автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Влияние кальция и режимов термической обработки на структуру и технологические свойства листов сплава В-1341 системы Al-Mg-Si

На правах ру сописи

КЛОЧКОВ ГЕННАДИИ ГЕННАДЬЕВИЧ

ВЛИЯНИЕ КАЛЬЦИЯ И РЕЖИМОВ ТЕРМИЧЕСКОИ ОБРАБОТКИ НА СТРУКТУРУ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЛИСТОВ СПЛАВА В-1341 СИСТЕМЫ А1-М§-8!

Специальность: 05.16.01 «Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

13 МАЙ' 2015

Москва-2015

005568411

005568411

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации (ФГУП «ВИАМ»),

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Антипов Владислав Валерьевич

кандидат технических наук, начальник НИО ФГУП «ВИАМ»

Рохлин Лазарь Леонович

доктор технических наук, профессор, помощник заведующего лабораторией ФГБУН ИМЕТ им. A.A. Байкова РАН

Чеверикии Владимир Викторович

кандидат технических наук, старший научный сотрудник кафедры металловедения цветных металлов ФГАОУ ВПО «НИТУ «МИСиС»

Ведущая организация:

ОАО «НИАТ»

Защита состоится «02» июня 2015 г. в 15:00 часов на заседании диссертационного совета Д 403.001.01 при ФГУП «ВИАМ» по адресу: 105005, г.Москва, ул. Радио, д. 17. Тел.: (499) 261-86-77, факс: (499) 267-86-09, e-mail: admin@viam.ru. internet: wvvw.viam.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГУП «ВИАМ» и на сайте viam.ru/disser.

Просим Вас и сотрудников Вашего учреждения принять участие в заседании диссертационного совета или прислать свой отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью организации, по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан » 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Шишимиров М.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Постоянно растущий интерес к применению алюминиевых сплавов в транспортном машиностроении и расширение областей их применения в авиационных конструкциях связаны с комплексом ценных свойств этих сплавов, среди которых, в первую очередь, следует назвать высокую прочность в сочетании с малой плотностью и высокой коррозионной стойкостью, хорошую технологичность в процессе литья, деформации, формообразования и механической обработки. Возможность соединения алюминиевых деталей с помощью сварки, пайки, склеивания, клепки и других механических способов, способность к нанесению защитных и декоративных покрытий сделали алюминиевые сплавы основным материалом в различных конструкциях.

С развитием перспективных изделий машиностроения и авиационно-космической техники к алюминиевым сплавам предъявляются следующие требования:

— высокая технологичность при изготовлении различных видов полуфабрикатов при металлургическом производстве и деталей из них, что способствует сокращению операционных и температурно-временных циклов изготовления изделий, а также сборки узлов конструкции;

— хорошая свариваемость;

— отсутствие в составе дорогостоящих, редкоземельных легирующих элементов и высокотоксичных компонентов, которые попадают в воздушную атмосферу в процессе обработки сплава и при сварке.

Из алюминиевых сплавов предъявленным выше требованиям в наибольшей степени удовлетворяют сплавы систем А1-М§-51 и А1-М§, по зарубежной классификации это сплавы серии бххх и 5ххх, соответственно. Эти сплавы при низком или среднем уровне прочности обладают высокой коррозионной стойкостью, хорошей пластичностью в горячем и холодном состоянии, свариваемостью; легко поддаются холодной гибке, штамповке и глубокой вытяжке, цветному анодированию, эмалированию. В зарубежной промышленности они применяются в автомобилестроении и авиационно-космической технике. В самолетах различных модификаций из сплавов серии бххх выполняются сварные панели фюзеляжа, подвесные топливные баки, трубопроводы и другие детали бортовых систем.

В России конструкции, изготавливаемые с применением холодной листовой штамповки и сварки, выполняются из сплавов системы (АМг2

и АМг4). Однако эти сплавы обладают относительно низкой прочностью, не являются вакуумплотными в листах толщиной менее 2 мм, склонны к наклепу и формированию деформационных полос при правке растяжением.

Анализ зарубежного опыта показывает, что для аналогичных целей используются листы из сплавов серии бххх. В отечественной практике нашли широкое применение всего четыре сплава этой системы - АД31, АДЗЗ, АД35 (прессованные полуфабрикаты для строительства) и АВ (тонкие листы для

лонжеронов лопастей вертолетов), тогда как в международном реестре алюминиевых деформируемых сплавов насчитывается уже около 100 марок.

Сплавы системы А1-Мд-51 обладают заметно более высокими прочностными характеристиками по сравнению со сплавами системы А1-М§, однако для гарантированного применения в промышленности необходимо улучшить их способность к формообразованию при холодной деформации. Одним из существенных факторов, определяющих эту способность, является кристаллографическая текстура. Вопросы штампуемости материала также невозможно рассматривать вне связи с их зеренной структурой (размер зерна в листах из сплавов типа авиаль не должен превышать величины ~ 80 мкм). В алюминиевых сплавах на параметры структуры существенное влияние оказывают переходные (Ре, 7л, П), а также щелочные и щелочноземельные металлы, например Са.

