автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Влияние технологических и эксплуатационных воздействий на структуру и свойства алюминиевых сплавов 1151 и 1545К и возможность изготовления из них конструкций перспективных ракет - носителей

На правах рукописи

Юдаев Дмитрий Петрович

ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ

ВОЗДЕЙСТВИЙ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ 1151 И 1545К И ВОЗМОЖНОСТЬ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗ НИХ КОНСТРУКЦИЙ ПЕРСПЕКТИВНЫХ РАКЕТ - НОСИТЕЛЕЙ

Специальность 05.16.09 - Материаловедение (машиностроение)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

18 ДЕК 2014

005556834

Самара - 2014

005556834

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «СамГТУ») и в Открытом акционерном обществе «Ракетно-космический центр «Прогресс» (ОАО «РКЦ «Прогресс»).

Научный руководитель: Муратов Владимир Сергеевич

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Клевцов Геннадий Всеволодович

доктор технических наук, профессор кафедры «Нанотехнологии, материаловедение и механика» ФГБОУ ВПО «То-льятгинский государственный университет», г. Тольятти

Арышенский Владимир Юрьевич

доктор технических наук, главный прокатчик ЗАО «Алкоа СМЗ», г. Самара

Ведущая организация: ФГАОУ ВПО «Самарский государст-

венный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет), г. Самара

Защита состоится УУ. 02. 2015 в ¡З'ОО часов на заседании диссертационного совета Д212.217.02 ФГБОУ ВПО «СамГТУ» по адресу: г. Самара, ул. Галактионовская 141, корп. № 6, ауд. 33.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета по адресу: 443100, Россия, г. Самара, ул. Первомайская, д. 18 и на сайте http://www.samgtu.ru.

Отзывы на автореферат просим высылать (в двух экземплярах) по адресу: 443010, Россия, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, Самарский государственный технический университет, Главный корпус, ученому секретарю диссертационного совета Д212.217.02.

Автореферат разослан 09 / 2- 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д212.217.02. д. т. н., профессор

А.Ф. Денисенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность дпссертационной работы заключается в том, что возрастающие требования, предъявляемые к прочностным, технологическим и эксплуатационным свойствам алюминиевых деформируемых сплавов, применяющихся в ракетно-космической технике, обусловлены увеличением нагрузок и рабочих температур на элементах конструкции перспективных ракет-носителей, использованием криогенного топлива, а также стремлением применять в производстве технологичные сплавы с улучшенной возможностью обработки давлением, сварки и т.д.

Для замены традиционно применяемых алюминиевых деформируемых сплавов таких как АМгб и Д16, со свойствами, не удовлетворяющими современным требованиям при разработке новых образцов ракетно-космической техники, необходимо применять более совершенные конструкционные алюминиевые сплавы с повышенными механическими, эксплуатационными и технологическими свойствами.

Применение алюминиевых сплавов с улучшенным комплексом свойств позволит снизить сухой вес блоков ракеты — носителя, увеличить массу полезной нагрузки, повысить технологичность изготовления деталей и сборок, увеличить надёжность конструкций и в конечном итоге повысить конкурентоспособность изделий отечественной ракетно-космической техники на мировом рынке.

Цель работы - установление закономерностей влияния технологических и эксплуатационных воздействий на структуру и свойства перспективных алюминиевых деформируемых сплавов 1151 и 1545К и определение возможности применения полуфабрикатов из этих сплавов для изготовления сварных герметичных и негерметичных конструкций перспективной ракеты-носителя с повышенной грузоподъёмностью.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- анализ условий работы алюминиевых сплавов в конструкциях перспективных ракет носителей и формирование требований к прочностным, технологическим и эксплуатационным характеристикам применяемых материалов;

- определение влияния факторов технологических процессов на структуру и свойства алюминиевых сплавов и проведение испытаний для оценки изменения структуры и свойств новых алюминиевых сплавов в ходе изготовления деталей и сборок;

- определение свойств полуфабрикатов в условиях, близких к условиям эксплуатации изделий ракетно-космической техники;

- экспериментальная отработка основных технологических процессов изготовления деталей и сборок из новых алюминиевых сплавов с определением оптимальных параметров для получения структуры сплава, обеспечивающей высокие механические и эксплуатационные свойства конструкций;

- проектирование, изготовление и испытание экспериментальных конструкций из новых алюминиевых сплавов для оценки их работоспособности в конструкциях ракеты носителя;

