных к плотности) являются алюми-ниево-литиевые сплавы (АЛС). Кроме того, применение AJIC в сварных конструкциях в ряде случаев позволяет снизить массу изделий на 15-25% за счет исключения нахлестки, заклепочных и болтовых соединений, а также сокращения объема применения герметиков. Понятно, что столь значительное снижение массы летательного аппарата позволяет повысить тактико-технические характеристики: дальность и продолжительность полета, маневренность и вооруженность, приборную обеспеченность и объем научных экспериментов, выполняемых в космосе.

Таким образом, для реализации технических преимуществ цельно-свариваемых конструкций летательных аппаратов необходимо создание опережающего научно-технологического задела, основным этапом которого являются разработка и внедрение новых свариваемых конструкционных материалов, совершенствование существующих, ; создание высокоэффективных присадочных материалов, применение перспективных источников энергии, разработка совмещенных технологий (сварка-литье, сварка-формообразование в состоянии сверхпластичности металла и др.), а также разработка ■оптимальных подходов при проектировании сварных конструкций из различных полуфабрикатов АЛС.

^ Одним из основных недостатков всех высокопрочных алюминиевых сплавов и, Особенно, крупногабаритных полуфабрикатов в высотном направлении, является пониженная пластичность основного металла и сварных соединений, обусловленная большой насыщенностью твердых растворов, а также химической и структурной неод-

породностью металла. Причем неблагоприятная металлургическая наследственность полуфабрикатов АЛС, приобретаемая в технологической цепочке литье- термообработка - деформация, в ряде случаев не позволяет использовать их для изготовления ответственных сварных конструкций ввиду повышенной склонности к образованию горячих трещин и пористости, а также значительного разупрочнения в зоне сварки. Поэтому задача по разработке новых свариваемых сплавов и улучшению свариваемости известных АЛС, поиску оптимальных составов присадочных материалов с высокой сопротивляемостью к образованию горячих трещин и разработке соответствующих технологий сварки является весьма актуальной. Разработка и внедрение сверхлегких свариваемых АЛС в различных отраслях промышленности - это решение проблемы повышения технико-экономических показателей авиакосмических изделий, укрепление обороноспособности страны, дальнейший прогресс науки и техники.

Цель работы: Разработка ряда новых свариваемых алюминиево-литиевых сплавов и эффективных присадочных материалов, совершенствование существующих, а также выбор оптимальной технологии сварки для создания новейших изделий авиакосмической техники.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

• установить зависимость поведения металла при сварке от металлургической наследственности;

• разработать принципы создания (концепцию) свариваемых сплавов в системе "основной металл-сварочная проволока" применительно к алюминиево-литиевым сплавам на базе диаграмм " состав-свариваемость";

• разработать металлургические и технологические средства повышения качества сварных соединений;

• предложить концепцию создания лито-деформированных и штампо-деформи-рованных сварных конструкций из алюминиево-литиевых сплавов;

• разработать технологическую документацию по сварке изделий авиакосмической техники и внедрить результаты работы в промышленность.

В работе были использованы методы оптической, сканирующей электронной микроскопии, микрорентгеноспектрального, дилатометрического и рентгеноструктур-ного анализов и др. Свойства исследуемых материалов оценивали по результатам разносторонних механических испытаний. Кроме того, в работе использовали методики МВТУ-1-6. ЛТП-1-10 и ряд технологических проб по оценке сопротивляемости горя-

чим трещинам и изменению механических свойств материалов после воздействия термического цикла сварки.

Для компьютерной обработки экспериментальных данных использованы методы математической статистики, планирования эксперимента, регрессионный анализ.

При постановке задач исследований, разработке теоретических предпосылок автор использовал научные идеи, содержащиеся в трудах известных материаловедов и сварщиков: A.A. Бочвара, Г.А. Николаева, Б.Е. Патона, И.Н. Фридляндера, H.H. Прохорова, И. И. Новикова, С.Ф. Лашко, Г.Д. Никифорова, М.Е. Дрица, A.A. Алова, B.C. Золотаревского, В.И. Елагина, Д.Н. Рабкина, М.Х. Шоршорова, Б.Ф. Якушина, А.Я. Ищенко и др., а также зарубежных: Е.А. Starke, J.R. Pickens, E.W. Lee, C.E. Cross, J.J. Witters и др.

Научная новизна работы. Определен механизм образования рыхлот и трещин по зоне сплавления сварного соединения при повторных нагревах АЛС магнапиевой группы, включающий две стадии:

а) обогащение границ зерен магнием и литием вследствие разделительной диффузии между твердой и жидкой фазами под действием термического цикла сварки;

б) образование рыхлот и трещин, вызванных сварочными напряжениями при кристаллизации обогащенных зон после повторного нагрева, из-за пониженной температуры солидуса и увеличения интервала кристаллизации материала обогащенных зон по сравнению с исходным.