Некоторыми исследователями было установлено положительное влияния микродобавок кальция на литейные и технологические свойства алюминиевых сплавов, а также на формирование их зеренной структуры.

Во ФГУП «ВИАМ» разработан среднепрочный высокотехнологичный коррозионностойкий свариваемый сплав системы В-1341 (типа АВ),

дополнительно легированный добавками Са.

Таким образом, разработка промышленной технологии изготовления листов с регламентированной структурой и высокими параметрами технологической пластичности из сплава В-1341, легированного кальцием, с целью замены сплавов группы АМг в изделиях машиностроения и авиационно-космической техники, является актуальной задачей.

На момент начала диссертационного исследования на партии листов сплава системы полученной в экспериментальных условиях

ФГУП «ВИАМ», было установлено положительное влияние кальция на их технологическую пластичность.

Цель работы: изучение влияния легирующей добавки кальция и режимов термической обработки на структуру и свойства листов из сплава В-1341 системы А1-М§-81 и разработка промышленной технологии изготовления методом рулонной прокатки листов с регламентированной структурой и высокими параметрами технологичности.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:

1. Установить пределы содержания легирующей добавки кальция в сплаве В-1341.

2. Выбрать способ введения кальция в расплав и разработать промышленную технологию изготовления листов.

3. Изучить влияние режимов термической обработки на структуру и механические свойства листов.

4. Оценить технологические свойства и свариваемость листов и изготовить из них детали в условиях самолетостроительного производства методами холодной листовой штамповки и сварки.

Научная новизна работы:

1. Установлено, что модифицирующая добавка кальция в количестве (0,05-0,15) масс. % способствует получению изотропных листов с регламентированной зеренной структурой с размером зерна (20-60) мкм и формированию компонентов текстуры, благоприятных для холодного формообразования, а также позволяет снизить коэффициент трещинообразования и существенно повысить критическую скорость деформации при сварке.

2. Показано, что легирование кальцием приводит к образованию в слитке после гомогенизации дисперсных частиц избыточных интерметаллидных фаз переменного состава Al3Si2Ca и Ali2Si4Mg3Ca, являющихся центрами зарождения новых зерен и препятствующих их росту в процессе рекристаллизации.

3. Установлено, что введение кальция непосредственно в расплав перед переливом в миксер обеспечивает усвоение легирующей добавки более 70 % и минимальные потери.

Практическая значимость работы:

1. Разработана и внедрена на ОАО «КУМЗ» промышленная технология рулонной прокатки изотропных листов толщиной (0,6-3,0) мм из сплава В-1341 с регламентированной структурой, которая позволяет снизить приблизительно на 50 % трудоемкость при металлургическом и машиностроительном производстве, и, следовательно, стоимость продукции в сравнении с серийными сплавами группы АМг, благодаря отсутствию операций предварительных и межоперационных отжигов.

2. Изучены особенности формирования структуры и свойств в зависимости от температурно-временных параметров термической обработки и разработан режим (закалка 530 °С, 20 мин, старение 170 °С, 10-14 ч), обеспечивающий наилучшее сочетание прочности и технологической пластичности листов (Т1 : ов > 330 МПа, с0 2 > 260 МПа, 5 > 10 %; Т: R . = (0,5-

min 4

1,0)-S, S-толщина листа, К , =1,2-1,25, К =1,9-1,95,К =29-35%).

7 ото. ' выт. ' ' 7 выд. '

3. Изучено влияние кальция на склонность к образованию горячих трещин и разработана технология автоматической аргонодуговой электросварки, обеспечивающая получение сварных соединений с коэффициентом разупрочнения основного материала ов св'/ овосн > 0,9.

4. Листы из сплава В-1341 с регламентированной структурой внедрены в конструкции элементов системы кондиционирования воздуха (трубопроводы, в т.ч. сварные, патрубки сложной конфигурации), законцовок и лобовика крыла российского самолета SSJ 100 (Sukhoi Super Jet) взамен листов из сплавов группы АМг.

5. По результатам проведенных исследований разработана и выпущена следующая нормативная документация:

- технологическая рекомендация TP 1.2.1877-2006 «Получение листов с регламентированной структурой из сплава В-1341»;

технологическая рекомендация TP 1.2.1932-2006 «Сварка конструктивных элементов из сплава В-1341 для изделия RRJ».

Положения, выносимые на защиту:

1. Разработка промышленной технологии изготовления листов из сплава В-1341 системы Al-Mg-Si с регламентированной по размеру зерна структурой.

2. Особенности влияния кальция на структуру и технологические свойства листов.

3. Разработка режима термической обработки листов, обеспечивающего наилучшее сочетание прочности и технологической пластичности.

Личный вклад автора состоит в установлении пределов легирования кальцием сплава В-1341; изучении особенностей формирования структуры и свойств листов в зависимости от режимов термической обработки; получении и обобщении данных о фазовом составе, механических, технологических, коррозионных характеристиках; исследовании свариваемости; выпуске нормативной документации.

