автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Разработка технологической схемы получения сверхпластичных листов из сплава Д19 и исследование изменений структуры в процессе СПД

На правах рукописи УДК 669.01-. 539. 214

СОЛОВЬЕВА ОЛЬГА ВЛЛДШШГОЗНЛ

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОППЕСЮЖ СХШ1 ПОЛУЧЕНИЯ СПЕРКПЛДСТНЧПИХ ЛИСТОВ ИЗ СПЛАВА Д1Э И ИССЛЕДОВАНИЕ ГОМЕШтЗ СТРУКТУРЫ О ПРОЦЕССЕ СИД Специальность 05.16.01. - "Металловедение и термическая

обработка металлов"

о-

лвтореферат диссертации на соискание ученой степей!! кандидата технических наук

Москва, 1995

Диссертационная работа выполнена в Московском государственном институте стали и сплавов ( технический ушшерситет ) на кафедре металловедения цветных металлов.

Научные руководители: доктор технических наук, профессор ПОРТНОЙ В.К., кандитат технических наук, с.и.о. ЛЕВЧЕНКО B.C.

Официальные оппоненты: доктор технических наук ЗАХАРОВ В.В., кандидат технических наук ЭСКИН Д.Г.

Ведущее предприятие: Научный институт авиационных технологий ( НИАТ )

Защита диссертации состоится . ff^rff^'f 1995 г, в У^н на заседании специализированного совета К 053.08.03. при Московском институте стали и сплавов по адресу: 117936, Москва. ГСП-1, Ленинский проспект,-д. 4. -ауд. 436.

■ С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Московского института стали и сплавов.

Справки по телефону; 236-99-57.

Автореферат разослан г.

, Ученый секретарь Совета •

профессор

Б. А. САМАРИН

- 3 -

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Одним из возможных способов производства деталей сложной формы является сверхпластическая формовка (СПФ), позволяющая производить такие'детали из листовых заготовок под действием небольшого газового давления.

В данной работе в качестве объекта исследования был выбран промышленный алюминиевый сплав Д19 системы А1 - Си - - Мп. достаточно широко используемый ,в авиационной промышленности для обшивки летательных аппаратов, в частности для обиивки корпуса самолета ЯК-42. Саратовским авиационным заводом совместно с НИАТ была выдвинута идея о получении методом СПФ детали "губа воздухозаборника" для ЯК-42, которая изготавливается обычно из нескольких частей путем их клепки. Методы СПФ позволяют получать цельные детали такого типа. По оценочным расчетам, замена клепанной детали на цельную позволила бы экономить, за счет повышения аэродинамических качеств машины, около 5 - 7 % горючего.

До настоящего времени сверхпластичность (СП) сплава Д19 не исследовалась. К моменту начала данной работы имелись экспериментальные данные о получении СП листов из промышленного алюминиевого сплава Д20 системы А1 - Си - Мп. Так как сплав Д19 является структурным аналогом сплава Д20 и содержит ту же марганцовистую Т-фазу (А1, £СиМпе), стабилизирующую структуру в процессе сверхпластической деформации (СПД). было выдвинуто предположение о возможности получения сверхпластичных листов из сплава Д19 и изготовления из них детали методом СПФ.

Цель работы составляла разработка технологической схемы получения СП листов•сплава Д19 и изучение изменений структуры и

свойств в процессе СПЛ.

Для достижения цели работы были поставлены следу&аие чьсгьио задачи, включаювде изучение:

1. Влияния состава в пределах марки сплава Д19 на формирование ультрамелкого зерна (УМЗ) и показатели СП.

2. Влияния на показатели СП и формирование УИЗ процессов литья, гетерогенизации, холодной прокатки и режима рекристаллнза-ционного отжига.

3. Возможности получения листов сплава Д19 разпт-шой толщины ?.- состоянии СП. изготовления детая: из сплава Д19 методом СПФ с t:cj?tsï определить уровень механических свойств после СГЩ

.4. Поцессов изменения размера и формы зерен во время СГЩ.

5. Развития пористости в процессе СПЛ.

8. Действующих при СПД механизмов деформации.

Научная новизна работы. Исследованиями структурных изменений и изменений поверхностного рельефа гюслз сверхпластической деформации листов сплава Д19, полученных по предложенной s работе технологии. установлено, что, высокие показатели сверхпластичности этих листов обусловлены повышенной стабильностью зеренной структуры сплава, сочетающейся с небольЕой. вытянутостьс этих зерен (коэффициент натянутости равен 1.3) и слабым развитием пористости при оптимальных условиях деформации ¡е»1*1(Г4 с"1, 490 °С). При увеличении скорости деформации•на порядок или снижении температуры На 15 0 С зерно укрупняется быстрее раньше появляются поры, что приводит к сшшзнию относительного удлинения.

