автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Разработка металловедческих основ легирования быстрокристаллизованных алюминиевых сплавов, содержащих цинк и магний, и создание на их основе высокопрочных сплавов

На правах рукописи Дда служебного пользования Экз.№

УДК 669.715:621.789

ОСШ1ЦЕВ Олег Евгеньевич

РАЗРАБОТКА МЕТАЛЛОВЕДЧЕСКИХ ОСНОВ ЛЕГИРОВАНИЯ БЫСТРОЗАКРИСТАЛЛИЗОВА1ШЫХ

АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ, СОДЕРЖАЩИХ ЦИНК И МАГНИЙ, И СОЗДАНИЕ НА ИХ ОСНОВЕ ВЫСОКОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ

Специальность 05.02.01 - Материаловедение (Машиностроение)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1999 г.

Работа выполнена на кафедре "Материаловедение и технология обработки материалов" Московскою государственного авиационного технологического университета имени К Э. Циолковского.

Официальные оппоненты: - д.т.н., профессор Колачев Е. А., МАТИ-РГТУ

- д.т.н. профессор Новиков И.И., МИСиС

- д.т.н. Захаров В.В., ВИЛС Ведущее предприятие: - ОАО НПО «Композит»

Защита состоится " 21 " июня 1999 года в 15 часов на заседании Совета Д 065.56.01 по специальности 05.02.01 в области материаловедения в машиностроении в Московском государственной авиационном технологическом университете им. К.Э. Циолковского по адресу. Москва, ул. Оршанская, д.З, МГАТУ им. К.Э. Циолковского Отзыв на автореферат в одном экземпляре (заверенный печатью) просим направить по адресу: 121445, Москва, Г-552, ул. Оршанская, дЗ, МГАТУ им. К.Э. Циолковского.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан" " 1999 года

Ученый секретарь диссертационного Совета,

д.т.н., профессор

А.М. Надежин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность г:)бпты. Современное развитие авиакосмической техники, автомобильной промышленности и других отраслей народного хозяйства требует использования в конструкциях качественно новых легких и высокопрочных материалов, отличающихся высокими эксплуатационными свойствами. К таким материалам относятся деформируемые алюминиевые сплавы, легированные цинком н магнием. Промышленные сплавы, содержащие цинк и магний, относятся к двум системам легирования ¿\1-Zn-Mg и А1-гп-Мя-Си.

Важную роль в сплавах этих систем играют небольшие добавки переходных металлов (Сг, Мп, ТО, а в последние годы стали использовать скандий. Переходные металлы (ПМ) улучшают многие свойс-гаа и являются, по существу, обязательными элементами во всех промышленных сплавах данных систем легирования. Повышению прочностных свойств этих сплавов может способствовать увеличение концешрацин как основных легирующих компонентов, так и переходных металлов. Однако эти возможности ограничены при использовании традиционной технологии получения слитков методом непрерывного литья.

Дальнейший прогресс в области создання высокопрочных сплавов на основе систем л А]-2п-!^-С11 связан с получением литой заготовки в виде мелких

частиц - гранул, получаемых с высокими скоростями охлаждения при кристаллизации, порядка 103-104 К/с. Метод быстрой кристаллизации использовался в данной работе для получения сплавов. Большой научный вклад в теорию и разработку технологии получеши быстрозакристаллизованных частиц и деформированных полуфабрикатов из них внесли российские ученые: И.С. Мирошниченко, А.И. Колпашников, Б.С. Митин, Б.И. Бондарев и многие другие. Проведенные под руководством В.И Добаткина, В И. Елагина, И.Н. Фридляндера и других ученых исследования позволили разработагь целый ряд принципиально новых гранулируемых алюминиевых сплавов.

Задача создания высокопрочных быстрозакрнсталлизованных алюминиевых сплавов, легированных цинком и магнием, может быть решена при знании металловедческих закономерностей влияния основных компонентов и переходных металлов на структуру, механические, технологические свойства и коррозионную стойкость сплавов. Исследования по этим вопросам были весьма неполными и не систематизированы. Все это определило актуальность проведения данных исследований.

Цель работы. Целью настоящей работы является разработка новых быстрозакристаллизованиых алюминиевых сплавов, содержащих цинк и магний, с высоким» прочностными свойствами и высокой коррозионной стойкостью для сварных и неевариваемых. конструкций и разработка режимов упрочняющей термической обработки полуфабрикатов из этих сплавов.

Основные задачи работы. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.

1 Установить общие закономерности, характеризующие влияние концентрации основных легирующих элементов и переходных металлов, морфологии и природы частиц избыточных фаз, зеренной и субзеренкой структуры твердого раствора, текстуры деформации на механизм упрочнения, свариваемость, коррозионную стойкость, деформируемость быстрозакристаллизованиых алюминиевых сплавов, содержащих цинк и магний, и разработать на этой основе принципы легирования высокопрочных алюминиевых сплавов, предназначенных для сварных и несваривасмых конструкций.

2. Основываясь на установленных принципах легирования быстрозакристаллизованиых алюминиевых сплавов, путем целенаправленного изменения химического состава (основных компонентов и переходных металлов), разработать и опробовать в промышленных условиях новые высокопрочные сплавы, содержащие цинк и магний.

3. Изучить закономерности изменения структуры и свойств при термической обработке быстрозакристаллизованиых алюминиевых сплавов и на их основе разработать оптимальные режимы закалки и старения.

4. Основываясь на установленных закономерностях изменения структуры и свойств, уточнить технологические режимы переработки быстрозакристаллизованиых частиц сплавов, содержащих цинк и магний, в деформированные полуфабрикаты, позволяющие получать высокий уровень механических и технологических свойств.

Научные результаты и пгоишна работы

1. На основании установленных закономерностей влияния основных компонентов и переходных металлов на структуру и свойства быстрозакристаллизованных алюминиевых сплавов, легированных цинком и магнием, объяснен механизм упрочнения этих материалов; предложено уравнение, позволяющее учитывать отдельные составляющие прочности, и разработана методика определения количественных значений этих составляющих.

2. Предложена классификация многокомпонентных диаграмм состояния алюминий - переходные металлы и основная композиция сплава - переходные металлы, на основе которой разработана методика физико-химического анализа быстрозакристаллизованных алюминиевых сплавов, легированных цинком и магнием, позволяющая выбирать наиболее перспективные сочетания переходных металлов для создания высокопрочных сплавов.

3. На основании установленных закономерностей и общих теоретических положений разработаны принципы легирования высокопрочных быстрозакристаллизованных сплавов систем - А1-£п-1>.%-(Си), основанные на идее комплексного легирования такими переходными металлами, которые не образуют между собой и основными компонентами тройных и более сложных по составу интерметаллидных фаз и усиливают упрочняющее действие друг друга, а в свариваемых сплавах оказывают модифицирующее действие при формировании структуры сварных швов Примерами гаких элементов являются металлы УША группы (кобальт, никель) и цирконий.

4. На основании установленных закономерностей по влиянию содержания основных легирующих компонентов на структуру и свойства быстрозакристаллизованных сплавов системы А.1-2п-М§-(Си) установлено ш предельное суммарное содержание и соотношение, обеспечивающее получение оптимального комплекса свойств - высокой прочности и коррозионной стойкости.

- для сплавов системы А1-2п-М§ суммарное содержание цинка и магния не должно превышать 8-9% при отношении 7и/М§"=1,7; при оптимальном содержании переходных металлов такое количество основных компонентов обеспечивает получение гсв ~ 550-600 МПа, 5 = 6-8%, при высокой стойкости против коррозионного растрескивания под напряжением основного металла и сварных соединений;

- для сплавов системы |М-2п-М§-Си, предназначенных для нссвариваемых конструкций, предельное суммарное содержание основных компонентов не должно

превышать 16-16,5% при оптимальном отношении и М&'Си~2 для любого

суммарного содержания основных компонентов, такое количество основных компонентов при оптимальном содержании переходных металлов обеспечивает получение ов >800 МПа, 5=4-6°/», при высокой стойкости против коррозионного растрескивания под напряжением.

5. Изучено влияние переходных металлов на структуру и свойства закристаллизованных при высоких скоростях охлаждения (10М04 К/с) алюминиевых сплавов, содержащих цинк и магний, и установлены следующие закономерности:

- все исследованные переходные металлы (Сг, Мп, 7л, Тл, №, Эс, Ре, Со, №) образуют дисперсные алюминиды, не содержащие (за исключением хрома) основных легирующих компонентов, либо непосредственно в процессе быстрой кристаллизации расплава (металлы \'ША группы), либо за счет выделения из пересыщенного твердого раствора при последующей переработке гранул в деформированные полуфабрикаты;

- при комплексном легировании сплавов несколькими переходными металлами установлена возможность растворения третьего компонента в некоторых алюминидах титана в фазе железа и никеля в кобальтовой фазе М9С02 и тд, что уменьшает количество интерметаллидных фаз в сплавах, изменяет размеры частиц и положительно сказывается на характеристиках пластичности основного металла и сварных соединений;

- хром, при высокой его концентрации (0,5-1,0%) образует фазу ЕШ^Мз^Сг;), при этом уменьшается содержание магния в твердом растворе и понижается эффект упрочнения при старении сплавов, легированных цинком и магнием.

6. На основании изучения кинетики старения сплавов предложена схема распада пересыщенного основными компонентами твердого раствора и построена диаграмма темперагурно-временных условий существованш зон Гинье-Престона в быстроз&кристаялизованном сплаве системы которая является основой для выбора режимов упрочняющей термической обработки.

Практическая значимость и реализация результатов работы

На основании проведенных исследований разработаны высокопрочные быстрозакристаллизованные сплавы 01949, 01959 и 01979 (ТУ1-809-783-98). Сплавы 01959 и 01979 по прочностным свойствам и коррозионной стойкости превосходят стандартные высокопрочные алюминиевые сплавы системы А1-2п-1^-Си, которые изготавливают из слитков. Из них в условиях серийных заводов (ЗЛС, КрАМЗ) изготавливают прессованные полуфабрикаты (прутки, трубы, профили), а также штамповки. В АО Полиметмаш произведены исследования по использованию деталей специального назначения из высокопрочного сплава 01979 вместо деталей нз стали 30ХГСА. Исследования показали, что замена деталей из стали ЗОХГСА на детали из алюминиевого сплава 01979 позволит повысить ресурс работы агрегата в 1,8 раза за счет снижения инерционной массы изделия, работающего в условиях циклических динамических нагрузок

Сплав 01949 (система А1-2п-М§) - наиболее прочный среди свариваемых алюминиевых сплавов. Из него изготавливают листы толщиной 1,5-2,0 мм и трубы диаметром 18-25 мм с толщиной стенки 1,0 мм. Из прессованных тонкостенных груб с применением метода аргонодуговой сварки в АО ОКБ им. Сухого изготовлен сварной каркас инвалидных колясок взамен ранее применявшихся для этих целей титановых и стальных труб. Это привело к снижению веса колясок в среднем на 20%. В Московском институте теплотехники (МИТе) из штампованных заготовок сплава 01949 с применением АДС и ЭЛС изготовлены шаробаллоны высокого давления, которые изготавливали из высокопрочной стали. Применение алюминиевого сплава 01949 взамен стали позволило снизить вес шаробаллонов более, чем в 2 раза. Высокий комплекс прочностных свойств основного металла и сварных соединений, а также высокая коррозионная стойкость позволяют считать сплав 01949 перспективным материалом для сварных конструкций изделий авиакосмической техники

Внедрение результатов работы в промышленность позволило обеспечить экономический эффект 645 млн. рублей в ценах 1996 г.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на 2-х Международных и 16 Всесоюзных, Российских и отраслевых конференциях и семинарах. В том числе: на I. И и III Всесоюзных конференциях по металлургии гранул (г Москва - 1983, 1987, 1991 гг) на 1 (г. Томск, 1992 г) и II (г. Сиань, 1993 г) советско-китайском симпозиуме; на пяти Российских научно-технических конференциях "Новые материалы и технологии" (г. Москва 1992-1997 гг).

Результаты диссертации нашли отражение в работах, представленных на выставке "Прогресс-90" и удостоенных бронзовой медалью ВДНХ СССР.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано более 50 рабог, в том числе две книги, 28 статей и 8 авторских свидетельств.