Апробация работы. По материалам диссертации сделано 12 докладов на всероссийских и международных научно-практических конференциях:

- III научно-практической конференции «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности», ОКБ «Сухого», г. Москва, 2005 г.;

- VI научной конференции «Гидроавиасалон-2006», г. Геленджик, 2006 г.;

- VI Международной конференции «Участие молодых ученых, инженеров и педагогов в разработке и реализации инновационных технологий», МГИУ, г. Москва, 2006 г.;

- конференции, посвященной 75-летию Московского Вечернего Металлургического Университета, г. Москва, 2006 г.;

- Международной конференции «Актуальные вопросы авиационного материаловедения», ВИАМ, г. Москва, 2007 г.;

- VII Международной конференции «Молодые ученые -промышленности, науке, технологиям и профессиональному образованию; проблемы и новые решения», МГИУ, г. Москва, 2007 г.;

- IV научно-практической конференции «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности», ОАО «ОКБ Сухого», г. Москва, 2007 г.;

- научно-практической конференции молодых ученых, посвященной 120-летию со дня рождения И.И. Сидорина, ВИАМ, г. Москва, 2008 г.;

- международной конференции «The 1 Ith International Conference of Aluminium Alloys» (ICAA 11), Aachen, Germany, 2008 г.;

- конференции «Современные технологии и оборудование: новые возможности в производстве изделий из алюминиевых сплавов. Искусство продвигать и продавать продукцию», г. Каменск-Уральский, 2011 г.

Публикации. Результаты работы отражены в 12 публикациях, из них 4 в журналах, входящих в перечень ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка используемых сокращений и обозначений, литературных источников из 102 наименований, 119 страниц машинописного текста, 43 рисунков и 19 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность выбранной темы, сформулирована цель работы, ее научная новизна и практическая значимость.

В первой главе проведен обзор отечественной и зарубежной литературы по алюминиевым сплавам, применяющимся для изготовления деталей методами холодной листовой штамповки (системы Al-Mg и Al-Mg-Si) для изделий авиационно-космической техники и машиностроения. Показано, что сплавы системы Al-Mg-Si нашли широкое применение за рубежом благодаря сочетанию среднего уровня прочности с высокой технологичностью при листовой штамповке, коррозионной стойкостью, хорошей свариваемостью. Показана связь текстурных компонентов листового материала со способностью к различным видам формообразования методами холодной листовой штамповки. Рассмотрены разные взгляды на целесообразность легирования алюминиевых сплавов кальцием. Отмечено, что вопросы легирования кальцием алюминиевых сплавов недостаточно изучены. Выявлена актуальность исследований, направленных на разработку отечественных сплавов системы Al-Mg-Si для листовой штамповки, а также по микролегированию кальцием. По результатам проанализированной литературы сформулированы задачи работы.

Во второй главе описано оборудование и материалы, используемые при проведении исследований. Все испытания проведены на современном оборудовании в соответствии с действующими стандартами и методиками РФ. Режимы термической обработки полуфабрикатов приведены по тексту диссертации.

Материалом для исследований служили: экспериментальные листы толщиной 1,5 мм, изготовленные во ФГУП «ВИАМ» (глава 3); промышленные плоские слитки сечением 300x1100 мм, длиной 2600 мм и изготовленные из них листы толщиной (0,6-3,0) мм, шириной 1200 мм, длиной 2500 мм из сплава В-1341 производства ОАО «КУМЗ» (глава 4, 5); сварные соединения листов размером 150x400 мм и детали, изготовленные методами холодной листовой штамповки (ОАО «РСК «МиГ», глава 6).

Микроструктуру исследовали методом оптической микроскопии при помощи микроскопа Neophot30, оснащенного цифровой камерой фирмы «Olympus», и методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). Кристаллографическая текстура листов изучена по результатам съемки на рентгеновских дифрактометрах: ДАРТ УМ и URD6 в СиК„-излучении, монохроматизированном от монокристалла графита, с построением прямых

полюсных фигур (ППФ) (004); ДРОН-7 с текстурной приставкой ПГТМ в СоКа-излучении, для построения функции распределения ориентировок (ФРО), на котором проведена съемка полюсных фигур (111), (200), (220) и (311). ФРО рассчитывали с помощью программного комплекса Теххог2012, использующего метод суперпозиции большого числа ориентировок.

Идентификация фаз, избыточных по отношению к алюминиевому твердому раствору, проведена с помощью дифрактограмм, отснятых в интервале углов 3°<2©<50° в Си К, - излучении на дифрактометре URD6. Фрактографический анализ проводили на растровом электронном микроскопе JSM-840. Ликвацию компонентов исследовали методом спектрального анализа на приборе Spectrolab-M. Дифференциально-термический анализ проводили на приборе NETZSCH DSC 403F3 в интервале температур от 200 до 700 °С.

Для количественного определения химического состава фазовых составляющих в слитках применяли микрорентгеноспектральный анализ (МРСА), который проводили на сканирующем электронном микроскопе JSM-5900LV фирмы JEOL с приставкой электронно-зондового микроанализатора (ЕРМА) локальностью 1 мкм.

Степень рекристаллизации определяли на рентгеновском аппарате УРС-60 с максимальной мощностью 60 кВт и силой тока 10 мА.