Показано, что при сверхпластической деформации листов сплава Д19 зернограничное скольжение развито слабо, его вклад в общую поперечную деформацию в оптимальных условиях (е»1*1СГ4 с"1. 4S0

°С) не превышает 8 55, что и объясняет слабое развитие гористости, а сверхпластическая деформация осуществляется внутризеренным дислокационным скольжением в теле зерен и в приграничной' мантии, вклад его в общув деформацию составляет около 30 %, и диффузионной ползучестью, которая проявляется в образовании зон, свободных от выделений на поперечных границах зерен и скоплений частиц на продольных, а так же в образовании отростков на частицах Б-фазц (А1Си!^г) вдоль границ зерен алюминиевой матрицы.

Сохранение формы и размеров зерен обеспечивается непрерывной динамической рекристаллизацией, которая выявлена по формированию поперечных суб- и высокоугловых границ и по периодическому образованию фракций новых мелких зерен.

Практическая реализация работы . Лабораторными исследованиями технологии получения сверхпластичных листов из сплава Д19 установлено. что измельчению зерна, обеспечивающему высокие показатели сверхпластичности способствуют повышенные скорости охл&еде-ния при литье слитков, увеличение содержания в пределах марки, двухступенчатая гомогенизация, проведение гетерогенизационного отжига после . горячей прокатки, холодная деформация с наклепом больше 80 % и рекристадлизашфнный отжиг со скоростным нагревом в селитре. На основании проведенных исследований были сформулированы " Основные требования к технологии производства сверхпластичных листов (неплакированных) из сплава Д19" . на базе которых было разработано техническое задание на опробование технологии получения сверхпластичных листов из сплава Д19. В условиях завода ВИЛС совместно с НИАТом была получена партия листов толщиной 1 -3 мм с высокими показателями сверхпластичности.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на

'международной конференции'иБирегр1аа11сНу 1п Айуапсес! КШ'егШз" (1СЗАМ-94). Г. Москва. 1994 г.

Объем работа. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и приложения, содержит 92 страницы машинописного текста, 45 рисунков, 15 таблиц, список литературы, включающий 114 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

В обзоре литературы отражены основные представления о сверхпластичности алюминиевых сплавов на сегодняшний день. Указаны различные факторы влияющие на проявление эффекта сверхпластичнос-, ти. 'Рассмотрены возможности получения ультрамелкозернистой структуры у алюминиевых сплавов с матричной структурой, основные механизмы сверхпластической деформации и влияние сверхпластической деформации1 на"структуру и свойства сплавоз.

" -"МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ'

В работе использовали слитки сплава Д19 лабораторной выплавки (М 1-6), составы которых представлены в таблице 1.

Слитки сплава Д19 Ш 1-6) выплавляли в лабораторной шахтной печи с оилитовыми нагревателями в графито-шамотном тигле. Во время плавки температура перегрева расплава не превышала 780 °с , температура заливки составляла 730 ± 10 °С.

Таблица I

Химический состав ( % по массе ) исследованных сплавов

1 .......... г 1 . Сплав i Al , — 1 Си tlg Мп 1 Т1 |

1 1 1 оси 1 3.8 2.3 0.7 0.1 |

1 2 1 осн 1 3.8 1.7 0.7 0.1 |

1 3 I осн 1 3,8 1.9 0.7 о: i i

1 4 1 осн 1 4.0 2.0 0.7 0.1 |

1 5 I осн 1 4.2 2.1 0.7 0.1 |

1 6 I i......i осн 1 4.3 i 2.3 0.7 0.1 1 1

Было отлито четыре слитка состава N 4 с различными скоростями охлаждения: 4а - литье в водоохлаждаемую медную изложницу, Уохл-28.4 К/с: 46 - литье в холодную (20 °С) стальную изложницу, Уохл«1б,5 К/с; 4в - литье в стальную изложницу, подогретую до 200 °С,Уохл*9,5 К/с; 4г - литье в стальную изложницу, подогретую до 500 °С, Уохл-1,4 К/с.

Остальные сплавы с 1 по 6 были отлиты в водоохлаждаемую изложницу.

Количественный анализ структуры проводили, используя метод секущих (ГОСТ 21073.3-75), с помощью полуавтоматического анализатора структуры, разработанного на кафедре МЦМ МИСИС. Число зерен на единице площади в выбранной плоскости шлифа определяли по методу Джефриса на матовом стекле микроскопа "Neophot-21".

Исследования структуры поверхности образцов в различных сос- ' тояниях, подвергнутых механической полировке, проводили на сканирующем микроскопе JSM-35CF (Япония). Исследование тонкой структу-

- в - ■

ры проводили на фольгах в'просвечивающем электронном микроскопе JTM-2000 ЕХ (Япония).

Определение показателей сверхпластичности проводили на ■ универсальной испытательной машине 1231-УЮ, _ оборудованной трехсек-ционной печью и . компьютерной системой управления и регистрации результатов.