Структура и обьем диссертации. Диссертация содержит 217 страниц машинописного текста, 99 рисунков, 50 таблиц. Работа состоит из введения, 8 глав, общих выводов, списка литературы из 348 наименований, приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава I. Общая характеристика деформируемых сплавов систем А1-Хп-М« и Л1-гп-М£-Си.

Алюминиевые деформируемые сплавы, легированные цинком н магнием, широко применяются в отечественной и зарубежной промышленности. Это связано прежде всего с тем, что из всех легирующих компонентов цинк и магний отличаются самой высокой растворимостью в алюминии при повышенных температурах. Резкое уменьшение растворимости этих компонентов в алюминии с понижением температуры создает предпосылки к применению упрочняющей термической обработки (закалки с последующим старением) этих сплавов.

Промышленные сплавы, содержащие циик и магний, относятся к двум системам легирования и А1-£п-М$-Си Их объединяет способность к упрочняющей

термической обработке, сходный механизм распада пересыщенного твердого раствора яри искусственном старении, чувствительность к некоторым видам коррозии и т д Однако сплавы систем А1-2п-1у^ н А1-2п-1у^-Си имеют ряд специфических особенностей, которые требуют различного подхода при разработке быстрозакристаллизованных сплавов на основе этих систем.

Сплавы на основе системы А1-2п-М£ характеризуются рядом свойств, благодаря которым их применяют и сварных конструкциях. К достоинствам этих сплавов огноешхя хорошая свариваемость, высокая общая коррозионная стойкость. Они отличаются высокой технологичностью при производстве деформированных полуфабрикатов Однако сплавы системы А1-гп-М§ в определенных условиях подвержены коррозионному растрескиванию под напряжением, которое проявляется в различной степени в зависимости от суммарного содержания и соотношения цинка и магния в

сплаве, от количества других легирующих элементов, а также от структурного состояния сплава.

Другой важной группой конструкционных материалов на основе алюминия, легированных цинком и магнием, являются сплавы четырехкомпонентной системы А1-2п-?^-Си. В этих сплавах наряду с цинком и магнием основным легирующим компонентом является медь. Поскольку при высоком содержании (>1%) медь повышает стойкость против коррозионного растрескивания под напряжением, суммарное содержание цинка и магния в этих сплавах выше, чем в сплавах тройной системы А1-2п-

На основе системы А1-2п-К%-Си разработаны самые высокопрочные конструкционные алюминиевые сплавы Они относятся к категории несвариваемых сплавов

Анализ литературных данных показывает, что задача создания более прочных сплавов на основе систем и А1-7п-М£-Си , отличающихся высокой

коррозионной стойкостью, технологичностью, может быть решена с использованием технологии быстрой кристаллизации. Возможность улучшения свойств алюминиевых сплавов обусловлена спецификой этого метода, позволяющей:

- значительно увеличить растворимость переходных металлов, хрома, марганца, циркония 1! др. в алюминиевом твердом растворе;

- резко диспергировать все структурные составляющие сплавов, в том числе первичные интерметаллидьг и эвтектики;

- ввести в сосгав такие элементы, легирование которыми невозможно при традиционном методе изготовления материалов т слитков;

- образовывать новые метастабильные упрочняющие фазы и реализовать дополнительные механизмы упрочнения сплавов.

Разработка высокопрочных быстрозакристаллизованных сплавов требует различного методического подхода для сплавов систем А1-2п-М§ и А1-2п-\^-Си. Это связано прежде всего с теп, что при производстве изделий из быстрозакристаллизованных свариваемых сплавов системы А1-£п-Мд должны сочетаться альтернативные технологии, которые по разному влияют на структуру, а следовательно, и на свойства. С одной стороны, улучшение свойств сплавов связано с использованием быстрой кристаллизации при получении гранул. С другой стороны, сварка плавлением из-за относительно низких скоростей кристаллизации жидкого металла, по сравнению с гранулами, дает обратный эффект: приводит к огрублению структуры, к появлению крупных первичных интерметаллидов и многофазных эвтектик в литой зоне шва. Такая структура может привести к понижению пластичности и вязкости сварных соединений, а

в ряде случаев и к снижению коррозионной стойкости материала. В высокопрочных быстрозакристаллизованных сплавах системы AI-Zn-Mg-Cu , которые предназначены для несвариваемых конструкций, этой проблемы нет. Однако, как показали исследования, проведенные в нашей стране и за рубежом, повышение предела прочности алюминиевых сплавов, получаемых по стандартной технологии из слитков, до уровня 800 МПа приводит к катастрофическому снижению пластичности. Все это требует внесения определенных корректив при разработке принципов легирования быстрозакристаллизованных сплавов систем Al-Zn-Mg и Al-Zn-Mg-Cu.

Разработка составов высокопрочных быстрозакристаллизованных сплавов системы AI-Zn-Mg-(Cu) осложняется тем, что в настоящее время практически отсутствуют четырехкомиоиентиые и более сложные диаграммы состояния A!-Zn-Mg-(Cu)-riM и тем более нет диаграмм метастабнльных равновесий в этих системах, которые получают в условиях высокоскоростной кристаллизации Поэтому при выборе добавок переходных металлов приходится ориентироваться на сведения по двойным системам. Так, при скоростях охлаждения 103-104К/с, которые достигаются при литье гранул, для двойных систем А1-ПМ в твердом растворе может быть растворено до 1,8-2,0% Zr; 2,0-2,5% Сг, 1,0-1,2% Ti. Однако для сплавов систем Al-Zn-Mg-(Cu) концентрации этих металлов в твердом растворе будут, очевидно, существенно меньше и для каждого конкретного сплава должны быть определены экспериментально. Это потребовано разработки мешдики физико-химического анализа, основанной на предложенной в работе классификации многокомпонентных диаграмм состояния алюминий - переходные металлы и поэтапном изучении влияния основных компонентов и переходных металлов на структуру и свойства быстрозакристаллизованных сплавов

Глава II. Физико-химический анализ взаимодействия компонентов

в быстрозакристаллизованных сплавах системы Al-Zn-Mg-(Cu)-IIM

В диссертации разработана методика физико-химического анализа взаимодействия компонентов, облегчающая поиск новых составов сплавов. При этом учитывалось, что высокопрочные быстрозакристаллизовайные сплавы системы Al-Zn-Mg-(Cu)-IIM - это материалы с комбинированным упрочнением: упрочнением от основных компонентов (цинка, магния, меди) и о г переходных металлов Поэтому при разработке сплавов исследователь неизбежно должен решать вопрос о том, каков характер взаимодействия в многокомпонентном сплаве между переходными металлами с одной стороны, и между

основными компонентами ч переходными металлами с другой. От того, насколько успешно будет решена эта задача, зависит в конечном итоге путь поиска оптимального состава сплава.

На основании обобщения литературных данных по двойным и многокомпонентным системам А1-ПМ , и основываясь на собственных исследованиях по фазовым равновесиям в быстрозакристаллизосанных сплавах системы А1-2п-Ме-(Си)-ПМ, в работе предложено все многообразие диаграмм состояния алюминий - переходные металлы и основная композиция сплава - переходные металлы при рассмотрении их перспективности свести к пяти типовым схемам диаграмм состояния. Эта классификация диаграмм состояния лежит в основе метода физико-химического анализа быстрозакристаллизованных сплавов.

Эти диаграммы состояния в виде изотермических сечений представлены на рнс. 1.

Условные обозначения следующие:

А - основа сплава (алюминий) или основная композита;

В,С - легирующие компоненты (переходные металлы);

МьМ2 - алюмшшды переходных металлов, находящиеся в равновесии с алюминиевым твердым раствором;

Мз - шггерметаллидная фаза, из системы В-С;

5 - тройная интерметаллидная фаза.

Следует отметить, что при анализе физико-химического взаимодействия между основными компонентами и переходными металлами, один из элементов (В или С) является осноеным компонентом.

Проанализируем фазовые равновесия в многокомпонентных системах, основываясь на пяти типовых диаграммах состояния, представленных на рис 1. Если на предварительных этапах исследования установлено, что алюмшшды М| и М?. являются эффективными улрочнителями быстрозакристаллизованных сплавов, то только первый вариант изотермического сечения относится к перспективным системам. Только в такой системе в равновесии с алюминиевым твердым раствором находятся алюмшшды (М] и \Ь), которые обеспечивают получение наиболее высоких свойств при индивидуальном присутствии в сплавах. В остальных четырех системах, представленных на рис. 1, такой ситуации нет. в равновесии с алюминиевым твердым раствором будут находиться фазы 8 и/или М3 , присутствие которых в структуре сплавов по ряду причин считаегся нежелательным.

в в

в в в

Рис. 1. Основные типы диаграмм состояния систем на основе алюминия с переходными металлами (изотермические сечения (схемы))

В связи с поставленной целью исследования и с учетом разработанной методики физико-химического анализа был предложен и реализован следующий поэтапный принцип разработки высокопрочных быстрозакристаллизованных сплавов на основе систем А1-7.п-М°-(Си)-ПМ.

Сначала необходимо определить максимальное суммарное содержание цинка, магния и меди и оптимальное соотношение этих компонентов в быстрозакристаллизованных сплавах Для этой цели должны быть приготовлены модельные сплавы с постоянным содержанием переходных металлов (или без них), в которых изменяется содержание и отношение только основных компонентов.

После завершения этих исследований можно переходить к выполнению второй задачи: изучению влияния переходных металлов на структуру и свойства и установлению вклада отдельных факторов в механизм упрочнения быстрозакристаллизованных сплавов системы А1-2п-\^-(Си) Иа этом этапе исследования выбор ПМ должен осуществляться с учетом разработанной классификации диаграмм состояния А1-ПМ. Для этого

необходимо приготовить сплавы с постоянным содержанием основных компонентов, в которые совместно или порознь вводятся различные переходные металлы.

Только после завершения этих исследований на основании установленных принципов легирования этих сплавов переходными металлами можно переходить к заключительному этапу - разработке конкретных составов сплавов и режимов их термической обработки.

Подтверждением эффективности использования предложенной методики физико-химического анализа является выполненные в рамках данной работы с применением математического планирования эксперимента исследования по определению роли хрома, циркония и кобальта в быстрозахристаллизованных сплавах систем и А1-

гп-Мо-Си-ПМ. В работе установлено, что система А1-Со-2г, по принятой классификации, относится по характеру физико-химического взаимодействия к первому типу диаграмм состояния, а система А1-2п-\^-Сг - ко второму. Эти закономерности подтверждены при создании новых сплавов; кобальт и цирконий являются обязательными компонентами сплавов 01949, 01959 и 01979. Хром же из состава этих сплавов исключен как элемент, уменьшающий эффект старения, или его содержание сведено к минимуму (сплав 01949).

Глава III. Материалы для исследования, способы их получения и методика проведения эксперимента

Объектом исследования являлись алюминиевые сплавы, содержанию цинк и магний, систем и А1-2п-К^-Си При проведении работы использовали

многокомпонентные сплавы этих систем, дополнительного легированные переходными металлами (Мп, Сг, П, '¿т, МЬ, вс, Со, Ре). Сплавы получали методом гранульной металлургии Использовался способ центробежного литья с охлаждением гранул в воде, что обеспечивало получение скорости охлаждения при кристаллизации 103 - 104 К/с. Для изучения влияния скорости охлаждения при кристаллизации на структуру и свойства опытных сплавов литые заготовки получали также в виде слитков различных размеров, что обеспечивало получение скоростей охлаждения при кристаллизации 10° - 1С2 К/'с Исследовали литье заготовки, а также прессованные и катаные полуфабрикаты из модельных и промышленных сплавов.

При изучении структуры и фазового состава сплавов использовали методы количественной металлографии, просвечивающей и растровой электронной

микроскопии, реттеноструюурного и микрорентгеноспсктрального анализов, физические методы исследования (резистометрический, дифференциальной сканирующей калориметрии, дифференциальный термический анализ), методы механических испытаний с определением твердости, микротвердости, ав, Оод, 5, КСи.

Изучение коррозионных свойств с определением коррозии под напряжением, характеристик конструкционной прочности проводили с использованием стандартных методов испытаний Оценка свариваемости включала определения склонности к образованию кристаллизационных трещин, пористости по результатам рентгеноконтроля, механических и коррозионных свойств сварных соединений. Обработку результатов количественной металлографии и механических испытаний проводили с использованием стандартных статистических методов.