Третья глава посвящена изучению механизма влияния легирующей добавки кальция на структуру и технологичность листов из сплавов типа АВ (авиаль) системы Al-Mg-Si. Исследования проведены на листах сплавов трех составов, отличающихся количеством легирующей добавки кальция (без кальция, 0,014 и 0,14 масс. %).

Анализ микроструктуры листов исследуемых составов показал заметное различие, как по размеру зерна, так и по характеру самой структуры (рис. 1). Зерна в сплаве 1 (без кальция) значительно крупнее, чем в сплаве 2, соответственно ~150 и ~30 мкм, они имеют более равноосную (полигональную) форму. По всей вероятности, в материале листа из сплава 1 прошла собирательная рекристаллизация. Размер зерна в листе состава 3-более 100 мкм.

а б в

Рис. 1. Структура листов с различным содержанием кальция а - без Са, б - 0,14 % Са, в - 0,014 % Са

Для установления влияния легирующей добавки кальция на формирование текстуры был проведен анализ текстурных компонент, формирующихся в листах в поверхностной, срединной части и на глубине 1/4 по толщине.

Основной особенностью ППФ (004) листов является наличие центрального максимума (Р-10-20), соответствующего кубической текстуре, которая формируется обычно в процессе рекристаллизации. Помимо кубической текстуры, на ППФ подповерхностных слоев сплавов 1 и 3 фиксировались следы текстуры Госса типа {110}<001>, которая обычно ослабляет способность материала к глубокой вытяжке, и компонент {113}<332>. На большинстве полюсных фигур видны изолированные, свидетельствующие о присутствии крупных зерен, интенсивные максимумы, выстраивающиеся в кольца, отвечающие углу наклона %~55°, ЧТо указывает на возможность формирования аксиальной текстуры {111}<Ьк1>. Полюсные фигуры сплава 2 имеют более регулярный характер, на них практически полностью отсутствуют сильные изолированные максимумы (рис. 2), что позволяет говорить о модифицирующем воздействии добавки кальция.

Рис. 2. ППФ листов: а - без Са, 6-0,14 % Са

Обнаружено систематическое изменение интенсивности кубического компонента при варьировании химического состава (содержание кальция), указывающее на возможность регулирования текстуры, и, соответственно, штампуемости изучаемых листов за счет введения в качестве легирующих добавок кальция. В образцах сплавов 1 и 3 по толщине листа имеет место неоднородность зеренной структуры - в поверхностном слое прошла

собирательная рекристаллизация, во внутренних слоях рекристаллизация идут с образованием сильной кубической текстуры и зерен с ориентацией (113)-н(114).

В листах сплава 2 с содержанием 0,14 % Са установлено выравнивание кубической текстуры по толщине, отсутствует резкая неоднородность текстуры по толщине. В поверхностном слое сильные индивидуальные максимумы отсутствуют и наблюдается очень однородная равномерная зеренная структура по толщине, что должно обеспечить высокую технологичность при глубокой вытяжке.

Рентгенофазовым анализом идентифицированы наиболее интенсивные рефлексы интерметаллических фаз в листах, характерных для сплавов системы А1-М§-81: а-(А1, Бе, 81), А13Ре, А118Си451 и пр. (рис. 3).

Рис. 3. Дифрактограмма сплава с 0,14 % Са

Для оценки влияния легирующей добавки кальция на механические свойства и технологичность листов при холодной деформации определены свойства при растяжении и коэффициенты штампуемости: минимальный радиус гиба (Ят1П) и коэффициент выдавки (Кзыд) листов с различным содержанием кальция в состоянии Т (закалка и естественное старение) и Т1 (закалка и искусственное старение).

В результате проведенных исследований установлено, что:

- кальций способствует формированию равноосной мелкозернистой структуры, обеспечивающей изотропность механических свойств листов;

- сплавы исследуемых составов обладают высокой технологической пластичностью при гибке и выдавке, однако способность к выдавке у листов сплава с содержанием кальция 0,14 % несколько выше, поверхность образцов после испытания гладкая. На образцах сплавов без кальция и с низким содержанием кальция наблюдались поверхностные дефекты типа «апельсиновая корка», которые образовались в результате собирательной рекристаллизацией в поверхностных слоях листов и, соответственно, наличия в них крупного зерна.

В четвертой главе приведены результаты освоения промышленного производства листов из сплава В-1341. При разработке промышленной технологии была решена задача введения легирующей добавки кальция в расплав и защиты его от контакта с окружающей средой. Было опробовано два варианта:

- вариант № 1: кальций вводился в виде прутка непосредственно в лоток в процессе литья из расчета содержания в сплаве 0,1 % Са, при этом во избежание выгорания кальция в место подачи прутка непрерывно засыпался молотый флюс и подавался аргон;

- вариант № 2: кальций в виде гранул вводился непосредственно в расплав, расчетное содержание кальция 0,15 %, при этом кальций, предварительно завернутый в алюминиевую фольгу и помещенный в дырчатую коробку, вводился в печь под зеркало расплава при температуре 740 °С.