Определение плотности образцов проводили в соответствии о методикой МР4-36-80 "Прецезионное измерение плотности твердых тел методом гидростатического взвешивания", ВИЛС, 1980.

Механические свойства б„, б0.г,б при комнатной температуре определяли в соответствии с ГОСТ 1497-79 на плоских образцах . Испытания, поводили на универсальной испытательной машине FP 10/1 (Германия), оснащенной разработанной в МИ^иС управляюще-регистри-рующей системой на базе ЭВМ ДЗ-28.

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ СВЕРХЛЛАСТИЧНЫХ ЛИСТОВ ИЗ СПЛАВА ill9

Известно, что. скорость охлаждения при литье влияет на параметры структуры слитка, которые мигут оказывать влияние на свойства листов, получаемых из этих слитков. Было установлено, что понижение скорости охлаждения при литье сплава Д19 с 28.4 до 1.4 К/с приводит к увеличению размера дендритной ячейки и укрупнению частиц второй фазы эвтектического происхождения. Объемная долд второй фазы кристаллизационного происхождения при этом практически не меняется и составляет - 10 Я. В структуре слитков , отлитых в горячую изложницу.(200 и 500 °С) присутствуют отдельные частицы, размер которых достигает 20 - 30 мкм. которые не

растворяются при гомогенизационном отжиге и их можно легко обнаружить даже после горячей и холодной прокатки. Эти частицы не являются эффективными центрами рекристаллизации, а также могут служить пестами предпочтительного зарождения и роста пор при СПД, что приводит снижению показателей сверхпластичности. В структуре слитков отлитых в водоохлаждаемую изложницу частицы, размером более мкм. отсутствуют.

Затем, перед исследованием влияния скорости охлаждения на показатели сверхпластичности, рассматривали необходимость включения в технологическув схему двухступенчатой гомогенизации. При сравнении показателей сверхпластичности листов полученных по технологическим схемам, включающим литье в водоохлаждаемую изложницу, одноступенчатую (490 ± 5 °С, 16 ч) или двухступенчатую гомогенизацию (460 ± 5 "С. 6 ч, 490 ± 5 °С, 18 ч), а также горячую прокатку при 430 ± 10 °С до толщины 6 мм, гетерогенизационный отжиг 430 1 5 °С. 10 ч (в дальнейшем обосновывали и оптимизировали его режим), холодная прокатка до конечной толщины 1 мм, рекрис-таллиэационный отжиг в селитре при 490 ± 5 °С, 5 мин, было установлено. что проведение двухступенчатого гомогенизационного отжига вместо стандартного одноступенчатого приводит к росту показателей сверхпластичности листов сплава Д19: уменьшению размера исходного зерна с 12.5 до 11.9 мкм и росту относительного удлинения 6 при растяжения с постоянной скоростью деформации 1 * 10"4 с"1 при 490 °С в два раза - с 176 до 360 %. Такое влияние двухступенчатой гомогенизации можно объяснить тем. что выделенные на первой низкотемпературной ступени гомогенизации дисперсные частицы Т-фа--зы не должны огрубляться при нагреве на вторую ступень гомогенизации. когда происходит полное устранение дендритной ликвации. В

дальнейшем эти дисперсные' частицы способны стабилизировать структуру в процессе СГЩ.

Влияние скорости охлаждения при литье на формирование зоренной структуры и показатели СПД исследовали на листах сплава Д19, полученных по приведенной выше технологической схеме, включающей в себя двухступенчатый гомогашзационный отжиг. Было установлено, что к существенному снижений показателей сверхпластичности сплава Д19 приводит лишь уменьшение скорости охлаждения при литье ниже 9.5 К/с (литье в подогретую до 200 °С изложницу). У сплавов, отлитых в интервале скоростей кристаллизации 9.5 - 28.4 К/с исходный размер рекристаллизаванного зерна практически одинаков 12 мкм).близкие значения напряжения течения в интервале скоростей деформации 1*10"4 + 1*10"' с"1 и значения 5 при скорости деформации 1*10"4 с"1 таюке одинаковы (360 %). Все сплавы имеют высокое значение показателя т. Сплав отлитый с VoxjM,4 К/с имеет максимальный размер исходного зерна (14.4 мкм) и характеризуется наибольшим напряжением течения и наименьшим б (240 %). Такое влияние сксрости охлаждения при литье объясняется огрублением структура- слитка при уменьшении скорости охлаждения . То что сплаз Д19 проявляет сверхпластичность после литья со скоростью около 9.5 К/с , имеет большое практическое значение, так как при промышленном производстве скорость охлаждения при литье слитков промышленных размеров обычно не велика й может не обеспечить сохранение пересыщенных растворов переходных элементов. Сплав Д19, в сравнении со ^плавом Д20. допускает - в' 2-3 раза меньшие скорости охлаждения для обеспечения высоких показателей сверхпластичности, но для получения наилучших показателей сверхпластичности следует рекомендовать литье с повышенными скоростями охлаждения.