- разработка нормативных документов - инструкций по изготовлению деталей и сборок из новых алюминиевых сплавов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- изучено влияние технологических нагревов на структуру и свойства листов сплавов 1151 и 1545К. Установлены оптимальные допустимые диапазоны температур технологических нагревов полуфабрикатов из данных сплавов;

- для термически упрочняемого сплава 1151 построена диаграмма старения, позволяющая прогнозировать изменение структуры и свойств полуфабрикатов в зависимости от температуры и выдержки при старении;

- изучены закономерности формирования структуры и свойств сварных соединений листов из сплавов 1151 и 1545К, при выполнении непрерывной сваркой в среде защитных газов;

- установлены особенности структуры и свойств сварных точечных соединений листовых полуфабрикатов из сплавов 1151 и 1545К, для сварных точечных соединений из полуфабрикатов сплава 1151 получены данные по механическим свойствам при повышенных температурах;

- изучено изменение коррозионных свойств листовых полуфабрикатов из сплавов 1151 и 1545К в различных состояниях, при варьировании режимов технологических и эксплуатационных нагревов.

На защиту выносятся:

- критерии выбора алюминиевых деформируемых сплавов для конструкций перспективных ракет-носителей;

- закономерности влияния технологических и эксплуатационных нагревов на структуру, прочность и коррозионную стойкость полуфабрикатов из алюминиевых сплавов 1151 и 1545К;

- диаграмма старения сплава 1151, определяющая структуру и механические свойства сплава в зависимости от темпера-турно-временных параметров старения;

- анализ структуры и прочностных свойств сварных соединений полуфабрикатов сплавов 1151 и 1545К, полученных методами непрерывной электросварки в среде защитных газов и контактной точечной электросварки;

Практическая значимость работы:

- проведён обоснованный выбор алюминиевых деформируемых сплавов с улучшенным комплексом свойств для изготовления герметичных и негерметичных конструкций перспективной ракеты-носителя с повышенной грузоподъёмностью;

- определены оптимальные параметры основных технологических процессов производства деталей и сборочных единиц из перспективных сплавов 1151 и 1545К с учётом влияния на свойства сплавов повышенных температур.

- при разработке, изготовлении и испытаниях экспериментальных конструкций подтверждена возможность изготовления

деталей и сборочных единиц изделий ракетно-космической техники из полуфабрикатов сплавов 1151 и 1545К по штатным технологиям, проведена оценка технологичности и работоспособности новых материалов.

- разработаны инструкции но изготовлению деталей и сборок ракетно-космической техники из полуфабрикатов сплавов 1151 и 1545К для применения в ОАО «РКЦ «Прогресс».

Апробацня работы. Материалы диссертационной работы докладывались на конференциях: Научно-техническая конференция «Инновационные разработки - основа создания мирового лидирующего продукта в ракетно-космической отрасли» (Самара, ФГУП «ЦСКБ-Прогресс», 2007); VIJ международная конференция «Авиация и космонавтика - 2008» (Москва, МАИ, 2008); VIII международная конференция «Авиация и космонавтика - 2009» (Москва, МАИ, 2009); «XVIII научно-техническая конференция молодых учёных и специалистов» (Королёв, РКК «Энергия», 2008); V всероссийская конференция «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-09» (Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева, 2009); Научно-техническая конференция «Актуальные проблемы ракетно-космической техники и ее роль в устойчивом социально-экономическом развитии общества» (Самара, ФГУП «ЦСКБ-Прогресс», 2009); III Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы ракетно-космической техники» (Самара, ФГУП «ЦСКБ-Прогресс», 2013).

Публикации. Основные положения работы опубликованы в 8 статьях и 5 тезисах докладов, из них 4 статьи опубликованы в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.

Структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 146 страницах машинописного текста, содержит 51 рисунок, 28 таблиц и включает: введение, 5 глав, заключение список литературы, включающий 141 наименование, 3 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследований и их научная новизна, сформулирована цель работы и задачи исследования.

В первой главе выполнен краткий обзор применения алюминиевых деформируемых сплавов в изделиях ракетно-космической техники, как в России, так и за рубежом.

Рассмотрены химический состав, структура и свойства полуфабрикатов широко применяемых алюминиевых сплавов систем А1-1У^, А1-Си-\^. Сделан вывод о несоответствии свойств традиционно применяемых алюминиевых деформируемых сплавов, требованиям, предъявляемым к перспективным ракетам-носителям.

Проведён анализ основных направлений создания новых конструкционных алюминиевых деформируемых сплавов с улучшенным комплексом свойств. Сформулированы требования к алюминиевым сплавам, предназначенным для применения в конструкциях перспективных ракет-носителей, определены критерии выбора марок сплавов для конкретных типов конструкций.