Экспресс-анализ и окончательный химический анализ показал, что при введении кальция непосредственно в расплав (вариант № 2) его усвоение значительно выше, чем при введении прутком в распределительный лоток, невозвратные потери намного ниже. Фактическое содержание кальция: для варианта №1 - 0,03-0,06 (расчетное 0,1 %); для варианта №2 - 0,11 % (расчетное 0,15 %).

При введении кальция в виде прутка (вариант № 1) наблюдается неоднородность по химическому составу, этот способ сложнее в практической реализации, отличается нестабильностью процесса и нежелателен по технике безопасности, т.к. при вводе происходит горение и искрение прутка. Наиболее рациональным вариантом является введение кальция непосредственно в расплав перед переливом металла из плавильной печи в миксер.

При исследовании структуры слитков методом

микрорентгеноспектрального анализа установлено, что легирующая добавка кальция приводит к образованию в сплаве В-1341 дисперсных частиц избыточных интерметаллических фаз переменного состава А13512Са и А112814Мд3Са, способствующих зарождению новых зерен. Вероятно, кальций, как поверхностноактивный элемент, изменяет вклад зернограничной энергии, что является фактором, сдерживающим развитие собирательной рекристаллизации.

При выборе температуры горячей прокатки руководствовались результатами исследований механических свойств образцов от слитков из сплава В-1341 при повышенных температурах (300-500) °С (рис. 4).

20 300 330 360 390 -120 4<0 4 SO 500 Температура, °С

20 300 330 360 330 420 450 4S0 500 Температура,® С

а б

Рис. 4. Свойства образцов из слитков сплава В-1341 при повышенных температурах а — относительное удлинение; б - относительное сужение

Наилучшей пластичностью образцы из слитков обладают в интервале температур (390-480) °С - значения условного предела текучести в этом интервале минимальны (27-15 МПа), а относительного удлинения и сужения максимальны (42-49 %) и (83-90 %), соответственно. Для сравнения на графиках приведены значения механических свойств образцов из слитков сплава с фактическим содержанием кальция ~ 0,05 %.

В работе, проведенной ранее д.т.н. Грушко O.E., показано, что с увеличением температуры прокатки (до 500 °С) листов из сплава типа AB, дополнительно легированного малыми добавками кальция, резко снижается коррозионная стойкость - увеличивается склонность к межкристаллитной коррозии (МКК).

Таким образом, для получения листов с высокой коррозионной стойкостью и во избежание дополнительных энергозатрат на нагрев заготовок перед прокаткой температурный интервал прокатки был выбран ближе к нижнему пределу максимальной пластичности - (390-420) °С.

Горячую прокатку проводили до толщины 6,0 мм, после этого без предварительного и промежуточного отжигов (в отличие от сплавов группы АМг) холодной рулонной прокаткой были изготовлены листы толщиной 1,5 мм.

Пятая глава посвящена разработке режимов упрочняющей термической обработки (закалка и искусственное старение) промышленных листов из сплава В-1341, исследованию влияния естественного старения на свойства и оценке их изотропности.

При разработке режимов термической обработки проведено исследование влияния времени выдержки под закалку в диапазоне от 10 до 30 мин на размер зерна и изотропность листов из сплава В-1341 толщиной 0,6; 1,0; 1,5 и 3,0 мм. Вне зависимости от времени выдержки под закалку в листах формируется мелкозернистая структура с размером зерна ~ 20-30 мкм (листы толщиной 0,6; 1,0 и 1,5 мм) и ~ 65 мкм (листы толщиной 3,0 мм) (рис. 5). Для улучшения способности к холодному формообразованию необходимо, чтобы в листах не

протекали процессы собирательной рекристаллизации с ростом зерен, структура должна быть мелкозернистая, прошедшая первичную рекристаллизацию, что подтверждено на рентгенограмме (рис. 6).

Рис. 5. Типовая микроструктура листов толщиной 1,5 мм из сплава В-1341Т1 а - закалка (525±5) °С, 10 мин.; б - закалка (525±5) °С, 30 мин.

Рис. 6. Рентгенограмма листов толщиной 1,5 мм из сплава В-1341Т1

Электронномикроскопическое исследование с применением светлопольных методик показало, что в структуре присутствуют дисперсоиды округлой формы, которые в ходе распада твердого раствора при старении являются дополнительными местами для гетерогенного зарождения неравновесных фаз.

С помощью темнопольных методик (рис. 7) установлено, что во всех исследованных состояниях наблюдается интенсивный распад твердого раствора с образованием <31'(А15Си2]\^851б) и Р'(мё2$0-фаз.

Рис. 7. Темнопольное изображение (3,' и Р'-фаз

Темнопольные изображения частиц и Р'-фаз совместно наблюдаются при соблюдении дифракционных условий g = 2/3 [220] вблизи оси зоны <100>, в этом случае на снимках видны системы характерных для (3,'-фазы стержнеобразных выделений, а также частицы, расположенные «в торец».

Разделить изображения и Р'-фаз представляется довольно сложным, однако можно предположить, что области со сверхдисперсными торцевыми частицами на темнопольных изображениях при « = 2/3[220] являются частицами Р'-фазы. Кроме того, известно, что гетерогенное зарождение на дислокациях характерно только для С)[ '-фазы. Частицы С), '-фазы также выделяются на высокоугловых границах, образуя зоны, свободные от выделений (ЗСВ).