Исследование влияния содержания основных легирующих элементов Си и в пределах марки сплава Д19 на характеристики СПД показали. что увеличение содержания Щ в сплаве с 1.7 до 2'. 3 56 приводит к к снижению напряжения течения, уменьшению размера зерна с 15.3 до 11.1 мкм и росту относительного удлинения (1 * 10~4 с*1,490 °С) с 200 до 450 %. Содержание Си в сплаве , по-видимому, в меньшей степени влияет на показатели сверхпластичности сплава; сплавы. содержащие одинаковое количество Ыв - 2.3 % ( на- верхнем пределе марки), а Си - 3.8 % и 4.3 % соответственно, имеют практически одинаковое 5 при е - 1*10~4 и 490 °С.

Содержание Мп в сплаве выбрали в пределах 0.6 - 0.8 % на 0С7 новании работ по исследованию сверхпластичности сплава Д20, которому во многом сплав Д19 подобен. Таким образом, оптимальный состав сплава Д19 для производства сверхпластичных листов ультрамелкозернистой структурой имеет следующий вид : 4.0-4.3 55 Си; 2.0-2.3 X Мй: 0.6-0.8 % Мп; 0.1 % Т1; остальное -, А1.

Одной из основных операций для получения ультрамелкозернистой структуры в алюминиевых сплавах является гетерогенизационный отжиг, который обычно проводится перед холодной прокаткой после закалки для того, чтобы создать в сплаве повышенное количество равномерно распределенных центров рекристаллизации. Такими дополнительными центрами обычно являются выделения избыточных фаз размером более 0.8-1 мкм. В случае сплава Д19 такой фазой является Э-фаза ( А1гСиМя ). Анализ структуры горячекатанного материала показал, что основное ее количество выделяется во время горячей прокатки при температуре 430 °С, но объемная доля не достигает равновесного значения. Так как в горячекатанном материале имеется большое число частиц , размеры которых позволяют им увеличивать

Число центров рекристаллизации, было решено от закалки отказаться и проводить гетерогенизационный отжйг после горячей прокатки. . Температуру гетерогенизации выбрали в соответствии с температерой полного отжига для сплава Д19.

Оптимизацию времени выдержки при гетерогенизационном отжиге по показателям сверхпластичности проводили на горячекатанных образцах сплзза оптимального состава : А1 - 4.0 % Си - 2.2 % Щ -0.1 % Мп - 0.1 % Т1. которые отжигали в течении 5, 10. 15, 20 и 25 часов. Было установлено, что максимальные показатели сверхпластичности достигаются после проведения гетерогенизационного отжига в течении 15 ч. Размер зерна в сплаве уменьшается с 11,1 . кхм на образцах, не подвергавшихся гетерогенизации после горячей прокатки, до 8 мкм на образцах . прошедших гетерогенизационный откиг в течении 15 ч. При этом.в при СПД с е»1*10"4 с"1 и 490 0С .возрастает более чем в два раза - с 250 % до 530 %. Увеличение времени, выдержки при гетерогенизации свыше 15 ч не приводило к дальнейшему улучшению показателей сверхпластичности.

Исследования формирования в процессе гетерогенизационного отжига структуры показали, что с увеличением времени отжига происходит уменьшение кежчастичногб расстояния и увеличение объемной доли частиц Б-фазы. так что к 15 ч гетерогенизационного отжига объемная доля Б-фазы в сплаве составила около 12 %, что соответствует диаграмме состояния. Кроме того с увеличением времени гетерогенизации происходит увеличение среднего размера частиц { после 15 ч он-составил 0.4 мкм ) и, что особенно важно, увеличение количества частиц Б-фазы с размером большим 0.8-1 мкм. которые являются эффективными центрами рекристаллизации, способствуют формированию при рекристаллизации в листах сплава УМЗ структуры и,

соответственно, достижению высоких показателей сверхпластичности.

Основы®» факторами , влилгажи на разкер рекристаллизокан-ного зерна и, соответственно, на показатели СИ , на конечной стадии изготовления листов являются степень холодной деформации при прокатке и скорость нагрева при рекристаллизационом отжиге. В ходе исследований было установлено, что повышение степени холодной деформации листов сплава Д19 толщиной 1мм с 83 до 88 % приводит к улучшению всех показателей сверхпластичности, в частности к росту относительного удлинения во всем исследованном температурно-ско-ростном интервале. Так, например, образцы рекристаллизованные после холодной прокатки с е - 83 и 88 % в селитряной ванне и подвергнутые СПД при 490 °С с постоянной скоростью деформации 1«10"4 с*1 имели максимальное 5 390 и 500 %, соответственно.