Во второй главе описываются оборудование, исследуемые материалы и методики проведения экспериментов.

Для проведения исследований использовались листовые полуфабрикаты из перспективных алюминиевых сплавов 1151 и 1545К производства ОАО «Ступинская металлургическая компания» и широко используемых алюминиевых сплавов Д16 и АМгб производства ЗАО «Алкоа СМЗ».

Механические характеристики - предел прочности ств, предел текучести Сто.2 и относительное удлинение 5 листовых полуфабрикатов из алюминиевых сплавов 1151 и 1545К при нормальной температуре определялись по стандартным методам, приведённым в ГОСТ1497-84.

Определение механических характеристик листов из сплава 1151 при повышенных температурах проводилось двумя способами:

- по методике, изложенной в ГОСТ 9651-84 (определение ов,ао,2,, 5 в диапазоне температур от 125°С до 400°С);

- при условиях определенных исходя из специфики работы материала в конструкции хвостового отсека перспективной ракеты-носителя.

Механические свойства сварных соединений листов из сплавов 1151 и 1545К, полученных непрерывной аргонодуговой электросваркой и точечной контактной элнектросваркой, при нормальной и повышенных температурах определялись по стандартной методике, изложенной в ГОСТ 6996-66

Определение микротвёрдости в зоне сварного шва и околошовной зоне сварных соединений производилось на макрошлифах в соответствии с требованиями стандарта ГОСТ Р ИСО 6507-1-2007.

Для измерения удельной электрической проводимости листов из сплава 1151 использовался вихретоковый метод в соответствии с требованиями ГОСТ 27333-87.

Оценка склонности к межкристаллитной коррозии листовых полуфабрикатов из алюминиевого деформируемого сплава 1151 в различных состояниях производилась по методике, изложенной в ГОСТ 9.021-74.

Для оценки коррозионных свойств листовых полуфабрикатов из сплавов 1151 и 1545К в условиях, имитирующих цикл изготовления, транспортировки и эксплуатации ракеты-носителя проводились ускоренные климатические испытания по методикам, разработанным и используемым в ОАО «РКЦ «Прогресс».

Изучение микроструктуры сплавов 1545К и 1151, а также их сварных соединений, применялся метод микроанализа травленых и нетравленых шлифов с помощью световых микроскопов и электронно-микроскопический анализ.

Для микроанализа с увеличением до 1000 крат использовался световой микроскоп Carl Zeiss Äxiovert 40 МАТ. Для электронно-микроскопического анализа применялся электронный растровый микроскоп JEOL JSM-7000F фирмы Tokyo Boeki LTD.

В третьей главе рассматривалось влияние технологических и эксплуатационных нагревов на структуру и свойства перспективных алюминиевых сплавов 1151 и 1545К.

Было определено, что при производстве деталей и сборок, проектируемых в настоящее время ракет-носителей, из листовых полуфабрикатов сплава 1151 в закалённом и естественно состаренном состоянии возможны нагревы до температур 100 - 200 °С продолжительностью от 6 до 8 часов. Полуфабрикаты из сплава 1545К в нагартованном состоянии могут подвергаться длительным нагревам до температур 70 - 80 °С продолжительностью от 2 до 5 часов и межоперационным отжигам при температурах 350-400 °С.

Для оценки влияния технологических нагревов и оптимизации технологии применения новых сплавов определялся характер изменения структуры, прочностных и эксплуатационных характеристик полуфабрикатов из перспективных алюминиевых сплавов 1151 и 1545К.

Для проведения исследований из листа сплава 1151 в закалённом и естественно состаренном состоянии изготавливались стандартные плоские образцы на разрыв, толщина листа составляла 3 мм, направление вырезки - поперечное. Образцы подвергались длительной однократной выдержке - 7 часов при температурах 100, 125, 150, 175 и 200°С, что имитировало соответствующие технологические нагревы при изготовлении деталей.

В таблице 1 приведены данные по механическим характеристикам образцов в исходном состоянии и после нагревов.

Определено, что выдержка образцов из сплава 1151 при температуре 100 °С не влияет на механические характеристики. При повышении температуры нагрева до 100 - 150 °С механиче-

ские свойства материала изменяются незначительно. Наблюдается небольшое повышение предела текучести и снижение отно сительного удлинения.