Глава IV. Исследование влияния основных компонентов на структу ру и свойства быстрозакристаллизованных сплавов системы А1-7п-Мц

В соответствии с методикой физико-химического анализа сначала было определено допустимое суммарное содержание цинка и магния в быстрозакристаллизованных свариваемых сплавах, а также установлено оптимальное отношение этих элементов. Для этой цели были приготовлены три группы быстрозакристаллизованных модельных сплавов с суммарным содержанием цинка и магния 6,5; 8,0 и 10% и различным отношением этих элементов.

Сплавы легировали обычными для свариваемых сплавов системы А1-2п-Л^ переходными металлами: Сг, Мп, Ъ и П. Чтобы исключить влияние переходных металлов на свойства, содержание их во всех сплавах было постоянным и составляло 1,3% Для определения эффекта упрочнения от переходных металлов одновременно были приготовлены сплавы того же состава по содержанию основных компонентов, но без переходных металлов.

Исследования проводили на прессованных прутках диаметром 12 мм, полученных из гранул. Механические свойства определяли после закалки и искусственного старения по режиму - 120=С, 25 ч.

Результаты механических испытаний показывают, что в свежезакаленном состоянии с. увеличением содержания магния при одинаковом суммарном содержании цинка и магния прочностные свойства егшаьов монотонно возрастают. Такая

закономерность наблюдается как у сплавов без переходных металлов, так и у сплавов, легированных переходными металлами.

Закономерности изменения механических свойств от состава сплавов после искусственног о старения иные. На кривых изменения прочностных свойств от состава имеется четко выраженный максимум для всех трех )рупп сплавов с суммарным содержанием цинка и магния 6,5; 8 и 10% (рис. 2).

в'Рог. МПа

600

400

200

Т^Мд^п,)

Т(А|гМд/п,)

Т(А1гМд,гп3)

о

/

/ к >

о

у\\ V, а<=2

;

1

Со,г

о

5,% 20 15 10

5,5 3,5 1,5 Г 6 4 2 9 7 5 3 %

1 3 5 1 2 4 6 1 3 5 7 Мд, %

(гп+Мд)=6,5% (2ги-Мд)=8,0% (2п+Мд)=10%

Рис 2. Зависимость механических свойств сплавов системы легированных переходными металлами, после искусственного старения от отношения цинка и магния при постоянном содержании (Хв + М§): 6,5%; 8,0% и 10%

Наличие максимума на кривых изменения прочностных свойств от состава связано с изменением природы упрочняющих фаз, выделяющихся при старении, при изменении отношения а также с особенностями строения поверхности сольвуса в тройной

системе /\J-Zn-Mg. Он соответствует выделению при старении мегастабильной фазы, которая является наиболее сильным упрочнителем сплавов системы А1-

гп-Мё.

На основании анализа структуры и механических свойств сплавов трех групп с суммарным содержанием цинка и магния 6,5; 8 и 10% для дальнейших исследований выбрано по одному сплаву из каждой группы с максимальными значениями прочностных свойств. Составы этих сплавов, их .механические свойства и эффекты упрочнения от легирования переходными металлами представлены в таблице 1.

Таблица 1

Химический состав и механические свойства после искусственного старения прутков

из модельных сплавов

Zn, Mg, Наличие переходных Сумма Zn и Mg, OB, МПа <?<1.2, МПа 5, % Эффект упрочнения от ПМ

% % металлов % ДСТв,МПа ДСТо.?,МПа

4,5 4,5 2,0 2,0 Cr.Zr,Mn,Ti 6,5 410 535 315 425 16,5 12.5 125 110

5,0 5,0 3,0 3,0 Cr,Zr.Mn,Ti 8,0 500 650 410 540 12,0 9,0 105 130

6,0 6.0 4.0 4,0 Cr,Zr,Mn.Ti 10 550 725 445 660 7.5 5.6 175 215

Анализ табл. 1 показывает, что увеличение суммарного содержания цинка и магния приводит к повышению прочностных свойств и снижению характеристик пластичности Эффект упрочнения от легирования переходными металлами по изменению ав и сти,2 для сплавов различного химического состава составляет 100-200 МПа.

В работе также изучали влияние скорости охлаждения при кристаллизации на структуру сплавов. Для этой цели литые заготовки получали в виде слитков различных размеров и гранул, что обеспечивало изменение скорости кристаллизации к диапазоне 10"-104 К/с.

Характеристики структурных составляющих определяя!! методом количественной металлографии, химический состав фаз - методом микрореитгеноспектрального анализа.

Анализ литой структуры показал:

- слитки и гранулы имеют дендритное строение;

- структура гранул по сравнению со структурой слитков сильно диспергирована, резко уменьшаются размеры дендритных ячеек, выделения первичных алюминидов переходных металлов подавляются.

Установлена зависимость размера дендритной ячейки и объемной доли интерметаллидных фаз от скорости охлаждения. Получена эмпирическая зависимость дендритного параметра (d) от скорости охлаждения (V0M) для сплава с суммарным содержанием цинка и магния 8% :

d= 250 Уои-°'38 •

Результаты фазового анализа слитков и гранул позволили установить следующее:

- в слитках и (ранулах на границах дендритных ячеек выделяется фаза ТХАШ^п,);

- увеличение скорости охлаждения при кристаллизации не изменяет концентрацию цинка и магния в алюминиевом твердом растворе, она зависит только от суммарного содержания этих элементов в сплаве;

- в структуре слитков сплавов, легированных переходными металлами, обнаружены алюмшшды циркония, хрома и марганца: Л132г, А1{Мп и Е(А1№Сг2М§з)-фаза. Только в состав адюминида хрома (Е-фаза) входит основной компонент - магний.

Определяющее значение при выборе составов сплавов системы А1-2п-М£ имеет их стойкость против коррозионного растрескивания под напряжением. Поэтому на заключительном этапе исследований проводилась оценка свариваемости и стойкости против коррозионного растрескивания (КР) под напряжением основного металла и сварных соединений Исследования проводили на листах толщиной 2 мм. Листы подвергались закалке и искусственному старению по режиму 120"С, 20 ч. Аргонодуговую сварку осуществляли по стандартной для алюминиевых сплавов методике с использованием сварочной проволоки из сплава Св 1557. База при испытаниях на КР под напряжением составляла 90 суток.

Анализ результатов испытаний, представленных в таблице 2, показывает, что листы всех трех сплавов выдержали контрольный срок испытаний на КР под

Таблица 2

Механические свойства и результаты испытаний на сопротивление коррозионному растрескиванию под напряжением сплавов системы

Содержание основных компонентов, % Сумма гп+мя, % Основной металл Сварное соединение

Св, МПа МПа 8, % Время до разрушения образцов, сутки С7СВ, МБ а Время до разрушения образцов, сутки

А1-4,5Хп-2, ОМй-ПМ* 6,5 460490 390410 9,810,7 >90(10)" 430460 >90(10)

А]-5,02п-3,0\%-П.М 8 525555 480505 7,78,2 >90(10) 505535 >90(10)

А]-6,02п-4,01У^-ПМ 10 670695 610630 6,38,0 >90(10) 650680 12(4) 17(6)

ГШ - переходные металлы; - в скобках указано количество образцов, выдержавших указанное количество суток

напряжением и были сняты с испытаний. Сварные соединения сплавов с суммарным содержанием цинка н магния 6,5 и 8,0% также обладают высокой устойчивостью против КР под напряжением. И только при суммарном содержании цинка и магния 10% сварные соединения проявляют повышенную чувствительность к КР под напряжением.

В работе также изучали влияние малых добавок меди (<1%) на свариваемость быстрозакристаллизованных сплавов. Эти исследования проводили совместно с К С. Походаевым, В.Ю. Конкевичем и В.Н Мироненно. Они показали, что медь ухудшает свариваемость быстрозакристаллизованных сплавов системы АИп-Мц: медь повышает склонность сплавов к образованию кристаллизационных трещин, существенно снижаются характеристики пластичности сварных соединений. Мнкроструктурные исследования показали, что низкие значения пластичности и вязкости сварных соединений сплавов с добавками меди связаны с наличием хрупких прослоек эвтектических медьсодержащих фаз на границах дендритных ячеек в литой зоне шва Поэтому введение в быстрозакристаллнзованные свариваемые сплавы системы А1-2п-М£ добавок меди нецелесообразно.

Таким образом, проведенное исследование показало, что применение метода быстрой кристаллизации позволяет в сплавах системы А1-2п-К%, предназначенных для сварных конструкций, увеличить суммарное содержание цинка и магния до 8-9%. Это предопределяет возможность существенного повышения прочностных свойств этих сплавов.

Оптимальное сочетание свойств имеет сплав А!-5%гп-3%1^-11М с отношением - 1,7. Поэтому именно эта композиция сплава являлась базовой при исследовании влияния переходных металлов на структуру и свойства быстрозакристаллизованных сплавов системы А1-2л-М£.

Глава V7. Исследование закономерностей влиянии переходных металлов на структуру и свойства быстрозакристаллизованных сплавов системы А1-Хп-М§

Как уже отмечалось, проблема повышения устойчивости против коррозионного растрескивания под напряжением, повышения прочностных свойств и улучшения свариваемости стандартных сплавов системы А1-2п-М£ решается введением в их состав небольших добавок- переходных металлов: хрома, марганца, циркония I! титана. Именно эти металлы содержатся в составе большинства свариваемых сплавов данной системы.

По такому же принципу создан первый отечественный быстрозакрнсталлизованшлй сплав О i 995 системы Al-Zn-Mg: он содержит те же переходные металлы.

В связи с этим, необходимо было оценить роль каждого из этих металлов в упрочнении и решить вопрос: можно ли использовать при создании быстрозакристаллизовапных сплавов системы Al-Zn-Mg те принципы легирования переходными металлами, которыми руководствуются при разработке стандартных сплавов.

Задачу решали методом математического планирования эксперимента. Использовали полный факторный эксперимент с матрицей 23. Сплавы готовили по технологии гранульной металлургии. Базовой композицией всех сплавов был найденный на первом этапе исследований состав Al-5%Zn-3%Mg Содержание -гитана, играющего роль модификатора при сварке, также поддерживалось на постоянном уровне и составляло 0,2%. Исследования проводили на прутках диаметром 12 мм Сплавы подвергались закалке с 470°С и искусственному старению по режиму 120°С, 20 ч В качестве независимых переменных выбраны: содержание марганца (Xi), хрома (Хг) и циркония (Хз). Параметрами оптимизации являлись механические свойства сплавов' овСУ]), сгвдСУг), 5(У3) Состав варьируемых элементов, основные параметры факторов и механические свойства приведены в таблице 3. Основной уровень был установлен по содержанию переходных металлов в сплаве 01995.

Таблица 3

Химический состав и механические свойства сплавов Al-5%Zn-3%Mg-0,2%Ti

Содержание переходных металлов, % СТв, Сод, 5,

Mn(Xi), Сг(Х2) Zr(X3) MI 1а МПа %

1,2 1,2 1,2 597 562 3.2

0,2 1,2 1,2 574 536 5,0

1,2 0,2 1,2 597 565 3,2

0,2 0,2 1,2 602 568 8.0

1,2 1,2 0,2 469 421 4,0

0,2 1,2 0,2 489 390 7,2

1,2 0,2 0,2 606 541 8,8

0,2 0,2 0,2 587 542 8,7

0,7 0,7 0,7 589 528 5,2

После реализации полного факторного эксперимента получены следующие уравнения регрессии

У,(0В) - 565,1 - 32,9Хг + 27,4Хз + 25,9Х2Х3 + 8,4X1X2X3;

У:(оо,2) = 515,6 + 6,6Х, - 38,4Хз + 42,1Х3 + 7,6Х,Х2 т 29,6Х2ХЭ;

Уз(б) = 6,01 - 1,21X1 - 1,16Х2 - 1,16Х3 - 0,44X1X2 + 0,41ХгХз + 0,79Х1Х2Хз

Анализ полученных уравнений регрессии показывает, что использовать при создании быстрозакристаллизованных сплавов те принципы, которыми руководствуются при легировании стандартных сплавов системы А1-гп-М§, нельзя. Так, например, марганец, который вводят во все стандартные сплавы, в быстрозакристаллизованных сплавах малоэффективен, хром, который используется в количестве 0,05-0,25% для повышения прочностных свойств и коррозионной стойкости, дал отрицательный эффект упрочнения, и только цирконий оказался очень эффективным упрочнителем.