Скорость нагрева до температуры рекристаллизационого отжига сплава Д19 сильно влияет на распределение зерен по размерам . Скоростной нагрев в селитре увеличивает долю мелких зерен и соответственно уменьшает средний размер зерна, что приводит к росту показателей СПД. Так, размер зерна в листах, рекристаллизсванних в селитре составил 8.0 мкм (с - 88 %).-& после рекристаллизации в воздушной печи - 10.5 мкм. что привело к падению 5 с 500 до 160 %. Аналигично влияют степень холодной деформации и скорость нагрева при рекристаллизации на показатели СПД листов сплава Д19 толщиной 3 мм.

' Таким образом , чтобы реализовать в листах сплава Д19 максимальные показатели сверхпластичности, необходимо обязательно проводить перед СПД рекристаллизацию холоднокатанных листов в селитре.

- 14 -

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ И МЕХАНИЗМОВ СПД

В исходном состоянии сплав Д19 представляет собой равноосную рекристаллизованнук матрицу алюминиевого твердого раствора , в которой равномерно распределены частицы марганцовистой Т-фазы и частицы Б-фазы эвтектического происхождения. Характерной особенностью сплава является повышенная стабильность его зеренной структуры. После нагрева под сверхпластическую деформацию в течение 20 мин размер зерна сохранялся (6.6 мкм). а в процессе СПД происходил небольшой его рост . После деформации в оптимальных условиях (490 °С, е - 1*10"4 с""1) размер зерна изменяется сравнительно мало: после разрыва .6 - 640 %. продольный размер зерна составил 11.6 ± 0.3 мкм. мкм. а поперечный - 9.0 4 0.2 . Понижение температуры испытаний с 490 °С до 475 °С или при 490 °С скорости деформации до 7»10"5с'', как и повышение до 5«Ю"4 и 1» 10"3 с"1, приводит к уменьшению максимального относительного удлинения и к более быстрому росту зерна при деформации.

Отмеченное выше различие среднего продольного и поперечного размера зерна свидетельствует о том, что в процессе СПД сплава Д19 происходит некоторое вытягивание зерен в направлении оси растяжения .При оптимальной скорости и температуре деформации наблюдается начальный рост коэффициента вытянутости зерен И до степени деформации - 200 %, где он достигает максимума (1М.4), а затем он снижается до значения - 1.3 и практически не меняется до разрушения. Понижение температуры или при той же температуре повышение скорости деформации на порядок выше оптимального значения приводит к более сильному вытягиванию зерен: коэффициент И на установившейся стадии приблизительно равен ~ 1.5.

В ходе экспериментов было установлено, что другсй замой особенностью поведения сплава Д1Э при СГЩ является слабое развитие пористости. При металлографическом исследовании структуры сплава и при исследовании изменения плотности образцов после различных степеней деформации в оптимальных условиях поры были обнаружены лишь при степенях деформации около 600 %. Отклонение от оптимальных условий СПД -повышение скорости деформации и понижение температуры - приводит к образованию пор уже при деформациях порядка 100 % и разрушению при гораздо более низких относительных удлинениях.

Поскольку у сверхпластичных сплавов появление пор связывается с действием зернограничного скольжения (ЗГС), слабое проявление деформационной пористости при оптимальных условиях деформации свидетельствует о слабой роли ЗГС при СПД сплава Д19.

Развитие зернограничного скольжения изучали, используя метод поперечных маркерных царапин. Образцы, на поверхность которых были нанесены маркеры, подвергали СПД в атмосфере аргона и затем исследовали их поверхность гз РЭМ. У:ке при качественном исследовании поверхности образцов после СПД было обнаружено, что смещения маркеров на границах зерен, свидетельствующие о протекании процессов зернограничного скольжения, незначительны. Учитывая, что наблюдаемые смещения царапин очень малы, и то. что продольнве смещения поперечных царапин всегда больше, чем поперечные смещения продольных царапин, для повышения точности все количественные измерения проводили по смещениям поперечных царапин, рассчитывая вклад в поперечную деформацию. Вклад зерноганичного скольжения в общую поперечную деформацию определяли по формуле

I И* * ъв сц Е)гс---- » ( 1 - е' )« 100. К, (1)

где езгс - величина деформации ЗГС; И1 - продольное смещение поперечной царапины на 1-той границе; а, - угол между осью деформации и 1-той границей; 1к - конечная длина маркерной царапины; е1 - общая поперечная деформация.

После деформации в оптимальных условиях (1*10"* с"1. 490 °С) зернограничное скольжение развито слабо - сдвиги маркерных царапин редки и малы. Вклад ЗГС в.общую деформацию после СГЩ на 40 Ж составил всего 8 55. При этом доля границ зерен, участвующих в зернограничном скольжении составила 30 %. Повышение скорости сверхпластической деформации или понижение температуры приводит к более активному развитию зернограничного скольжения. Однако и в этих случаях продолжения.маркерных царапин легко обнаруживаются. При скорости деформации е - 1*10"3 с"1 и температуре 490 °С после деформации на 40 % вклад зернограничного скольжения уже достигает 20 % и 15 % при е » 1 * 10~4 с"1 и 475 °С. а доля границ зерен, на которых поисходят смещения составляет уже 85 и 75 %. соответственно.