Таблица 1- Механические свойства листов из сплава 1151 в исходном состоянии и после технологических нагревов

Температура нагрева, °С Предел прочности 0В Предел текучести с0,2 Относительное удлинение 5,% Отношение о0,2/ов

МПа

Исходное состояние 463 337 19 0,72

100 465 332 18 0,72

125 457 336 16 0,73

150 456 341 17 0,75

175 459 357 14 0,78

200 481 400 10 0,83

После выдержки при 175 - 200 °С предел прочности ав и предел текучести о0,2 увеличиваются, а относительное удлинение 5 уменьшается по сравнению с исходным состоянием. При этом наиболее интенсивно происходит увеличение предела текучести - на 18%. Предел прочности увеличивается по сравнению с исходным состоянием на 4%. Относительное удлинение по сравнению с исходным состоянием уменьшается на 47%

По результатам проведенных исследований установлено, что минимальная температура нагрева листов сплава 1151 в течение 7 часов, при которой наблюдаются значительные изменения механических характеристик, находится в интервале температур 150 - 175 °С.

При исследовании микроструктуры образцов после нагревов при различных температурах, определено, что структура сплава 1151 из состояния преимущественного зонного старения переходит в состояние преимущественно фазового старения. При этом частицы избыточных некогеррентных S(Al2CuMg) и

6(CuAI2) - фаз выделяются преимущественно по границам субзерен а - твёрдого раствора (см. рис.1).

Рисунок 1 - Микроструктуралистов сшива 1151 в исходном состоянии а) и после выдержки 7 часов при 200 °С (б) (х! 500)

Частицы дисперсных 8 и 9 - фаз препятствуют движению дислокаций, тем самым, повышая предел прочности и особенно предел текучести, пластичность сплава при этом уменьшается.

По экспериментальным данным определения электропроводности листовых полуфабрикатов сплава 1151 после закалки и старения при различных температурах и выдержках построена диаграмма старения, приведённая на рисунке 2.

3110 •............

] 10 100 1000 10000 Время, ч

Рисунок 2 - Диаграмма старения сплава 1151: область I -преимущественно зонное старение, область 11 - преимущественно фазовое старение, область III - коахуляционное старение

Полученная диаграмма старения позволяет определять преобладающую стадию старения в зависимости от температуры и времени выдержки при старении, что соответственно дает возможность прогнозировать механические и эксплуатационные свойства полуфабрикатов из сплава 1551.

Для оценки влияния технологических нагревов на склонность листов сплава 1151 к межкристаллитной коррозии проводились испытания в соответствии с методикой, изложенной в ГОСТ 9.021-74.

На двух из пяти образцов подвергнутых нагреву при 200°С в течение 7 часов были обнаружены единичные участка с характерной для межкристаллитной коррозии структурой (см. рисунок 3). Участки с межкристаллитной коррозией имели размеры: глубина 100 - 120 мкм, ширина 180 - 200 мкм, что свидетельствует о снижении стойкости к межкристаллитной коррозии листов из сплава 1151 после нагревов при 200°С.

Рисунок 3- Участки с межкристаллитной коррозией в образцах сплава 1151 после выдержки 7 часов при 200 °С (х200).

Установленные в работе изменения механических и коррозионных свойств сплава 1151 после имитации технологических нагревов объясняются тем, что исходная структура сплава в состоянии Т (закалка и естественное старение) с преимущественно зонным старением, трансформируется в структуру с преимущественно фазовым старением, которая характеризуется сближением по величине значений пределов прочности и текучести, а также снижением коррозионной стойкости.

Для определения характеристик жаропрочности полуфабрикатов из сплава 1151 в состоянии Т в условиях, приближенных к эксплуатационным, проводились испытания на секундную прочность ст; и секундную ползучесть сг0,2/зоо" в диапазоне темпе-

12

ратур 125 - 375 °С. Результаты испытаний представлены на рисунке 4 и в таблице 2.

«ю ..........350

Температурь, "С Температуря, "С

а) б) в)

Рисунок 4 - Графики зависимости предела прочности (а), предела текучести (б) и статического модуля упругости (в) сплава 1151 от температуры при испытании на секундную прочность

Анализ экспериментальных данных, полученных при испытаниях на секундную прочность и ползучесть показал, что листы из сплава 1151 практически сохраняют прочностные характеристики в диапазоне температур 125 - 175 °С, при этом наблюдается небольшое плавное снижение пределов прочности и текучести. Разница между пределом прочности и пределом текучести сохраняется практически постоянной и равна 85 - 100 МПа.

Таблица 2 - Пределы ползучести листов из сплава 1151 в интервале температур 125 - 375 °С (допуск на остаточную деформацию - 0,2 %, временная база - 300 секунд)

Температура испытания, °С 125 175 225 275 325 375

Предел секундной ползучести 00,2/300", МПа 350 310 240 200 150 100

При повышении температуры от 175 °С и до температуры 400 °С происходит дальнейшее снижение пределов прочности и текучести. Пределы прочности и текучести имеют близкие значения.