Для решения вопроса о принципах легирования быстрозакристаллизованных сплавов, содержащих цинк и магний, необходимо было;

1) установить механизм упрочнения этих материалов;

2) выделить отдельные факторы упрочнения в этом механизме;

3) найти методику, позволяющую определять отдельные составляющие прочности в одном материале.

В работе предложено уравнение, в котором разделены в виде отдельных слагаемых составляющие прочности быстрозакристаллизованных сплавов:

<з = его +Дс>) +Ас>2 + Лстз где о- прочность сплава; Со - прочность эталонного сплава в свежезакаленном состоянии, она определяет твердорастворное упрочнение, Дет! и До2 учитывают вклад в суммарную прочность (о) дисперсионного твердения при старении от основных компонентов и упрочнения за счет легирования переходными металлами соответственно. Слагаемое До3 учитывает влияние переходных металлов на эффект старения.

В работе также разработана методика, позволяющая определять отдельные составляющие упрочнения и величину их взаимного влияния друг на друга. Для этого использовался эталонный сплав без переходных металлов, а также для каждого сплава с целью определения максимального эффекта старения строили кинетические кривые старения по изменению механических свойств. В качестве показателя прочностных свойств использовали предел текучести (00,2), который, как известно, наиболее чувствителен к структурному состоянию сплава.

Для исследования были приготовлены сплавы с одинаковым содержанием основных компонентов (А1-5%7п-3%К%) и отличающиеся содержанием переходных металлов (таблица 4).

Таблица 4

Содержание переходных металлов в сплавах и значения составляют!«

прочности (а)

Содержание переходных металлов, % Составляющие (У СГ,

Сг Ъх Мп Со № Ре АСТь ДО"?, АСТ3, МПа

МПа МПа МПа

- - - - - - 330 - - 430

0,58 - - - - 330 110 -40 500

- 0,61 - - - - 330 155 0 585

- 1,05 - - - - 330 185 5 620

- - 0,84 - - - 330 130 0 560

0,6 0,6 - - - - 330 160 -20 570

0,5 - 0,74 - - - 330 160 -50 540

- - - 1,0 - - 330 100 20 550

- - - 2,0 - - 330 135 10 575

- - - 1,0 0,5 - 330 150 10 590

- - - 1,0 - 0,5 330 120 20 570

0,4 В 0,54 - 1,0 - 0,5 330 220 -45 605

0,5 0,5 - 1,0 0,5 - 330 230 -30 630

- 0,82 - 1,0 0,5 - 330 225 0 655

Для определения индивидуального действия переходные металлы вводили как порознь, так и совместно.

Анализ результатов исследований позволяет сделать следующие заключения

1. Эффект старения у всех исследованных сплавов независимо от вида переходных металлов и их суммарного количества значительно превосходит эффект упрочнения от легирования этими металлами (рис. 3 и 4).

2. Переходные металлы на эффект старения влияют по разному: марганец и цирконий практически не оказывают влияния па эффект старения (Доз«0), кобальт усиливает его, а хром существенно уменьшает как при индивидуальном присутствии в сплаве, так и в сочетании с другими переходными металлами (рис.3 и 4, табл. 4).

Эффект старения сплава без ПМ

350

300

250

га С 200

5 150

ь" 100

<3 50

0

—¡5-

И"

пп

6!

без ПМ

0,58 0,84 0,61 Сг Мп 2т

И ^ 2

Рис. 3. Влияние хрома, марганца, циркония и кобальта на эффект упрочнения сплава А1-5%2п-3%М°: 1 - эффект упрочнения от легирования ПМ (Лсгг); 2 - эффект старения (Ла1+Лаз),

Эффект старения сплава без ПМ

350 300 250 с 200 2 150 100 <1 50 О

V * 1

Ш1 Ш 2

без 0,6Сг 1Со 0,5Сг, 0,52г 0,82гг ПМ 0,вгс 0,5№ 1Со,0,5М 1Со,0,5М

Нис. 4. Эффект упрочнения сплавов, дополнительно легированных хромом, цирконием, кобальтом и никелем в различных сочетаниях: 1 - эффект упрочнения от легирования ПМ (Да2), 2 - эффект старения (Дс1+Ло3).

3. При рассмотрении эффекта упрочнения от переходных металлов (Лог) четко прослеживается их индивидуальность. Во-первых, упрочнение от введения растворимых при гранулировании переходных металлов (2г, Сг, Мп) выше, чем при легировании нерастворимыми металлами УША группы (Со, 1чч). Во-вторых, максимальный эффект упрочнения достигается при легировании цирконием. Он проявляется как при индивидуальном его присутствии в сплаве, так и совместном с металлами УША группы.

Для объяснения полученных закономерностей были проведены электронномикроскопичесше исследования структуры сплавов. Они показали, что в структуре всех сплавов (кроме эталона) присутствуют алюминиды переходных металлов.

Их размеры, морфология и объемная доля определяются видом переходного металла и его количеством в сплаве. Алюминиды циркония, хрома, марганца, кобальта сохраняют свою морфологию как при индивидуальном присутствии в сплаве, так и

совместном с другими переходными металлами. Важную роль в создании эффекта упрочнения играет дисперсность алюминидов. Цирконий, который образует самую дисперсную (~30 нм) метастабильную фазу А132г, обеспечивает получение максимального эффекта упрочнения. Алюмпнпды хрома, марганца и особенно кобальта существенно уступают алюминиду циркония в этом отношении. Кобальт в отличие от хрома и других переходных металлов усиливает эффект старения. Отсюда ясно, почему наиболее высокий уровень прочностных свойств имеют сплавы, в состав которых совместно с металлами УША. группы введен цирконий.

Наряду с дисперсным упрочнением частицами алюминидов, важным фактором упрочнения этих материалов является формирование субструктуры с повышенной плотностью дислокаций. Все это способствует упрочнению сплавов.

Изучение микроструктуры и свойств литой заготовки (слитков и гранул) позволило выявить различную роль переходных металлов в упрочнении быстрозакристаллизованных сплавов системы .\1-Zn-Mg. Вновь подтверждается, что в сплаве с высоким содержанием хрома (0,58%) в структуре присутствует Е-фаза, содержащая хром и магний. Именно с образованием фазы Е(А11вК%зСг2) связано понижение эффекта старения, т.к. часть магния идет на образование алюминида, и концентрация его в твердом растворе понижается. Другая важная особенность физико-химического взаимодействия компонентов заключается в том, что при комплексном легировании переходные металлы сохраняют свою индивидуальность, т.к тройных и более сложных по составу интерметаллидных фаз в сплавах, богатых алюминием, между ними не образуется. Поэтому можно сделать вывод о том, что выбранные сочетания переходных металлов (кроме сплавов с хромом) образуют с основными компонентами системы, относящиеся по принятой классификации (см. рис.1) к диаграммам состояния первого типа.

По кинетическим кривым изменения микротвердости гранул определена энергия активации распада пересыщенного переходными металлами твердого раствора. Установлено, что энергия активации распада растворов, пересыщенных хромом и цирконием выше, чем марганцем.

Дальнейшие исследования были направлены на поиск конкретного состава высокопрочного свариваемого сплава. Выбор составов сплавов проводили с учетом предыдущих этапов исследования, которые позволили обосновать содержание основных

компонентов и наметить для легирования наиболее перспективные сочетания переходных металлов.

С учетом этого были выбраны составы девяти быстрозакристаллизованных сплавов, представленных в таблице 5:

1) содержание основных компонентов во всех сплавах было одинаковым с суммой цинка и магния 8%, при отношении гпЛ^=1,7;

2) из рассмотрения исключалась медь ках элемент, существенно ухудшающий свариваемость быстрозакристаллизованных сплавов системы

3) в большинство сплавов вводили цирконий как элемент, дающий максимальный эффект упрочнения;

4) во многие сплавы цирконий вводили совместно с кобальтом и другими металлами УША группы; при этом учитывалось, что кобальт усиливает эффект старения;

5) учитывая отрицательное влияние хрома на эффект старения быстрозакристаллизованных сплавов системы А1-2п-М£, в данную группу сплавов хром не вводили, либо его содержание ограничивали небольшими концентрациями 0,2%), которые используются для повышения стойкости против коррозионного растрескивания под напряжением в стандартных сплавах этой системы.

Таблица 5

Механические свойства и стойкость против КР под напряжением основного металла и сварных соединений листов из сплавов А1-5%2п-3%М§ с добавками ПМ

Основной металл Сварные соединения

Содержание Время до Угол кси, кДж/ мг Время до

переходных металлов, % СГв, МПа ООА МПа 5, % разрушения образцов, сугки а®, МПа гиба а, ^ад разрушения образцов, сутки

0,6Сг; 0,бгт; О.ЗМп; 0,2ТГ 500 440 6,7 >45 412 27 75 >45

0,72г; 1,2Со 515 480 7,4 >45 437 32 102 42

1,0гг, 0,6Со 525 490 7,8 >45 435 35 110 >45

1,02г; 0,6№; 0,4Ре 530 475 8,1 42 417 38 - 39

\fiZr 510 460 9.0 40 407 54 150 >45

0,8Со; 0,4Ре 485 440 8,8 35 335 22 94 37

0,9Со; 0,4М 490 450 9,8 38 оо т 29 78 39

0,9гг; 0,2Сг; 0,4№ 525 470 9,4 >45 442 48 135 >45

0,9Хг, 0,2Сг, 0,4Со; 0,2М~1 548 492 8,9 >45 465 45 148 >45

'-сплав 01995

Исследования выполняли на катаных листах толщиной 2 мм, полученных по технологии гранульной металлургии с применением вакуумной дегазации. Механические свойства и стойкость против коррозионного растрескивания под напряжением основного металла определяли после старения по режимам Т2. Оценивали также свариваемость сплавов.

Исследования показали, что все сплавы по механическим свойствам превосходят эталонный быстрозакристаллизованный сплав 01995, химический состав которого представлен в первой строке табл. 5. Однако по стойкости против КР под напряжением сплав 01995 несколько превосходит большинство исследованных сплавов, особенно после старения на максимальную прочность по режиму Т1.

В этом отношении от остальных сплавов выгодно отличаются два последних сплава (табя.5), в состав которых совместно с цирконием и металлами У1НА группы введена небольшая добавка хрома (-0,2%). Они превосходят сплав 01995 по механическим свойствам и не уступает ему по стойкости против КР под напряжением. Сплавы, легированные только металлами УША группы, по прочностным свойствам уступают сплавам, содержащим цирконий. Основное их достоинство - более высокая пластичность. Изменение отношения содержания циркония к содержанию кобальта с 1:2 до 2:1 приводит к некоторому повышению прочностных свойств. Поэтому предпочтение следует отдать второму варианту.

Оценка свариваемости сплавов и стойкости против КР под напряжением сварных соединений проводилась совместно с В.Ю. Конкевичем (ОАО ВИЛС) и В.Н. Мироненко (НПО "Композит"). Основной металл перед сваркой подвергался термической обработке по режиму Т2. Исследования показали, что все сплавы имеют высокую стойкость против образования кристаллизационных трещин при сварке.

Свойства сварных соединений представлены в таблице 5. Сплавы, легированные цирконием и металлами УША группы, по прочностным свойствам, пластичности и вязкости существенно превосходят сплав 01995. Сплавы, в состав которых введены только металлы УША группы в различных сочетаниях, по прочностным свойствам и пластичности сварных соединений уступают остальным сплавам.

Это связано с особенностями структуры сварных швов. В литой зоне сварных соединений у этих сплавов выявляются крупные дендритные кристаллы, оси первого порядка которых совпадают с направлением теплоотвода при сварке. На границах дендритных ячеек выявляются грубые скелетной формы прослойки эвтектической фазы АЬСог, что и является главной причиной пониженной пластичности и вязкости сварных

соединений у этих сплавов. Низкая пластичность и вязкость сварного соединения эталонного сплава 01995 связаны с наличием в структуре крупных алюмишшидов хрома и марганца.