Слабое развитие ЗГС в сплаве Д19, по-видимому, обусловлено сильным блокированием границ зерен частицами Т-фазы. Это. вероятно, общая со сплавом Д20 причина слабого развития зернограничного скольжения.

При исследовании поверхности образцов после СПД в РЗМ обращает на себя внимание развитие складчатости по границам, зерен. Складки оконтуривают все зерна. Такая складчатость, как известно, при СПД - результат дислокационного скольжения в мантии зерна.

Развитие внутризеренного скольжения определяли на образцах деформированных на 20 и 80 X (исходное состояние), а затем подтянутых еще на 20 % со скоростью деформации 1*10"4 с"1 при температуре 490 °с. Средняя величина внутризеренной деформации после СПД в оптимальных условиях (от исходных степеней деформации 20 и 80 %) на 20 % и ее долю от общей деформации определяли по 80 '- 85 зернам, в которых обнаруживались поперечные маркерные царапины у границ внутри зерна по формуле

- - -- * 100 % (2)

г1 1, » е1

где 1, и 1» - расстояние между поперечными маркерами в данном зерне до и после СПД; е„,с - средняя деформация ВЗС; е1 - общая продольная деформация.

Расчет по формуле (2) позволяет оценить долю средней деформации ВЗС от общей продольной деформации е1 только для совокупности измеренных зерен, поскольку измерению подвергались не все зерна на исследуемом участке, а выборочные, только те.,в которых были царапины.

Распределению величины ВЗС в измеренной выборке свойственней малый размах, свидетельствующий об однородности внутризеренной деформации. Доля средней деформации ВЗС ( £в,с/ с1 ) от общей поперечной деформации сплава Д19 после СПД при 490 °С и е - 1*10'4 с"1 составила около 30

Проведенные исследования указывают на то, что для сплава Д19 механизмы зернограничного и внутризеренного скольжения не являются ведущими (с точки зрения величины их вклада в общую деформацию) в оптимальных условиях сверхпластической деформации. По-ви-

димому, ЗГС и ВЗС являются лишь аккомодационными процессами, необходимым для протекания диффузионной ползучести. Повышение скорости деформации или понижение температуры затрудняют диффузионную ползучесть, что по-видимому и приводит к более интенсивному зернограничному скольжению, развитию пористости и снижению относительного удлинения. Такую сверхпластичность сплава Д19. проявляющуюся при высоких гомологических температурах в узком интервале скоростей деформации { 490-495'°С, е=(1+2)»10"4 с*1 ), можно назвать "подсолидусной" сверхпластичностью.

Диффузионную ползучесть в сплаве Д19 можно было обнаружить по образованию скоплений частиц Т-Фазы на продольных границах и зон свободных от выделений - на поперечных при просвечивании фольг в ПЭМ. Было установлено, что диффузионная ползучесть в сплаве Д19 имеет свои особенности: в процессе СПД на поверхности образцов в- РЭМ и на тонких фолъгах в ПЭМ обнаружено, что на исходно равноосных частицах S-фазы уже при деформации 15 % появляются "отростки", "ветви", направленные вдоль границ а-фазы. Такое поведение S-фазы можно рассматривать как диффузионную ползучесть, протекающую по растворно-осадительному механизму, предложенному A.A. Бочваром. По мере увеличения степени деформации свыше 100 % количество отростков на частицах S-фазы уменьшается и после 400 % деформации частицы S-фазы вновь округляются, ее "ветви" Фрагмен-тируются и исчезают . Такая специфическая диффузионная ползучесть мгчеет приводить к залечиванию микронесплошностей при деформации сплава, и эта ее аккомодационная функция также должна способствовать снижению пористости.

• Диффузионная и дислокационная ползучесть, являющиеся основными (по величине вклада в общую деформацию) механизмами СПД в

сплаве Д19 должны, как известно , в соответствии с их природой приводить к вытягиванию зерен. Однако, коэффициент вытянутости зерен R у сплава Д19 после СПД ( е - 1*10'* с"1, 490 °С ) практически не изменен в области деформации 300 - 600 % и составляет всего 1.3 . Такую стабильность формы зерен и слабое их укрупнение можно объяснить только образованием новых мелких и равноосных зерен, т.е. динамической рекристаллизацией при СПД.

При анализе особенностей формы распределения'зерен по размерам и по изменению относительного количества зерен в единице площади шлифа после СПД до различных степеней деформации в оптимальных условиях было обнаружено, что периодически возникают фракции мелких зерен размером 1 - 3 мкм. На зависимости относительной плотности зерен от степени деформации, построенной после СПД при оптимальной скорости 1»1с*1 и 490 "С наблюдаются пики относительной плотности зерен при деформациях 15, ,200 и 400 %.