Определено, что воздействие температуры является необходимым, но недостаточным условием образования структуры сплава, вызывающей расслоение при тепловой пробе и ухудшение свариваемости. Только совместное воздействие на сплав температуры и деформации, начиная с 400°С и степени деформации ~60%, приводит к заметному изменению морфологии S - фазы (Al, MgLi) на границах зерен, которые из округлых становятся вытянутыми, образуя практически сплошную сетку частиц, вытянутых в направлении деформации, что соответствует максимальному количеству дефектов типа рыхлот и трещин в зоне сплавления.

Установлена взаимосвязь между свойствами деформированных полуфабрикатов и их сварных соединений с полуколичественным показателем текстуры X = lg 1(й0)/1(200). Показано, что характер зависимости показателя от температуры и вида деформации аналогичен характеру изменения коэффициента анизотропии формы зерна и определяет кристаллографическую ориентацию во всех 3-х плоскостях деформирован-

них полуфабрикатов. Установлено, что близкие значения X (0,5 ~ 0,7) во всех трех сечениях показывают большую текстурную однородность, которая обеспечивает существенное повышение свойств сварного соединения.

Впервые показана причинно-следственная связь свариваемости ряда полуфабрикатов из АЛС от лредистории изготовления последних. Определено, что неоптимальный выбор технологии обработки давлением увеличивает степень расслоений по тепловой пробе до Ш-Г/ балла, а количество дефектов типа рыхлот и трещин по основному материалу и зоне сплавления - в 3-5 раз, при этом резко снижаются прочностные характеристики сварных соединений.

Определен механизм данного явления, заключающийся в том, что в процессе горячей деформации крупногабаритных полуфабрикатов, особенно в местах с выраженным градиентом течения сплава, где возможно локальное возрастание температуры выше температуры деформации, происходит перераспределение интерметаллида А1,М"1л. Причем одновременно с изменением формы крупных частиц происходит растворение мелких частиц Б - фазы ,что приводит к обогащению приграничных участков литием и магнием. При сварке сплошной фронт расположения пограничных частиц, что особенно опасно в высотном направлении, обуславливает оплавление границ зерен; последние в условиях стесненной кристаллизации под действием сварочных напряжений образуют усадочные рыхлоты и трещины по зоне сплавления и основному материалу.

Впервые применительно к АЛС показано исключительно эффективное влияние 5с в присадочных материалах на сопротивляемость горячим трещинам и рыхлотам по зоне сплавления. Разработаны математические модели зависимостей показателей свариваемости сплавов магналиевой группы с Ы и Эс от содержания легирующих компонентов в основном и присадочном материале. Определено, что при комплексном легировании присадочного материала Эс, Ъх, Мп суммарное содержание Эс и Ъх не должно превышать 0,8% из-за снижения пластичности литой зоны, вызванного образованием грубых интерметаллидов А135с(2г).

С использованием системного подхода предложен принцип создания присадочных материалов для АЛС, заключающийся в том, что присадочные материалы создаются в одной системе легирования, что и основной материал, причем оптимизация химсостава (как первого, так и второго материала) ведется на базе анализа единой диаграммы "свариваемость-химсостав" с целью получения максимальных показателей сопротив-

ляемости горячим трещинам, прочностных характеристик, ресурсных показателей, весовой отдачи, коррозионной стойкости с учетом технологических и экологических требований.

Показано, что существует пропорциональная связь между прочностью в околошовной зоне (ОШЗ) и запасом деформационной способности металла ОШЗ в температурном интервале хрупкости (ТИХ), проявляющаяся в снижении прочности сварного соединения при частичном исчерпании пластичности металла в ТИХ, которое определяется неблагоприятной морфологией Б - фазы (А2Мд1л) по границам зерен. Это значительно уменьшает сопротивляемость горячим трещинам в ОШЗ из-за расширения в ТИХ до температур 525-530°С, причем сечения поверхностей Вкр.=Д[%К^],[%Ь1]) и Тнг тих=Г([%Г^],[%1л]) с плоскостями постоянных концентраций и предствля-ют собой нисходящие части парабол.

С использованием метода планирования эксперимента построены диаграммы свариваемости сплавов системы А1-\^-Си-1л в зависимости от содержания основных легирующих элементов, которые позволяют оптимизировать химический состав сплавов этой группы, исходя из требуемого улучшения показателей свариваемости основного материала и механических свойств сварных соединений.

Практическая ценность работы. Выполненные научные исследования легли в основу реализованных в промышленности инженерных решений по улучшению свариваемости ряда перспективных высокопрочных алюминиево-литиевых сплавов, выбору и оптимизации прогрессивных способов и технологий сварки изделий.