У сплавов, содержащих цирконий, структура сварного шва мелкозернистая и равноосная. Формированию такой структуры способствуют алюминиды циркониевой фазы А132г, которые выявляются в центре дендритных ячеек. Это первичные алюминиды, на которых, по-видимому, происходит зарождение и рост равноосных зерен алюминиевого твердого раствора при кристаллизации металла во время сварки. Наличие дисперсных частиц алюмшдадов циркония на ранней стадии кристаллизации способствует формированию равноосной мелкозернистой структуры в литой зоне шва. Такая структура обеспечивает получение высоких механических свойств и высокой коррозионной стойкости сварных соединений.

Важную роль в этих сплавах выполняет и кобальт. Он не только повышает прочностные свойства основного металла, но, по-видимому, оказывает модифицирующее влияние на железистую составляющую (типа А13Бе) при сварке. В присутствии примеси железа в литой зоне сварного шва образуются хрупкие частицы железистой составляющей, которые понижают характеристики пластичности. В исследованных сплавах, в состав которых железо специально не вводилось, в кобальтовой фазе обнаружено большое содержание железа (до 3-5%). Очевидно, что в присутствии кобальта в сплаве выделение железистой составляющей подавляется, т.к. примесь железа растворяется в кобальтовой фазе А1э(Со,Ре)2.

Коррозионные испытания сварных соединений показали высокую стойкость против КР как эталонного сплава, так и сплавов, легированных цирконием и металлами У111А группы (табл.5). Сплавы, не содержащие цирконий, по стойкости против КР под напряжением уступают остальным сплавам.

Наиболее удачным сочетанием механических свойств основного металла и сварных соединений отличается сплав, в состав которого совместно с цирконием и металлами У1НА группы (Со и №) введены небольшие добавки хрома (-0,2%). Этот сплав но прочностным свойствам и пластичности существенно превосходит сплав 01995. Он хорошо сваривается, по стойкости против КР под напряжением не уступает сплаву 01995. На его состав получено авторское свидетельство № 1.527.928. После паспортизации этому сплаву присвоена марка 01949.

Глава Л71. Высокопрочный спариваемый сплав 01949

Проведенные исследования послужили основанием для разработки совместно с ВИЛСом, ВИАМом и НПО "Композит" высокопрочного быстрозакристаллизованного свариваемого сплава 01949. В его составе реализованы принципы легирован! и, разработанные в рамках данной работы: суммарное содержание основных компонентов (цинка и магния) соответствует 8%, при отношении сплав дополнительно

легирован цирконием и металлами УША группы при отношении Со/№=2, содержание хрома сведено к минимуму (таблица 6).

Таблица б

Химический состав сплава 01949 (ТУ-1-809-783-98)

Марка сплава Содержание компонентов, % (по массе)

А1 гп Mg Ъг Со № Сг

01949 | основа 4,5-5,5 | 2,5-3,5] 0,5-0,81 0,2-0,4 | 0,1-0,3 0,15-0,3

Сплав 01949 многокомпонентный и его фазовый состав сложный. Результаты микрорентгеноспектрального и элекчронномикроскопического фазового анализа показали, что в равновесии с твердым раствором на основе алюминия кроме фазы Т(А12Мяз2п3), образованной основными компонентами, находятся алюминиды переходных металлов: А132г, АЬ(Со,М,Ре)2 и хромосодержащая фаза, возможно Е-фаза или А17Сг. Обнаружено две модификации циркониевой фазы: равновесная с тетрагональной решеткой ДОгз и метастабильная - с кубической решеткой Ы2. Именно эта фаза вносит основной вклад в упрочнение сплава от переходных метшглов.

Сплав 01949 является дисперсионнотвердеющим, и наибольший вклад в упрочнение вносит старение. С целью выбора режимов упрочняющей термической обработки изучена кинетика старения сплава 01949. Измерение твердости и удельного электросопротивления в температурно-временной области старения показывает сложный многостадийный распад твердого раствора.

Для определения последовательности фазовых превращений при старении был проведен калориметрический анализ. Идентификацию фаз проводили с помощью рентгеноструктурного и электронномикроскопического анализа с применением микродифракции. Анализ показал, что фазовому распаду предшествует образование зон ГП. Наличие дуплетных линий калориметрических кривых в области температур фазового старения указывает на выделение, по крайней мере, двух метастабильных фаз.

Электронномикроскопическис исследования с применением микродифракции показали, что на стадии максимального упрочнения выделяется метастабильная фаза г)'(Мд2п2). Второй упрочняющей фазой является, по-видимому, метастабильная фаза Т'.

Проведенные исследования позволили представить последовательность распада пересыщенного цинком и магнием твердого раствора при старении сплава 01949 в виде следующей схемы.

Калориметрический анализ, структурные исследования и данные по измерению физических и механических свойств позволили также определить температурно-временные области зонного и фазового старения и построить пространственную диаграмму, характеризующую область зонного старения

Эти исследования явились научной основой для выбора режимов упрочняющей термической обработки сплава 01949.

Режим закалки определяли с учетом термического анализа, который показал, что сольвус сплава 01949 составляет 400°С, а солидус - 562°С. Поэтому оптимальную температуру закалки определяли именно в этом интервале температур. Исследования показали, что она составляет 470°С. Несмотря на то, что нагрев до температуры 520°С. и выше не вызывает рекристаллизации листов и других полуфабрикатов, закалку с температур выше, чем 470°С " , проводить нельзя, т.к. это приводит к коагуляции алюминидов переходных металлов, и механические свойства при последующем старении ухудшаются.

Для того, чтобы наиболее полно реализовать возможности дополнительного упрочнения сплава за счет получения алюминидов переходных металлов необходимой дисперсности, предложен ступенчатый нагрев под закалку. Первая ступень нагрева -400°С, 5 ч. обеспечивает дополнительный распад пересыщенного переходными металлами твердого раствора с получением дисперсных алюминидов; вторая ступень (470°С, 1 ч.) - обеспечивает получение пересыщенного цинком и магнием твердого раствора. Это мало сказывается на значениях <тв, но предел текучести увеличивается на 20 МПа

Изыскание режимов старения Т1 и Т2 осуществляли с учетом исследований по кинетике старения сплава 01949. По результатам этих исследований выбран режим

Г]' -> ^(Мягпг)

а.и зоны ГП'

т -> т(А12м&>гп3)

старения на максимальную прочность Т1 - 120°С, 25 ч. и двухступенчатый режим старения Т2 - 120°С, 4 ч. + 160°С, 8 ч.

Обобщенные данные по механическим свойствам, представленные в таблице 7, показывают, что режим Т1 обеспечивает получение аа = 600 MTIa, öi)2 - 550 MTIa, S = 7,0%, Ступенчатые режимы старения Т2, которые применяются для повышения стойкости против коррозионного растрескивания под напряжением, обеспечивают получение высоких характеристик пластичности и снижения прочности по сравнению с режимом Т1 в среднем на 10-12%.

Оценку свариваемости сплава 01949 проводили совместно с сотрудниками ВИЛСа Конкевичем В.Ю. и 1ШО "Композит" Мироненко В.Н. и Казаковым В.А. Аргонодуговон сварке подвергались катаные листы толщиной 2 мм, в качестве присадочного материала использовали проволоку сплавов св1557 и св1571.

Исследования показали, что сплав 01949 обладает высокой стойкостью против образования кристаллизационных трещин. По пределу прочности сварного соединения (см = 480 - 530 МПа) данный сплав превосходит лучшие стандартные алюминиевые свариваемые сплавы 1201, 1420, 1915. Характеристики конструкционной прочности у сплава 01949 н стандартных сплавов близки, однако при испытаниях на скорость распространения трещины (СРТ) полуфабрикаты сплава 01949 несколько уступают им.

Таблица 7

Свойства листов сплава 01949 после различных режимов термической обработки

Режим старения СГв.МПа а».2,МПа 5,% HB piO8, Омм

Исходное состояние 430 290 12,3 87 5,30

(закалка с 470°С)

Естественное старение 580 (97) 470 (85) 10,7 - 5,87

Искусственное старение:

120°С, 25 ч. (Т1), 600 550 7,0 150 5,10

100°С,16ч+160°С,8ч (Т2); 540(90) 500(91) 10,5 - -

120оС,4ч-Ыб0°С,8ч (Т2); 530(88) 490(89) 11,7 139 4,92

160°С, 8 ч. 460(77) 390(71) 8,6 115 4,68

Примечание. В скобках дано отношение (в %) прочностных свойств по исследуемому

_режиму старения и режиму Т1_

Оценку коррозионной стойкости сварных соединений осуществляли после сварки по двум технологическим схемам: без термической обработки после сварки и со старением по режиму Т2. Уровень напряжений при испытаниях на КР под напряжением для первой технологической схемы окр ^ 300 МПа. Искусственное старение после сварки повышает прочность сварного соединения почти до уровня основного металла, но

сопротивление КР при атом несколько снижается. Поэтому предпочтение было отдано первой технологической схеме (без старения после сварки). Общая коррозионная стойкость сплава 01949 высокая: потеря массы при испытаниях не превышает 0,02 г/м2' ч

Из разработанного сплава 01949 в промышленных условиях завода легких сплавов (ЗЛС) получены опытные партии прессованных полуфабрикатов (прутков, полос, труб) и катаных листов. На эти полуфабрикаты имеются технические условия.

Прессованные тонкостенные трубы сплава 01949 использовались в ОКБ им. Сухого для изготовления сварного каркаса инвалидных колясок вместо титановых и стальных труб. Сварной каркас из сплава 01949 выдержал испытания на ударные нагрузки и показал высокую коррозионную стойкость в атмосферных условиях с повышенной влажностью. Замена каркаса из стали или титанового сплава на алюминиевый сплав позволила снизить вес колясок в среднем на 20%.

Из штампованных заготовок сплава 01949 в Московском институте теплотехники (МИТе) подучены сварные шаробаллоны высокого давления. Результаты стендовых испытаний показали герметичность и высокое качество сварных соединений, выполненных АДС и ЭЛС. Баллоны выдержали необходимую нагрузку 250 атм. Применение алюминиевого сплава 01949 вместо применявшейся для этой дели стали позволяет снизить вес шаробаллонов более, чем в 2 раза.

Высокий комплекс прочностных свойств основного металла и сварных соединений и высокая коррозионная стойкость позволяет считать сплав 01949 перспективным материалом для сварных конструкций изделий авиакосмической техники.

Глава VII. Исследование влияния основных компонентов на структуру н свойства бысгрозакристаллтованных сплавов системы

А1-2п-М8-Си

Применение метода быстрой кристаллизации требует уточнения характера взаимодействия между компонентами в сплавах системы Al-ZIl-Mg-Cu. Поэтому вначале необходимо было определить допустимое суммарное содержание основных компонентов и установить соотношение между ними, которое обеспечивает получение максимального уровня прочностных свойств при хорошей коррозионной стойкости. Кроме того, важно было уточнить возможность получения пересыщенного основными компонентами твердого раствора при кристаллизации гранул.

Для этой цели было приготовлено две группы модельных быстрозакристаллизованных сплавов, составы которых приведены в таблице 8.

Таблица 8

Химический состав и механические свойства сплавов системы А1-2п-1У^-Си, легированных 0,6% Сг и 0,6% 7х

Содержание основных компонентов, % Суммарное содержание Ъп, Mg и Си, % Отношение Старение (140СС, 16 ч) Эффект упрочнения

гп мй Си 2п/Мя ме/си СГВ, МПа СТоа МПа 8,% ДСТв, МПа ДСТо,2 1_МПа

9 8 9 4 2.8 2,3 0,5 2,7 2,2 13.5 13,5 13,5 2,2 2,8 4 8 1 1 770 720 745 730 695 700 4,5 6,5 6,5 150 170 205 210

9 11 13 3,0 3,7 4,4 1,5 1,8 2,2 13,5 16.5 19.6 3 3 3 2 2 2 785 820 835 740 780 800 7,0 4,0 1,5 175 160 155 200 200 190

В первой группе из четырех сплавов суммарное содержание основных компонентов было выбрано одинаковым 13,5% и соответствовало верхнему пределу марочного состава наиболее высоколегированного стандартного сплава В96Ц системы А1-2п-М§-Си. В этой группе сплавов изменялось соотношение между компонентами Вторую группу составляли последние три сплава (табл. 8). Они приготовлены для изучения влияния суммарного содержания основных компонентов на структуру и свойства. У этих сплавов при увеличении суммарного содержания основных компонентов поддерживалось постоянное отношение 2п/Мй = 3 иМ^Сц = 2.