Колебания относительной плотности по амплитуда в несколько раз превышают ошибку измерений и свидетельствуют о периодическом образовании новых зерен.

Элементом образования таких новых зерен служит образование стенок дислокаций и субграниц, которое было выявлено при исследовании тонкой структуры в ПЭМ. Такие субграницы делят вытягивающиеся зерна в поперечном направлении на части . набирая ориентировку путем встраивания дислокаций. При исследовании одного и того же участка после деформации на 150 и 200 % были выявлены новые поперечные границы и новые зерна, что свидетельствует о стабилизации формы и размеров зерен сплава Д19 в процессе СПД посредством динамической рекристаллизации.

ПОЛУЧЕНИЕ ОПЫТНОЙ ПАРТИИ СВЕРХПЛАСТИЧНЫХ ЛИСТОВ ИЗ СПЛАВА Д19 • В ПРОМЫШЛЕННЫХ УСЛОВИЯХ И МОДЕЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ МЕТОДОМ СПФ

На основании проведенных исследований были сформулированы " Основные требования к технологии производства сверхпластичных листов ( неплакированных ) из сплава Д19, на базе которых было разработано техническое задание на опробование технологии получения сверхпластичных листов из сшгёва Д19 в условиях завода ВИЛС.

Технология получения сверхпластичных листов включала в себя следующие операции: гомогенизационный отяиг по двухступенчатому режиму 460 4 5 °С, в ч, 490 ± 5 °С. 18 ч с дальнейшим охлаждением с печью; горячая прокатка при 430 ± 10 "С; гетерогенизационный отжиг яри 430 ± 5 °С, 15 ч; холодная прокатка до конечной толщины; рекрнсталлизационный отжиг в селитряной ванне по режиму 490 г 5 °С, 5 мин. Были получены листы толщиной 1, 2 и 3 мм следующего химического состава:А1 - 4.12 % Си - 2.26 % Щ - 0.62 % Ип - 0.14 % Ре - 0.12 55 Э1 - 0.03 % - 0. 03 X Т1 - 0.01 % Ве.

Все листы имели высокие показатели сверхпластичности. Размер рекрясталлизованного зерна составил в листах толщиной 1 мм составил 6.2 мкм, в листах толщиной 2 мм - 6.6 мкм. в листах толщиной 3 нм - 7.6 мкм. Максимальное относительное удлинение б при оптимальной температуре 490 °С и е » 1*10"4 с*1 составило : для листов толщиной 1 ММ - 640420%. для листов толщиной 2 мм - 44012035. для листов толщиной 3 мм - 450±20%. ,

Из листов промышленной партии толщиной 2 мм методом СПФ при температуре 490 °С и давлении аргона, обеспечившим среднюю скорость деформация около 1*10"4 с"1 были получены модельные детали типа " жесткость" со степенью деформации в " рифтах " 100 %. Было

установлено, что после СП$ на ICO % и стандартней термообработки (закалка 500 "С, 5 шш, искусственное старение 190 °С, 14 ч) отличия б,.г, ба и ó при комнатной температуре от свойств сплава Д1Э, теркосбработанного по тему же режиму в исходном состоянии, и литературных данных укладываются в доверительные интервалы оценок я составляет1 330*15 МПа, 435Ü5 НПа. 6 %, соответственно . Поэтому можно считать . что 100 % СПЛ в оптимальных температурно-ско-ростных условиях на свойства сплава Д19 значимо не влияют.

ВЫВОДЫ

1. Проведено исследование влияния различных технологических факторов на формирование ультрамелкозернистой структуры ч показатели сверхпластичности листов стандартного алюминиевого сплава Д1Э, предназначенного для обтвки летательных аппаратов, вкличал влияние состава сплава б пределах марки, режимов литьл,' гомогенизации. промежуточного отжига, холодной деформации и ре:;рист8лли-зационного оглнга.

2. Установлено, что получений ультранелкозернистсй структуры способствуют повышенные скорости охлаждения при литье, содержание Mg на верхнем пределе марки, холодная деформация со степенями об-згатия превышающими 75 % и рекристаллизационный отжиг с ускоренным нагревом в селитре.

3. Показано, что проведение двухступенчатого гомогенизацион-ного отаига по ренину 460 ± 5 "С. "6 ч. 490 ± 5 °С, 18 ч вместо стандартного одноступенчатого приводит к уменьшению размера рек-ристаллизованного зерна и к двухкратному увеличению относительного удлинения при растяжении с постоянно!! скоростью деформации е -

1 * 10"* с"1.