Исследования текстуры листов с построением ФРО (рис. 8) по результатам рентгеновской съемки срединной части листа, при которой плоскостью съемки являлась плоскость в направлении нормали к плоскости прокатки (плоскость НН), показали, что срединные слои исследованного образца характеризуется достаточно слабой текстурой (максимальная ориентационная плотность Р=2,8). Основной текстурный компонент {001}<130> относится к рекристаллизационному типу. Помимо этого, на ФРО видны очень слабые, хаотически распределенные контуры, указывающие на присутствие в материале произвольно ориентированных рекристаллизованных зерен.

Щ1) ; V S ) ( /Ш ) ifS^ M>Jj (-У- Çu >J) 1 ' '15'' \ о px

Б )C j ь \ &

'(M "N \ ^ S' Ç\V ■N \

^ u St«-- Rs

UW \ ( hp \ ( T)1 /fi\ \ / /ïo, ! 1 \~7 \ J \ (Ш) Г^ <f>: = const

Рис. 8. ФРО листа из сплава В-1341

Проведенные исследования кинетики искусственного старения при температурах 155, 165 и 175 °С позволили заключить, что максимальный уровень прочностных свойств при сохранении удовлетворительной пластичности (ав = 340 МПа, с0>2 = 305 МПа, 5 = 14,0 %) достигается после искусственного старения по режиму 175 °С в течение 10-14 ч (рис. 9).

0 2 4 6

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 Время выдержки, ч

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30

Время выдержки, ч

б

0 2 4 6

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 Время выдержки, ч

Рис. 9. Кинетика искусственного старения листов из сплава В-1341 при температурах 155 (а), 165 (б) и 175 °С (в)

Результаты проведенных исследований позволили рекомендовать режим термической обработки листов в промышленных условиях: закалка в воде после выдержки при температуре (525±5) °С в течение 20 мин с последующим искусственным старением при 175 °С, 10-14 ч.

Для получения качественных изделий, изготовленных методами холодной листовой штамповки, материал должен быть изотропным. С целью определения анизотропии механических свойств после термической обработки в промышленных условиях проведены испытания листов в состоянии Т и Т1, ориентированных под разными углами к оси прокатки с шагом 15° (рис. 10).

Д Нтрвменневыремиобр.^," П Д НаПР4«Пемн.»ыр«кио6р..ч.,-

Рис. 10. Изменение механических свойств листов сплава В-1341 в зависимости от направления вырезки образца: а — состояние Т; б — Т1

Установлено отсутствие анизотропии механических свойств листов, термообработанных по разработанному режиму, как в закаленном (Т), так и в состоянии полной термической обработки (Т1).

Для установления времени наилучшей технологической пластичности листов изучено влияние времени естественного старения на механические и технологические свойства. Наиболее интенсивно естественное старение протекает в первые 6 ч после закалки, в этот промежуток времени происходит наибольший прирост прочности и текучести. Поэтому изготовление сложных деталей листовой штамповкой с глубокими степенями вытяжки рекомендовано проводить в свежезакаленном состоянии материала, не позднее 6 ч после закалки.

Начиная с 1 суток и вплоть до 8 месяцев, естественное старение замедляется и практически останавливается, прирост по пределу прочности и текучести за этот отрезок времени составляет не более 30 МПа. В свежезакаленном состоянии листы обладают наилучшей технологичностью при гибке 11т;п = (0,8-1,2)-8, где Б - толщина листа. После естественного старения в течение I месяца у листов сохраняется высокая технологическая пластичность при гибке Ятт = (1,3-1,6)-8. Также установлено, что после 1 года естественного старения листы из сплава В-1341 обладают хорошей технологической пластичностью с возможностью гибки с минимальным радиусом (1,3-1,6)-8, а в состоянии полной термической обработки (Т1) — удовлетворительной, Кт1П= (1,5-1,8)-8.

В шестой главе приведены результаты комплексных испытаний листов из сплава В-1341 в объеме паспортизации, оценки свариваемости и промышленного опробования изготовления деталей с использованием холодной листовой штамповки и сварки. По результатам проведенных исследований разработана и выпущена нормативная документация на серийное изготовление и поставку листов с гарантированным уровнем механических свойств.

Определены характеристики штампуемости листов и проведено сравнение с аналогичными свойствами листов сплавов группы АМг (таблица 1).

Таблица 1

Характеристики штампуемости листов _

Сплав, состояние 510, % (не менее) р ^гтип Кото. Квыт. Квыд., %

В-1341Т 20,0 (0,5-1,0)-5* 1,2-1,25 1,9-1,95 29-35

АМг2М 18,0 (0,8-1,0)5* 1,4-1,5 1,85-1,95 17-20

АМг4М 15,0 (1,0-1,2)5* 1,4-1,5 1,8-1,9 17-20

АМгбМ 15,0 (1,2-1,5)-8* 1,4-1,5 1,8-1,9 17-20

Б - толщина листа

Листы из сплава В-1341 в сравнении с листами сплавов группы АМг обладают повышенной технологической пластичностью при холодной листовой штамповке, при этом не нагартовываются при деформации, тогда как при изготовлении деталей из магналиев требуется проводить межоперационные отжиги из-за наклепа материала, что приводит к увеличению длительности технологического цикла, трудоемкости и, соответственно, стоимости продукции.