Сплавы дополнительно легировали хромом и цирконием. Чтобы исключить влияние переходных металлов на свойства, их содержание во всех сплавах было постоянным и составляло 0,6%Сг и 0,6%гг. Одновременно были приготовлены сплавы с таким же содержанием основных компонентов, но без переходных металлов.

Для изучения влияния скорости кристаллизации на структуру литые заготовки получали в виде слитков различных размеров и гранул, что обеспечивало изменение скорости кристаллизации в диапазоне 10-Ю4 К/с. Из гранул по обычной для гранульной металлургии технологии были получены прессованные прутки диаметром 12 мм. Механические свойства определяли после закалки с 460°С и искусственного старения по режиму Т1 - 140°С, 16 ч.

Изучение количественных характеристик литой структуры слитков и гранул показало, что увеличение скорости кристаллизации приводит к диспергированию структуры сплавов системы А1-2п-Мй-Си; в гранулах, легированных переходными металлами,выделение первичных алюминидов хрома и циркония подавляется.

Микрорентгеноспектральный фазовый анализ показал, что увеличение скорости кристаллизации в исследованном диапазоне 10-Ю4 К/с не приводит к образованию пересыщенного цинком, магнием и медью алюминиевого твердого раствора. Таким образом, можно сделать вывод о том, что в гранулируемых сплавах системы А1-2п-Мо-Си увеличивать содержание основных легирующих компонентов до значений, существенно превышающих их предельную растворимость в твердом растворе, нецелесообразно.

Сравнение механических свойств прутков из сплавов с одинаковым суммарным содержанием основных компонентов (13,5%) выявляет преимущества сплава с отношением 2п/М§ - 3 и МДОи = 2 (табл. 8): он имеет более высокие прочностные свойства при близких значениях пластичности. Высокие значения прочностных свойств имеет также сплав с невысоким содержанием меди (1У^Си=8). Однако он существенно уступает по пластичности другим сплавам этой группы. Кроме того, как показали исследования, сплавы с таким отношением магния к меди имеют повышенную чувствительность к коррозионному растрескиванию под напряжением Аналогичная закономерность изменения механических свойств наблюдается у модельных сплавов без переходных металлов с суммарным содержанием цинка, магния и меди 13,5%.

Введение переходных металлов позволяет значительно увеличить прочность быстрозакристаллизовапных сплавов: эффект упрочнения для данного режима старения (МОХ, 16 ч) по изменению предела текучести составляет ~200 МПа (табл. 8). Микроструктурныс исследования прессованных прутков показывают, что дополнительное упрочнение при легировании сплавов переходными металлами связано с образованием дисперсных алюминидов хрома и циркония. Рентгенострукгурные исследования с построением обратных полюсных фигур (ОПФ) показали, что определенный вклад в упрочнение вносит формирование двойной аксиальной текстуры <111> и <100>, которая сохраняется в прутках после полной термической обработки

Исходя из определенного соотношения между компонентами, для определения предельного содержания основных компонентов исследовались сплавы с суммой цинка, магния и меди 13,5; 16,5 и 19,6%. Результаты механических испытаний, представленные в табл 8, показывают, что с увеличением суммарного содержания основных компонентов прочностные свойства повышаются, а пластичность довольно резко снижается. Особенно низкие значения относительного удлинения имеют сплавы с суммой основных

компонентов 19,6%: после искусственного старения у сплава, легированного переходными металлами, 5 ~ 1,5%, а у сплава без переходных металлов 5 3%. Такие низкие значения пластичности следует признать неприемлемыми. Микр о структурные исследования показали, что у сплавов с суммой основных компонентов 19,6% после полной термической обработки в структуре сохраняется довольно много избыточных цинк-магниевых фаз (~ 6-8% по объему), которые в упрочнении при старении не участвуют, но оказывают отрицательное влияние на пластичность.

Таким образом, исследования показали, что в быстрозакристаллизованных сплавах системы /\1-Zn-Mg-Cu наиболее высокий уровень механических свойств дост игается при следующем отношении основных компонентов: 2п/К^=3 и М^Си=2. Такое отношение компонентов дает наиболее высокие прочностные свойства при любом исследованном суммарном содержании цинка, магния и меди. Суммарное содержание основных компонентов не должно превышать 16-16,5%

Глава VIII. Влияние переходных металлов па структуру н свойства сплавов системы /\l-Zn-Mg-Cu и разработка составов высокопрочных сплавов

При выборе составов сплавов для исследования руководствовались разработанной методикой физико-химического анализа. Сначала изучали индивидуальное влияние хрома, циркония, марганца, кобальта, титана и ниобия на структуру и свойства быстрозакристализовашшх сплавов. Содержание основных компонентов во всех сплавах было постоянным и соответствовало установленному на первом этапе исследования составу: А1-9%2п-3%М§-1,5%Си. Исследования проводили на прессованных прутках диаметром 12 мм, полученных по технологии 1ранульной металлургии.

Представленные в таблице 9 результаты механических испытаний показывают, что введение различных переходных металлов приводит к существенному повышению прочностных свойств быстрозакристаллизованных сплавов. На рис. 5 показано влияние переходных металлов на различные составляющие упрочнения сплавов Анализ полученных данных показывает, что эффект старения у всех исследованных сплавов значительно выше, чем эффект упрочнения от переходных металлов независимо от их концентрации в сплаве. Наиболее высокий эффект старения имеют сплавы, легированные кобальтом. V них эффект старения близок к эффекту старения модельного сплава (без переходных металлов). Резко понижает эффект старения хром, причем с увеличением содержания хрома эта тенденция усиливается. Это связано с образованием фазы

Е(А]1КСг2Мвз)- Количество магния в твердом растворе при этом уменьшается, а следовательно, уменьшается и количество флзы-упрочиителя

Таблица 10

Механические свойства прутков из сплавов А1-9%7п-3°/сЛ,^-1,5%Си, лег ированных переходными металлами, после старения по режиму - 120°С, 25 ч

Содержание переходных металлов, % Ов, Оо,2, 6,

Сг Ъ1 Мп Со № И МПа МПа %

- - - - _ - 665 615 10,5

0,5 - - - - - 700 675 4,9

0,75 - - - - - 730 695 4,2

1,25 - - - - - 680 630 1,7

- 0,53 - - - - 780 750 6,5

- 0,97 - - - - 810 785 5,8

- 1,37 - - - - 740 705 2,8

- - 0,65 - - - 730 700 7,0

- - 1,25 - - - 785 750 3,2

- - - 1,0 - - 770 735 8,5

- - - 2,0 - - 795 760 5,0

- - - - 0,62 - 720 690 8,1

- - - - - 0,4 690 645 7,3

400

С 300

5 200

100

эффект старения модельного сплава

без ПМ

0,75 0,97 сг гг

0,65 МП

1,0 Со

0,4 "П

0,Г №

В 1

□ 2

Рис 5. Влияние переходных металлов на составляющие упрочнения сплавов А1-9%2п-3%М£-1,5%Си: 1 - упрочнение за счет легирования переходными металлами (Д02); 2 - эффект старения (ДсТ1+Дс7з).

Вес исследованные переходные металлы как растворимые (Сг, Мл, Хг, И, №>,), так и нерастворимые (Со) обеспечивают дополнительный эффект упрочнения. Увеличение

эффекта упрочнения при повышении концентрации растворимых переходных металлов происходит до тех пор, пока при кристаллизации гранул они находятся в твердом растворе. Значительное превышение этой концентрации приводит к появлению в структуре гранул, а следовательно, и в структуре прутков крупных первичных алюминидов. Эго сопровождается не только резким понижением эффекта упрочнения, но и понижает пластичность и ухудшает другие свойства сплавов. Такие первичные алюминиды циркония А1з2г обнаружены методом микрорентгеиоспектрального фазового анализа сплава, содержащего 1,37%2г.

Сопоставление эффекта упрочнения от легирования переходными металлами (рис. 5) показывает, что максимальное упрочнение достигается при введении циркония, несколько меньше эффект упрочнения дает хром и марганец, минимальное упрочнение имеют сплавы, легированные титаном и ниобием. Особенность кобальта заключается в том, что он является единственным из исследованных переходных металлов, который не уменьшает, а даже усиливает эффект старения.

Высокое упрочняющее действие циркония связано с тем, что он образует наиболее дисперсный метастабильный алюминид А132г в быстрозакрнсталлизованных сплавах. Дисперсность алюминидов хрома, марганца и тем более кобальта значительно ниже Это подтверждается микроструктурными исследованиями прутков с помощью электронного микроскопа.

Выбор составов сплавов при комплексном легировании несколькими переходными металлами осуществлялся на основании принятой в работе методики физико -химического анализа взаимодействия компонентов. Анализ многокомпонентных систем А1-Со-2г, А1-Со-№, А1-Со-№-Ре, А!-Хг-8с, А1-2г-КЬ показал, что они по принятой классификации относятся к первому типу диаграмм состояния.

Поэтому в большинство исследованных сплавов в различных сочетаниях вводили переходные металлы, образующие данные системы (табл. ¡0).

Все сплавы, представленные в табл. 10,условно можно разделить на три группы в сплавы первой группы вводились только растворимые переходные металлы - Сг, 2г, Мп; в сплавы второй группы в разных сочетаниях вводили нерастворимые металлы УША группы периодической системы (Бе, Со, №); в сплавы третьей группы растворимые, и нерастворимые переходные металлы вводили совместно.

Анализ табл.10 показывает, что получение высоких прочностных свойств не может быть достигнуто легированием сплавов только растворимыми переходными металлами: хромом, цирконием и марганцем в различных сочетаниях Эффект

упрочнения этих сплавов не превышает эффекта упрочнения сплава,легированного только цирконием, и сопровождается понижением пластичности.

Таблица 10

Содержание переходных металлов и механические свойства сплавов Al-9VoZn-ЗYo\ig-1,5%Си после старения по режиму - 120°С, 25 ч.

Содержание переходных металлов, % Старение - 120°С, 25 ч.

Ст 7,г Мп Бс Со Ре N1 СТв, МП а а02, МПа 8, %

- [_ 0,97 - - - - - 810 785 5,8

0,6 0,6 - - - - - - 790 760 5,5

0,7 0,8 0,8 - - - - - 820 770 2,5

- - - - - 1.0 - - 770 735 8,5

- - - - - 1,0 0,5 - 820 770 6,5

- - - - - 1,0 - 0,5 815 790 7,0

- - - - - 0,5 - 1,0 795 755 6,8

- - - - - - 1.0 1,0 785 760 6,5

0,5 0,5 - - - 1,0 - 0.5 820 800 4,8

- 0,5 - - - 1,0 - - 830 810 5,5

- 0,8 - - - 1,0 - 0,5 850 830 5,2

- 0,6 - 0,6 - 1,0 - - 840 810 6,2

- 0,5 - - 0,3 1,0 - - 840 815 6,1

- - 1,0 - - - 1,0 - 830 780 2,5

0,5 0,5 0.5 - - - 1,0 - 800 760 1,0

От этих сплавов более высокой пластичностью отличаются сплавы второй группы, в состав которых совместно с кобальтом введены другие металлы \TI1A группы Наиболее удачное сочетание прочностных свойств и пластичности имеют сплавы, у которых отношение Со/К1 или Со/Те равно двум У этих сплавов эффект упрочнения значительно превышает эффект упрочнения сплава, легированног о одним кобальтом.

Анализ табл.10 показывает, что наиболее высокий уровень прочностных свойств имеют сплавы, в состав которых совместно с металлами \'ША группы вводили растворимые переходные металлы. В этой группе удачным сочетанием прочностных свойств и пластичности отличаются сплавы, в состав которых совместно с кобальтом и никелем введен цирконий.

Такой различный характер упрочняющего действия переходных металлов при совместном введении их в быстрозакристаллизованные сплавы системы А1-2п-М^;-Си объясняет гистограмма, представленная на рис.5, на которой разделены эффекты старения и эффекты упрочнения от легирования переходными металлами. Видно, что только при легировании сплавов цирконием и металлами \TI1A группы (Со, МГ) с максимальной полнотой могут реализоваться в одном материале два фактора

упрочнения быстрозакристаллизованных сплавов: за счет старения и за счет образования дисперсных алгомшшдов циркониевой фазы. При других комбинациях переходных металлов в сплаве такой ситуации нет: хром очень сильный упрочнитель, но он понижает эффекг старения из-за образования фазы Е, кобальт и никель слабо упрочняют матрицу, но они благоприятно влияют на эффект старения и тд. Это подтверждается микроструктурными исследованиями с помощью электронного микроскопа, с структуре сплавов, легированных цирконием и металлами УША группы, обнаружены дисперсные частицы метастабильной фазы А1з2г и более крупные сферической формы алюминиды кобальтовой фазы АЦСо.МОг.