. 4. Установлено, что проведение после горячей прокатки гете-ро^енизационного отаига при 430 °С в течении 15 ч приводит к созданию таких распределения, размера и объемной доли частиц упрочняющей Б-фазы. которые обеспечивают в дальнейшем получение минимального размера зерна и максимальных показателей сверхпластичности у листов сплава Д19.

5. Анализом структурных изменений во время сверхпластической деформации сплава Д19 установлена повышенная стабильность его структуры, в следствие чего при нагреве под сверхпластическую деформацию исходное зерно не растет и укрупнение наблюдается лишь в процессе деформации. При этом происходит вытягивание зерен на начальной стадии, после чего коэффициент вытяиутости зерен, равный 1.3, при оптимальных условиях деформации сохраняется до разрыва.

6. Установлено, что характерной особенностью сплава Д19 при сверхпластической деформации является слабое развитие пористости; в оптимальных условиях деформации (е-1«10"* с*1,490 °С) поры обнаруживаются лишь вблизи точки разрыва (после 600 %). Повышение скорости деформации на порядок или понижение температуры на 15 9 С приводит к более раннему обнаружению пор (100 и 300 %, соответственно) .

7. Количественным анализом изменений рельефа поверхности образцов сплава Д19 после сверхпластической деформации установлено характерно слабое развитие зернограйичного скольжения, вклад которого после деформации 40 % в оптимальных условиях (е»1*10"4 о''.490 °С) в общую поперечную деформацию составил 8 %. Повышение скорости деформации на порядок или понижение температуры на 15 °С увеличивают вклад зернограничного скольжения до 15-20 %, чем и

объясняется более активное порообразование и снижение относительного удлинения после деформации в этих условиях.

8. При сверхпластической деформации сплава Д19 выявлено внутризеренное дислокационное скольжение- по образованию сетки складок на границах зерен в ыантии и изменению субструктуры, образованию стенок дислокаций в теле зерен при просвечивании фольг; доля, внутризеренной деформации от общей поперечной деформации, измеренная по 80 - 85 зернам, в которых были определены изменения расстояний между маркерными царапинами, составила ~ 30 %.

9. Показано, что диффузионная ползучесть проявляется формированием зон. свободных от выделений на поперечных границах и скоплений частиц на продольных. Кроме того, установлено.' что диффузионная ползучесть сопряжена с растворно-осадительными процессами, из-за которых частицы Б-фазы {А1гСи}^) образуют отростки по границам зерен алюминиевой матрицы.

10. Анализом особенностей формы распределения зерен по размерам и изменений относительного числа зерен на единице площади шлифа во время сверхпластической деформации установлено периодическое формирование новых мелких зерен, при этом элементарными составляющими этого процесса являются формирование суб- и высокоугловых границ, свидетельствующее о протекании динамической рекристаллизации.

11. Проведенные исследования структурных изменений показали, что "подсолидусная" сверхпластаческая деформация в сплаве Д19 осуществляется диффузионной и дислокационной ползучестью, аккомо-дориванными слабым зернограничным скольжением, в сочетании с непрерывной динамической рекристаллизацией, способствующей сохранению формы и размеров зерен^

12. На основе лабораторных экспериментов и исследований сформулированы основные требования к технологии производства сверхпластичных листов (неплакированных) из сплава Д1Э, на основе которых заводом ВИЛС выпущена опытно-промышленная партия .листов толщиной 1.2 и 3 мм.

13. Показано, что листы сплава Д19 толщиной 1.2 и 3 мм, изготовленные в промышленных условиях, имеют высокие показатели сверхпластичности: средний размер рекристаллизованного зерна -6.2, 6.6, 6.7 мкм, максимальное относительное удлинение при оптимальной температере 490 °С и постоянной скорости деформации 1»10"4 с"1 - 640, 450 и 440 %, соответственно, и напряжения течения для тех же условий 1 - 2 МПа.

14. Из листов промышленной партии получены модельные детали типа "жесткость", "коробил". Испытаниями образцов, вырезанных из этих деталей, показано, что сверхпластическая формовка листов сплава Д19 с вытяжкой 100 % не влияет на его механические свойства после стандартной термообработки.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. V.S. Levchenko. O.V. Solovjeva, V. К. Portnoy. Yu.V. Shev-nuk. Superplastlcity of commercial Al-Cu-Mg-Mn alloy Д19. - Su-perplasticlty In Advanced Materials, Proc. Int.conf. 1CSAM-94. Moscow. 1994, p. 261 - 266.

2. B.K. Портной. O.B. Соловьева, B.C. Левченко, D.В. Шевнюк. Сверхпластичность промышленного алюминиевого сплава Д!9. - Цветные металлы, 1995, К 3. с. 50 - 53. ^р fa^ggfej^

МОСКОВСКИЙ ШСТШТ СТАЛИ И СПЛАВОВ (ТЕХНОЛОГИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ

Заказ Ofoew I п.л. Тира* 100 экз.

Типография МИСиС, ул.Орджоникидзе, 8/9