Исследована свариваемость листов сплавов В-1341 и проведено сравнение полученных результатов с серийными сплавами АВ (без кальция) и АМгб, определены коэффициент трещинообразования и критическая скорость деформации при автоматической аргонодуговой сварке (ААрДЭС) (таблица 2). Сварку проводили без присадочного материала, также были оценены аналогичные характеристики сварных соединений из листов сплава В-1341, изготовленных с применением присадочной проволоки трех марок Св.1217, Св.АК5 и Св.АМгбЗ, и листов из сплава АМгб с использованием присадочного материала той же марки.

Таблица 2

Показатели склонности к трещинообразованию при ААрДЭС

Сплав Марка присадки Коэффициент трещинообразования, % Критическая скорость деформации, мм/мин

По крестовой пробе Проба «рыбий скелет»

В-1341 Без присадки 12 13 6,7

АВ 62 45 1,8

АМгб - 17 5,8

В-1341 Св.АК5 0 2 9,3

Св.АМгбЗ 0 0 8,8

Св.1217 2 8 6,2

АМгб Св. АМгб - 3 7,2

В сравнении со сплавом АВ и АМгб лучшей стойкостью к образованию горячих трещин при сварке обладают листы из сплава В-1341 с легирующей добавкой кальция, который, благодаря измельчению структуры основного материала в зоне сварки, позволяет снизить коэффициент трещинообразования и существенно повысить критическую скорость деформации, а также способствует устранению горячих трещин, обычно возникающих в сплавах системы А1-М§-81 в металле шва.

Применение присадочной проволоки дополнительно снижает склонность к образованию трещин при сварке плавлением листов из сплава В-1341. Исследованные проволоки (Св.АК5, Св.АМгбЗ, Св.1217) равноценны по влиянию на склонность к образованию трещин при сварке.

Сварка ААрДЭС листов из сплава В-1341 с применением присадочных материалов позволяет получить качественный сварной шов, прочность сварного соединения составляет не менее 0,9 от прочности основного металла, что соизмеримо с прочностью сварных соединений сплавов группы АМг.

Высокая технологичность при холодном формообразовании, хорошая свариваемость и коррозионная стойкость листов из сплава В-1341 позволяют сделать вывод о перспективности изготовления из них различных деталей и узлов с применением холодной листовой штамповки и сварки, например, сварных труб, полупатрубков, полусфер, сварных расширительных топливных бачков и т.д. В условиях промышленного производства самолетостроительного завода изготовлены опытные детали из листов в естественно состаренном состоянии без промежуточных отжигов (рис. 11).

г

Рис. 11. Детали из листов сплава В-1341: а - полусфера (0 120 мм) (штамповка за 2 перехода); б — труба, свернутая из листа (ААрДЭС); в - полупатрубок (штамповка за 1 переход); г - сварной баллон

Листы из сплава В-1341 внедрены в конструкцию нового российского самолета Sukhoi Super Jet 100 для изготовления трубопроводов, в т.ч. сварных, и патрубков сложной конфигурации элементов системы кондиционирования воздуха; элементов законцовки и лобовика крыла (рис. 12). При проектировании модификаций самолета Sukhoi Super Jet 100 (SSJ 100) конструкторами предусмотрено расширение применения листов взамен сплавов группы АМг.

Рис. 12. Российский самолет Sukhoi Super Jet 100

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Установлено, что модифицирующая добавка кальция в количестве (0,05-0,15) масс. % способствует уменьшению размера зерна до (20-60) мкм, что повышает технологическую пластичность при листовой штамповке и улучшает свариваемость. Одновременно с этим кальций приводит к образованию в сплаве дисперсных частиц избыточных интерметаллидных фаз переменного состава Al3Si2Ca и Ali2Si4Mg3Ca, являющихся центрами зарождения новых зерен и препятствующих их росту в процессе рекристаллизации.

2. Установлено, что введение кальция непосредственно в расплав перед переливом в миксер обеспечивает усвоение легирующей добавки более 70 % и минимальные потери.

3. Разработана и внедрена на ОАО «КУМЗ» промышленная технология рулонной прокатки изотропных листов толщиной (0,6-3,0) мм из сплава В-1341, легированного кальцием, с регламентированной зеренной структурой, обеспечивающая гарантированный уровень свойств.

4. Изучены особенности формирования структуры, механических и технологических свойств в зависимости от параметров термической обработки и разработан режим (закалка 530 °С, 20 мин, старение 170 °С, 10-14 ч), обеспечивающий наилучшее сочетание прочности и технологической пластичности листов (Т1 : св > 330 МПа, ст0-2 > 260 МПа, ô > 10 %; Т: Rmjn = (0,5-1,0)-S, S-толщина листа, К , =1,2-1,25, К =1,9-1,95,К =29-35%).

' ' ОТО. ВЫТ. 5 5 5 выд J

5. Оценена свариваемость листов из сплава В-1341, установлено, что легирование кальцием способствует повышению стойкости листов к образованию горячих трещин в условиях аргонодуговой сварки (ААрДЭС).