Предложен комплекс металлургических и технологических мер, направленных на повышение качества сварных соединений, и, как следствие, на повышение эксплуатационной надежности сварных конструкций из АЛС.

При непосредственном участии автора разработан высокопрочный свариваемый сплав 1460, литейный сплав системы А1-1^-1Л, а также ряд высокоэффективных присадочных материалов, легированных скандием, применительно к сварке сплавов систем: А1-Си-1л и А1-К^-Си-Ц АЫ^-Гл-Бс, А1-Си-Ц-8с.

Разработан и предложен ряд оригинальных методов по оценке свариваемости крупногабаритных полуфабрикатов из АЛС.

На основании выполненных исследований разработаны и выпущены нормативные документы на сварку и применение присадочных материалов применительно к сплавам указанной группы, которые внедрены в промышленность: ТР1.2.139-79

«Аргопо-дуговая сварка сплава 1420» (с изменениями к TP); ПИ-1.4.1555-85 «Сварка дуговая алюминиевых и магниевых сплавов в среде защитных газов»; ПИ 756.036-55087 (ПИ-550) «Производственная инструкция по аргоно-дуговой сварке алюминиево-литиевого сплава 1420 с применением флюса ТФА-9»; ТР1.2.623-85 "Термическая обработка полуфабрикатов, деталей и сварных узлов из алюминиевого деформируемого сплава 1420"; ПИ 1.2.286-85 «Изготовление деталей и узлов из алюминиевого деформируемого сплава 1420»; ТР.2.1340-90 «Аргоно-дуговая сварка сплава 1421».

Таким образом, диссертационная работа представляет собой теоретическое обобщение и решение крупной научной проблемы, имеющей важное хозяйственное значение, заключающееся в доработке ряда существующих алюминиево-литиевых сплавов и разработке новых свариваемых сплавов и присадочных материалов на алюминиевой основе и их внедрении при изготовлении сварных изделий авиакосмической промышленности (МИГ-29М, СУ-27, криогенного бака РКК «Энергия» и др.) с комплексом свойств, отвечающих условиям эксплуатации.

Апробация работы. Основные положения и научные результаты работы доложены на 12 международных, всесоюзных, отраслевых конференциях и семинарах, в том числе на VI Международной конференции по ашоминиево-литиевым сплавам в ФРГ (1991г.), на Конгрессах Международного Института Сварки (МИС) и заседаниях Специального комитета МИС «Неразъемные соединения новых материалов и покрытия в авиационной технике» (1992-1996г.г.), на VI Всесоюзной конференции по сварке цветных металлов (1990г.) в г. Мариуполе, на Международной конференции по Композиционным материалам MICC-90 в Москве, на 14-ой Международной конференции по криогенной технике в г. Киеве (1992г.), на научно-технических семинарах МАТИ им. К.Э. Циолковского, ВИАМ, ВИЛС и ИЭС им. Е.О. Патона.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 2-х монографиях, 50 статьях. Разработки, полученные в данной работе, защищены 8 авторскими свидетельствами и 5 патентами; им присуждена Премия Совета Министров СССР за 1988 год "Разработка и внедрение в производство высокоэффективных методов и средств сварки магниевых, алюминиевых и титановых сплавов".

1. ОСОБЕННОСТИ СВАРКИ АЛЮМИНИЕВО-ЛИТИЕВЫХ СПЛАВОВ

Анализ объема применения конструкционных материалов в изделиях авиакос-

мической техники с учетом прогноза показывает, что существует четкая тенденция увеличения использования композиционных материалов и алюминиево-литиевых сплавов при сохранении общего уровня применения сплавов на железной и титановой основах.

Очень важно отметить, что использование АЛС с пониженной плотностью и приемлемыми характеристиками прочности и вязкости разрушения может дать в перспективе такое же снижение веса и стоимости конструкции, как в случае применения композиционных материалов, но не потребует огромных капиталовложений, связанных с разработкой новых технологий и методов проектирования, испытания, изготовления и контроля, эксплуатации и ремонта. Следовательно, повышение характеристик свариваемости и, в первую очередь, роста сопротивляемости образованию горячим трещинам и понижение пористости является важным направлением в области создания новых свариваемых АЛС и высокоэффективных присадочных материалов.

Однако, опыт изготовления герметичных сварных конструкций из АЛС показал, что указанные сплавы имеют повышенную склонность к образованию дефектов в шве, а также в околошовной зоне и связанный с этим перенос места разрушения сварных соединений из литой области в вышеуказанную по сравнении с традиционными алюминиевыми сплавами. К этим видам дефектов относятся цепочки пор в шве и зоне сплавления, рыхлоты, трещины по шву, зо