Важнейшей характеристикой высокопрочных сплавов системы /\i-Zn-Mg-Cu является также показатель стойкости против коррозионного растрескивания под напряжением. Оценку коррозионной стойкости опытных сплавов проводили в двух состояниях после старения на максимальную прочность Т1 (МОХ, 16 ч) и после ступенчастого режима старения Т2 (120°С, 5ч + 160°С, 12ч).

Испытания на стойкость против КР под напряжением проводились при постоянном напряжении а = 0,75 ао.2 в 3% растворе хлористого натрия. Критерием стойкости против КР являлось время до разрушения образцов.

Анализ результатов этих испытаний (табл. 11), позволяет установить следующие закономерности:

- коррозионная стойкость сплавов после старения по режиму Т2 выше по сравненню с режимом Т1;

Таблица 11

Свойства сплавов А1-9%2п-3%М§-1,5%Си, легированных переходными металлами, после

старения по режимам Т1 и Т2

Содержание переходных металлов, % 120°С,5ч + 160°С, 12ч (Т2) Время до разрушения образцов, сутки

Ов, МПа <Уо,2 МПа 8, % Т1 Т2

0,6 Сг; 0,6 '1т 720 (91,2) 680 (89,5) 6,5 76 87

1,0 Со 730 (94,8) 700(95,2) 9,0 35 44

1,0 Со, 0,5 Бе 750 (91,5) 710(92,2) 8,0 36 42

1,0 Со; 0,5М 760 (93,2) 720 (91,1) 8,5 47 75

1,0Со; 0,5М; 0,5Сг, 0,5гг 730 (89) 700(87,5) 8,0 50 75

1,0 Со; 0,5 №; 0,8 Сг 770 (90,6) 730(88) 8,5 52 77

1,0 СО; 0,5 1т 750 (90,4) 710(87,8) 8,0 45 60

1,0 Ре; 1,0 Мп 730 (88) 690 (88,5) 7,0 14 17

1,0Ре; 0,5Мп; 0,5Сг; 0,5гг 740 (92,5) 690 (90,8) 6,5 25 42

Примечание. В скобках дано отношение (в %) прочностных свойств после

старения по режиму Т2 и режиму Т1

- наиболее высокую стойкость против КР под напряжением имеет сплав типа 01996, легированный хромом и цирконием, а также сплавы, легированные растворимыми переходными металлами (Сг, 7л) и металлами УША группы,

- очень низкую стойкость против КР имеют сплавы, легированные марганцем и железом.

На основанин проведенных исследований совместно с ВИЛСом, ВИАМом, НПО "Композит" и КРАМЗом разработаны высокопрочные сплавы 01959 и 01979 (ас. № 1319596), составы которых приведены в табл 12.

Таблица 12

Химический состав сплавов 01959 и 01979 (ТУ-809-783-98)

Марка сплава Содержание компонентов, % (по массе)

[Г Zn Mg Cu ¡ Zr Со Ni Ti Al

01959 6,0-7,0 2,0-3,5 0,8-1,4 I 0,3-0,6 0,3-0,6 0,1-0,2 0,1-0.2 основа

01979 7,5-10,5 2,5-3,5 1,2-1,7 0,6-1,0 0,4-0,8 0,2-0.4 - основа

В этих сплавах реализованы установленные в работе соотношения между основными компонентами Zn/Mg-3 и Mg/Cu=2, а также между Co/Ni=2. Оба сплава легированы цирконием и металлами VIIIА группы. Сплавы 01959 и 01979 по прочностным свойствам и коррозионной стойкости превосходят стандартные высокопрочные сплавы системы Al-Zn-Mg-Cu, которые изготавливают из слитков. Из них в условиях серийных заводов (ЗЛС, КрАМЗ) изготавливали опытные партии прессованных полуфабрикатов (прутков, труб, профилей), а также штамповок.

Высокопрочный сплав 01979 по прочностным свойствам превосходит быстрозакристаллизованные сплавы 01996 и 01969 и зарубежные сплавы 7090 и 7091. После термической обработки на максимальную прочность (режим Т1) он имеет с>б=810-840 МПа, 6=4-6%. В АО Полиметмаш произведены исследования по использованию деталей специального назначения из сплава 01979 вместо деталей из стали ЗОХГСА. Исследования показали, что замена деталей из стали на детали из алюминиевого сплава 01979 позволит повысить ресурс работы агрегата в 1,8 раза.

В сплаве 01959 суммарное содержание основных компонентов меньше, чем в сплаве 01979. Это приводит к некоторому снижению прочностных свойств, однако при этом наблюдается заметный рост характеристик конструкционной прочности. Поэтому полуфабрикаты из сплава 01959 могут быть рекомендованы для изделий повышенного ресурса.

Внедрение результатов работы в промышленность позволило обеспечить экономический эффект 645 млн.руб. в ценах 1996 г.

ОСПОВИЫЕ ВЫВОДЫ

1. На основании установленных закономерностей по влиянию основных компонентов п переходных металлов ira структуру и свойства быстрозакристаллизованных сплавов систем AJ-Zii-Mg-(Cu) объяснен механизм упрочнения этих материалов, предложено уравнение, позволяющее учитывать отдельные составляющие прочности, и разработана методика определения количественных значений этих составляющих.

2. Предложена классификация многокомпонентных диаграмм состояния алюминий -переходные металлы и основная композиция сплава - переходные металлы, на основе которой разработана методика физико-химического анализа быстрозакристаллизованных алюминиевых сплавов, легированных цинком и магнием, позволяющая выбирать наиболее перспективные сочетания переходных металлов для создания высокопрочных сплавов.

3. На основании установленных закономерностей и общих теоретических положений разработаны принципы легирования высокопрочных быстрозакристаллизованных сплавов систем Al-Zn-Vfg-(Cu), основанные на идее комплексного легирования такими переходными металлами, которые не образуют между собой и основными компонентами тройных и более сложных интермегалшщных фаз и усиливают упрочняющее действие друг друга, а в свариваемых сплавах оказывают модифицирующее действие при формировании структуры сварных швов. Примерами таких элементов являются металлы VIIIA группы (кобальт, никель) и цирконий.

4. Па основании изучения влияния содержания основных компонентов на структуру и свойства быстрозакристаллизованных сплавов систем A)-Zn-Mg-(Cu) установлено их предельное суммарное содержание и соотношение, обеспечивающее получение оптимального комплекса свойств - высокой прочности, коррозионной стойкости и технологичности- для сплавов системы Al-Zn-Mg суммарное содержание цинка и магния не должно

превышать 8-9% при отношении Zn/Mg~l,7; при оптимальном содержании переходных металлов такое, количество основных компонентов обеспечивает получение св=5 50-600 МПа, 5-6-8%, при высокой стойкое ги против коррозионного растрескивания под напряжением основного металла и сварных соединений; - для сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu, предназначенных для несвариваемых конструкций, предельное суммарное содержание основных компонентов не должно превышать 1616,5% при оптимальном отношении Zn/Mg=3 и Mg/Cu=2 для любого суммарного содержания основных компонентов; такое количество основных компонентов при

оптимальном содержании переходных металлов обеспечивает получение Овй800 МПа, 5=4-6%, при высокой стойкости против коррозионного растрескивания под напряжением.

5. Изучено влияние переходных металлов на структуру и свойства быстрозакристаллизованных алюминиевых сплавов, содержащих цинк и магний, и установлены следующие закономерности:

- все исследованные переходные металлы (Cr, Mn, Zr, Ti, Nb, Se, Fe, Со, Ni) образуют дисперсные алюмишщы, не содержащие (за исключением хрома) основных легирующих компонентов, либо непосредственно в процессе быстрой кристаллизации расплава (металлы VIIIA группы), либо за счет выделения из пересыщенного твердого pací вора при последующей переработке гранул в деформированные полуфабрикаты; при комплексном легировании сплавов несколькими переходными металлами установлена возможность растворения третьего компонента в некоторых алюмшшдах: титана в фазе Al3Zr, железа и никеля в кобальтовой фазе AI9C02 и т.д., что уменьшает количество интерметаллидных фаз в сплавах, изменяет размеры частиц и положительно сказывается на характеристиках пластичности основного металла и сварных соединений;

- хром, при высокой его концентрации (0,5-1,0%) образует фазу E(Al18Mg3Cr2), при этом уменьшается содержание магния в твердом растворе и понижается эффект упрочнения при старении сплавов, легированных цинком и магнием.

6 На основании разработанных принципов легирования и с использованием методики физико-химического анализа путем дальнейшего поиска оптимальных концентраций компонентов создана группа высокопрочных сплавов 01949, 01959 и 01979 с высоким содержанием циркония и металлов VÜ1A группы, в составе которых реализованы установленные в работе соотношения между основными компонентами и переходными металлами.

7. Изучено влияние скорости охлаждения при кристаллизации в диапазоне 10-Ю4 К/с ца количественные характеристики структурных составляющих сплавов систем Al-Zn-Mg-(Cu) с различным содержанием основных компонентов и установлено следующее:

- увеличение скорости кристаллизации приводит к диспергированию литой структуры резко уменьшаются размеры дендритных ячеек и толщина прослоек эвтектических фаз на их границах, выделения крупных первичных алюминидов переходных металлов в гранулах подавляются,

для сплавов системы AJ-Zn-Mg зависимость размера дендритной ячейки от скорости охлаждения подчиняется линейному закону в логарифмических координах;

- основные компоненты при исследованных скоростях охлаждения при кристаллизации не образуют пересыщенных твердых растворов.

8. IIa основании изучения кинетики старения сплавов системы Al-Zn-Mg предложена схема распада пересыщенного основными компонентами твердого раствора и поироена диаграмма температурно-времепных условий существования зон Гинье-Престона, которая явилась основой для выбора режимов упрочняющей термической обработки сплава 01949.

9. Эффект упрочнения быстрозакристаллизованных сплавов систем Al-Zn-Mg-(Cu) при комплексном легировании различными группами переходных металлов связан с образованием дисперсных алюминидов этих металлов, а также с получением устойчивой по.тигонизованной структуры, которая сохраняется после полной термической обработки полуфабрикатов. Определенный вклад в упрочнение прессованных полуфабрикатов вносит текстура деформации с благоприятной кристаллографической ориентацией зерен.

10. На основании установленных закономерностей, характеризующих влияние суммарного содержания н соотношения основных компонентов и переходных металлов на структуру и свойства сплавов системы Al-Zn-Mg-(Cu), исследованы и внедрены в производство новые бьгсгрозакрииаллизованные сплавы 01949, 01959 и 01979 с высоким суммарным содержанием цинка и магния и дополнительно легированные цирконием, кобальтом, никелем и другими переходными металлами Эти сплавы обладают высокой прочностью и коррозионной стойкостью. Экономический эффект от внедрения результатов работы в промышленность составляет в ценах 1996 года 645 млн. руб.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1 Федоров В.М., Походаев К.С, Осинцев O.E., Гольдер Ю.Г., Конкевич В.Ю. Влияние условий получения литой заготовки на структуру и свойства сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu. /7 Технология легких сплавов. 1481, № 7. С.3-7

2 Федоров В.М., Походаев КС., Осинцев O.E., Конкевич В.Ю. Влияние способа изготовления литой заготовки на способность к упрочнению при термической обработке сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu. //Технология легких сплавов. 1981, №9. С. 7-11.

3. Федоров В.М., Осинцев O.E., Походаев К.С, Конкевич BIO. Влияние переходных металлов на устойчивость пересыщенного твердого раствора в сплавах системы Al-Zn-Mg-Cu. // Технология легких сплавов. 1983, №2. С 9-14.

4 Елагин В.И., Походаев К.С., Федоров В.М., Осинцев O.E., Конкевич В.Ю. Роль переходных металлов в постижении высокой прочности гранулируемых алюминиевых сплавов. Ü Тез.докл. 1 Всесоюзной конференции по металлургии гранул. - М: ВИЛС, 1983. С. 49-50.