6. Опробовано в условиях самолетостроительного производства изготовление деталей методами холодной листовой штамповки и сварки, при котором сплав показал повышенную технологическую пластичность.

7. Разработанная промышленная технология изготовления листов и деталей из нового сплава В-1341 позволяет снизить трудоемкость (примерно на 50 %) и стоимость продукции в сравнении с применяющимися на сегодняшний день в аналогичных конструкциях сплавами группы АМг.

8. Листы толщиной (0,6-3,0) мм из сплава В-1341 с регламентированной структурой внедрены в конструкции элементов системы кондиционирования воздуха (трубопроводы, в т.ч. сварные, патрубки сложной конфигурации), законцовок и лобовика крыла российского самолета SSJ 100 (Sukhoi Super Jet) взамен листов из сплавов группы АМг.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Грушко O.E., Овчинников В.В., Алексеев В.В., Гуреева М.А., Шамрай В.Ф., Клочков Г.Г. Структура, способность к выдавке и свариваемость листов из сплава типа авиаль, легированного кальцием //Металловедение и термическая обработка металлов. 2007. №7. С. 15-22.

2. Гуреева М.А., Грушко O.E., Овчинников В.В., Клочков Г.Г.

Импульсная дуговая сварка алюминиевого сплава В-1341 //Технология металлов. 2008. № 2. С. 13-21.

3. Клочков Г.Г., Грушко О.Е., Попов В.И., Овчинников В.В., Шамрай В.Ф. Структура, технологические свойства и свариваемость листов из сплава В-1341 системы Al-Mg-Si //Авиационные материалы и технологии. 2011. № 1. С. 3-8.

4. Клочков Г.Г., Грушко О.Е., Овсянников Б.В., Попов В.И. Промышленное освоение высокотехнологичного сплава В-1341 системы Al-Mg-Si, легированного кальцием //Металловедение и термическая обработка металлов. 2015. №1. С. 8-12.

в других изданиях:

5. Грушко О.Е., Овчинников В.В., Клочков Г.Г. Структура и свойства гнутых профилей из листов сплава В-1341, полученных методом стесненного изгиба /III научно-практическая конференция «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности»: Сборник материалов. М.: ОКБ «Сухого». 2005. С. 495-500.

6. Грушко О.Е., Овчинников В.В., Алексеев В.В., Гуреева М.А., Шамрай В.Ф., Клочков Г.Г. Структура и технологические свойства листов из сплава типа авиаль (В-1341), легированного кальцием /VI научная конференция по гидроавиации «Гидроавиасалон-2006»: Сборник докладов. 2006. С. 166-172.

7. Савельев А.В., Овчинников В.В., Клочков Г.Г. Технология получения холоднокатаных листов сплава системы Al-Mg-Si с регламентированной структурой / VI Международная конференция «Участие молодых ученых, инженеров и педагогов в разработке и реализации инновационных технологий»: Сборник докладов. М.: МГИУ. 2006.

8. Гуреева М.А., Грушко О.Е., Овчинников В.В., Клочков Г.Г. Технология получения холоднокатаных листов сплава системы Al-Mg-Si с регламентированной структурой /Конференция, посвященная 75-летию Московского Вечернего Металлургического Университета: Сборник докладов. М.: 2006.

9. Клочков Г.Г., Грушко О.Е., Овчинников В.В. Высокотехнологичные листы с регламентированной структурой из алюминиевого коррозионностойкого свариваемого сплава В-1341 / VII Международной конференции «Молодые ученые - промышленности, науке, технологиям и профессиональному образованию; проблемы и новые решения»: Сборник трудов. М.: МГИУ. 2007. С. 166-168.

10. Клочков Г.Г., Грушко О.Е., Овчинников В.В. Структура и свойства гнутых профилей из листов сплава В-1341, полученных методом стесненного изгиба /IV научно-практическая конференция «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности»: Сборник трудов. М.: ОКБ «Сухого». 2007. С. 495-500.

11. Klochkov G.G., Grushko О.Е., Ovchinnikov V.V., Shamray V.F., Girsh R.I. The structure, formability and weldability of B-1341 Al-Mg-Si alloy sheets /Proceedings of the 11 ICAA. 2008. P. 241-247.

12. Ovsyannikov B.V., Grushko O.E., Klochkov G.G., Varchenya P.A., Bulgakova E.G. Industrial development of Hi-tech alloy B-1341 of Al-Mg-Si system alloyed by calcium /Proceedings of the 11 ICAA. 2008. P. 222-228.

Отпечатан 1 экз. Исп. Клочков Г.Г. Печ. Клочков Г.Г.

Автореферат Клочкова Г.Г.

«Влияние кальция и режимов термической обработки на структуру и технологические свойства листов сплава В-1341 системы Al-Mg-Si»

Подписано в печать 20.04.2015г. Заказ № 2/1452 Формат бумаги 60x90/16. Печ. л 1,75. Тираж 80 экз. Отпечатано в ФГУП «ВИАМ». 105005, г. Москва, ул. Радио, 17