5 Походаев К.С., Осинцев O.E., Макаров В.Д. Упрочнение при термической обработке гранулируемых гетерофазных алюминиевых сплавов. // Тез.докл. Научно-технической конференции, посвященной 125-летию со дня рождения К.Э.Циолковского. - М. МЛТИ, 1982. С. 11.

6. Елагин В.И., Походаев КС., Федоров В.М., Осинцев O.E. Влияние избыточных интерметаллидных фаз на кинетику стареши и свойства гранулируемых сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu // В кн. Металлургия легких сплавов. - М." Металлургия, 1983. С. 160-164.

7. Осинцев О.Е, Походаев К.С., Корниенко Е.С. О роли гранулирования в упрочнении алюминиевых сплавов // В сб. Труды VI научно-технической конференции молодых ученых и спецалистов. - М : вып. 10, 1983 (деп.)

8 Осинцев O.E., Бецофен С.Я., Походаев К.С., Кравцов С.А. Влияние переходных металлов на структуру и свойства гранулируемых сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu. // В сб. Труды VI научно-технической конференции молодых ученых и спецалистов. - М : вып. 10, 1983 (деп.).

9 Елагин ВН., Походаев К.С., Федоров В.М., Осиицев O.E., Конкевич В.Ю. Роль переходных металлов в достижении высокой прочности гранулируемых алюминиевых сплавов //Металлургия гранул. - М : ВИЛС, 1984, вып. 2. С. 79-82.

10. Осинцев O.E., Федоров В.М., Походаев К.С., Силис В.Э., Коршункова С.А., Мироненко В.Н. Исследование высокопрочных гранулируемых сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu // Сб. Новые металлические материалы, труды отраслевой научно-технической конференции MOM. - М.: ЦНИИМВ, 1983. С. 7-10.

11. Елагин В.И., Федоров В.М., Походаев К.С., Осинцев O.E. Легирование жаропрочных и высокопрочных гранулируемых алюминиевых сплавов. - М.: ЦНИИцветмет экономики и информации, 1987, вып.4, 68 с.

12. Елагин ВН., Федоров В.М., Походаев К.С, Осинцев O.E., Макаров В.Д., Конкевич В.Ю. Влияние дополнительною легирования кобальтом, никелем и железом на

свойства высокопрочных гранулируемых сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu. // Металлургия гранул, вып. 4. - М.: ВИЛС, 1988. С. 200-204.

13. Осинцев O.E., Федоров 13.М., Походаев КС., Конкевич В.Ю., Соколов A.C. Влияние скорости охлаждения при кристаллизации и переходных металлов на структуру и свойства сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu. // Технология легких сплавов, вып.12, 1988. С. 40-44.

14 Осинцев O.E., Федоров В.М, Бецофен С.Я., Соколов A.C. Исследование текстуры прессованных прутков из сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu. // Технология легких сплавов, вып.4, 1989. С. 5-9.

15. Елагин В.И, Федоров В.М., Осинцев O.E., Походаев К.С. Высокопрочные гранулируемые алюминиевые сплавы. - М: ЦНИИцветмет экономики и информации, 1989, вып.2, 84 с.

16. Федорова Л.В., Осинцев O.E., Конкевич B.IO. Структура и свойства деформированных полуфабрикатов из алюминиевого сплава 01949. // Сб Повышение качества, надежности и долговечности изделий из конструкционных, жаропрочных, порошковых и инструментальных: сталей и сплавов. - Л.: Знание, 1990. С 84-87.

17. Осинцев O.E., Конкевич В.Ф., Силке В.Э., Власова Т.А., Мироненко В Н. Свойства высокопрочного сплава 01996 // Производственно-технический опыт. ЦНИИТИ "Поиск", № 4, 1990. С. 23-28.

18. Osintsev O.E., Shmakov V. Yu. , Fedorova L. V. Woldable aluminium powder Metallurgy 01949 alloy // Actual Problems Science, Tomsk, 1992, p. 65-66.

19 Походаев К.С., Осинцев О F.. О природе дополнительного упрочнения гранулируемых высокопрочных сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu П Тез. доклада на III Всесоюзной конференции по металлургии гранул. - М.: ВИЛС, 1991. С. 37.

20. Осинцев O.E., Походаев К.С. Исследование влияния переходных металлов на структуру и свойства сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu /У Тез. доклада на III Всесоюзной конференции по металлургии гранул. - М.: ВИЛС, 1991. С. 45-46

21. Осинцев O.E., Федорова Л.В., Конкевич BIO, Шмаков 10 В. Высокопрочный свариваемый алюминиевый сплав 01949 // Тез доклада на Российской научно-технической конференции "Новые материалы н технологии машиностроения''. - М/ МАТИ, 1992. С. 39.

22 Осинцев O.E.. Федорова Л В., Конкевич В.10., Иванова Э.В. Влияние режимов термической обработки на структуру и свойства сшива 01949. // Тез. доклада на Российской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии машиностроения". - М: МАТИ, 1992. С. 40

23. Федорова Л.В., Осинцев O.E., Соколов АС., Федоров В.М. Свариваемый высокопрочный алюминиевый сплав // Авиационная промышленной- ь, 1993, Л» 3-4. С. 43-47.

24 Осинцев O.E., Федорова Л.В , Конкевич В.Ю., Попова Г.В. Влияние технологических факторов на структуру и свойства полуфабрикатов из гранулируемою свариваемого сплава 01949 // Металлургия гранул. - М.: вып 6, ВИЛС, 1993. С. 133-141.

25 Ерофеева М М., Федорова Л.В., Осинцев О Е., Конкевич В.Ю. Разработка технологии изготовления сварных узлов из штампованных полуфабрикатов сплава 01949. // Тез. доклада на Российской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии машиностроения", - М.: МАТИ, 1993. С. 18.

26. Осинцев ОЕ, Капуткин ЕЯ, Федорова Л В., Ноздрии И.В. Изучение влияния старения на фазовые превращения и механические свойства сплава 01949. // Тез. доклада на Российской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии машиностроения"', - М.; МАТИ, 1993. С. 16.

27. Осинцев О Е., Федорова Л В., Конкевич В. 10 , Федоров В.М. Влияние переходных металлов на структуру и свойства сплавов системы Al-Zn-Mg, полученных методом быстрой кристаллизации. // Тез. доклада на Российской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии машиностроения", - М,: МАТИ, 1993 С. 19.

28. Осинцев O.E., Капуткин ЕЛ., Федорова JI.B., Конкевич В.Ю. Фазовый состав и закономерности распада твердого раствора при старении сплава 01949. I/ Сб., посвященный 60-лешю Б И. Бондарева "Технология обработки легких сплавов", - М.: Металлургия, 1994. С. 225-233.

29. Федорова Л,В., Сафронов ВН., Осинцев O.E., Федоров В.М. Исследование свариваемости гранулируемых сплавов // Авиационная промышленность, JN™ 1-2, 1994. С 66-69

30 Федорова Л В., Осинцев O.E., Федоров В.М, Влияние технологических факторов на структуру и свойства гранулированного высокопрочного сплава 01949 /7 Технология легких сплавов, 1994, №5 С. 42-45.

31 Осинцев О.Е О роли переходных металлов в быстрозакристаллизоЕанных сплавах системы Al-Zn-Mg, предназначенных для сварных конструкций. // Тез. доклада на Российской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии", - М : МАТИ, 1994. С. 32

32. Осинцев O.E. Особенности легирования высокопрочных быстрозакристаллизованных свариваемых сплавов системы Al-Zn-Mg. // Тез. доклада на Российской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии", - М: MATH, 1997. С. 14

33. Осшщев O.E. О роди кобальта в высокопрочных быстрозакристаллизованных свариваемых сплавах системы Al-Zn-Mg. // Тез. доклада на Российской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии", - М.: МАТИ, 1997. С. 17.

34. Осшщев O.E., «Федорова Л.В. Влияние режимов дегазации на свойства деформированных полуфабрикатов из быстрозакристаллизованных сплавов системы Al-Zn-Mg. // Тез. доклада на Российской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии", - М.: МАТИ, 1997. С. 30.

35. Конкевич В.Ю., Лебедева Т.И., Курбатов В П., Осинцев О Е. Перспективы использования высокопрочных гранулируемых алюминиевых сплавов в автомобилях нового поколения. // Технология легких сплавов. 1997, № 4. С. 13-15

36. Осинцев O.E., Федорова Л.В. Влияние технологических параметров компактирования и пластической деформации па свойства полуфабрикатов из быстрозакристаллизованных сплавов системы Al-Zn-Mg. // Тез. доклада на Российской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии", - М.: МАТИ, 1997. С. 31-32.

37. Осинцев О.Е Механизм упрочнения высокопрочных быстрозакристаллизованных сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu // Тез. доклада на Российской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии", - М.: МАТИ, 1997, С. 32,

38. Осинцев O.E., Конкевич В.Ю., Капуткин 11.Я. Структура и свойства основного металла и сварных соединений высокопрочного гранулируемого сплава 01949 // Материаловедение, 1997, №4, С. 13-18.

39. Осинцев O.E., Федорова Л.В , Федоров В.М. Влияние режимов дегазации на свойства деформированных полуфабрикатов из быстрозакристаллизованного алюминиевого сплава 01949 // Проблемы машиностроения и автоматизации, 1997, № 5-6. С. 36-39

40 Осинцев О Е., Федорова Л.В. Особенности технологии изготовления деформированных полуфабрикатов из высокопрочного алюминиевого сплава 01949 // Материаловедение, 1997, № 8-9. С. 46-52.

41. Осинцев О Е Высокопрочные быстрозакристаллизованные алюминиевые сплавы системы Al-Zn-Mg-Cu // Справочник. Инженерный журнал, 1998, № 1. С. 6-12.

42. Осинцев O.E. Особенности термической обработки высокопрочного быстрозакристаллизованного сплава 01949 // Металловедение и термическая обработка металлов. 1998, №4. С 36-40.

43. Осинцев O.E. О роли переходных металлов в быстрозакриеталлизованных сплавах системы Al-Zn-Mg /I Сб. Научные труды МАТИ им. К.Э. Циолковского, вып. 1 (73). -М.: Издательство ЛАТМЭС, 1998. С. 11-15.

44. Осиицев О Е. Высокопрочные бысгрозакристаллизованные алюминиевые сплавы, легированные цинком и магнием//Проблемы машиностроения и автоматизации. 1998, №2-3. С. 54-65.

45. Осинцев O.E. Механизм упрочнения высокопрочных быстрозакриеталлизованных сплавов системы Al-Zn-Mg. // Материаловедение, 1998, № 5. С. 30-36.

46. Авт.свид. № 921176 СССР. Способ получения алюминиевых сплавов из гранул / Елагин В.И., Походаев К.С., Федоров В.М., Осинцев O.E. и др.

47. Авт. свид JV« 1061495 СССР Сплав на основе алюминия/ Елагин В И., Походаев К.С., Осинцев О Е., Федоров В М., Бондарев Б.И. и др

48. Авт. свид. j4i 1173776 СССР. Сплав на основе алюминия / Походаев К.С, Осинцев О.Е , Федоров В.М., Бондарев Б.И., Пономарев Ю.И., Мироненко В.Н. и др.

49. Авт. свид № 1450390 СССР. Сплав на основе алюмшшя / Елагин В.И., Соколов A.C., Осинцев O.E., Дриц А М. и др.

50. Авт. свид. № 1319596 СССР. Порошковый сплав на основе алюминия / Фридляндер И.Н., Осинцев O.E., Соколов A.C., Федоров В.М. и др.

51. Авт. свид № 1527928 СССР. Сплав на основе алюминия / Фридляндер И.Н., Елагин В.И., Осинцев O.E., Федоров В.М. и др.

52. Автсвид, J\2 1630138 СССР. Способ изготовления полуфабрикатов из гранул алюминиевых сплавов / Тарарыишт В.И., Федоров В.М., Шмаков Ю.В., Конкевич В.Ю., Осинцев O.E., Федорова Л.В. и др.

53. Авт.свид. № 1642636 СССР. Способ термической обработки полуфабрикатов из хранулируемых алюминиевых сплавов / Осинцев O.E., Федоров В.М., Федорова Л.В., Шмаков Ю.В.