Пределы ползучести сплава 1151 до температуры 175 °С

на временной базе 300 секунд практически равны пределам текучести при данных температурах. При дальнейшем повышении температуры до 375 °С предел ползучести сплава становиться ниже предела текучести, что свидетельствует о снижении жаропрочности сплава. В целом полученные результаты подтверждают повышенную жаропрочность полуфабрикатов из сплава 1151 при температурах вплоть до 175 °С. При этих температурах полуфабрикаты из сплава 1151 сохраняют удовлетворительные значения прочности и жесткости.

Повышение рабочей температуры вплоть до 400 °С приводит к значительному снижению прочности и жёсткости сплава, при этом листы из сплава 1151 сохраняют относительную конструкционную прочность (Е = 38,5 ГПа; ств =110 МПа; Сто,2 = 100 МПа).

Повышение характеристик жаропрочности у сплава 1151 в естественно состаренном состоянии по сравнению со сплавом Д16, который работоспособен в состоянии Т до температуры 100 °С, объясняется тем, что в результате специфики легирования сплава 1151 в его структуре после закалки и естественного старения практически отсутствуют выделения на базе термически нестабильной 9 - фазы. Присутствующие в структуре сплава 1151 частицы на базе наиболее термостабильной и жаростойкой упрочняющей 8 - фазы существенно тормозят развитие процессов ползучести, вследствие чего повышаются характеристики жаропрочности сплава.

Для оценки изменения механических характеристик полуфабрикатов из сплава 1545К при технологических нагревах, изучалось влияние повышенных температур на механические свойства нагартованных листов после глубокого химического фрезерования и выбор оптимальной температуры отжига для снятия деформационного упрочнения.

Определено, что выдержки при температурах 70 - 80 °С в течении 5 часов не оказывают значительного влияния на механические свойства нагартованных листов из сплава 1545К.

При этом происходит снижение предела прочности и текучести на 10 - 15 МПа, относительное удлинение не изменяется. Снижение пределов прочности и текучести сплава происходит из-за частичной релаксации напряжений, вызванных нагар-то вкой полуфабрикатов при их изготовлении.

Таким образом, технологический процесс химического фрезерования нагартованных листов из сплава 1545К может проводиться без существенной потери прочностных свойств.

Для выбора оптимальной температуры отжига, обеспечивающей снятие деформационного упрочнения без значительного необратимого снижения механических характеристик в результате частичной рекристаллизации, исследовался характер изменения механических свойств деформированных образцов из листа сплава 1545К после отжигов при температурах от 350 до 420 °С, время выдержки 1 час.

Анализ графиков изменения механических свойств и микротвёрдости образцов, приведённых на рисунке 5, показал, что при температуре отжига от 350 до 400 °С происходит плавное снижение пределов прочности и текучести и повышение относительного удлинения образцов, микротвёрдость с ростом температуры отжига уменьшается.

а) б)

Рисунок 5 - Средние механические свойства (а) и микротвёрдость (б) деформированных образцов из сплава 1545К в зависимости от температуры отжига

Такие изменения механических свойств объясняются тем, что при температурах отжига 350 - 400 °С в деформированных образцах происходит преобразование субструктуры, которое заключается в уменьшении плотности дислокаций, образовании субзёрен и их росте. При этом дисперсные когерентные интерметаллиды А13(8с1.х Ъс^, малоподвижные при таких температурах, препятствуют миграции малоугловых границ и их пе~

реходу в высокоугловые, замедляют рост субзерен. Микроструктура образцов не изменяется.

При температурах отжига выше 400 °С дисперсные ин-терметаллиды начинают коагулировать, расстояние между частицами увеличивается, растёт скорость миграции границ субзерен и образование зародышей рекристаллизации. Развитие процессов рекристаллизации и коагуляция упрочняющих дисперсных фаз приводит к значительному снижению предела текучести и микротвёрдости сплавов. Микроструктура образцов из сплава 1545К в исходном состоянии и после деформации и отжига при 420 °С представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 - Микроструктура образцов из сплава 1545К в исходном состоянии (а) и после деформации и отжига при 420 °С (х500)

Таким образом, оптимальная температура промежуточного отжига при формообразовании элементов баковых конструкций из листов сплава 1545К находится в интервале (380-400) °С. При этом деформационное упрочнение практически полностью снимается, а необходимый уровень механических свойств сохраняется.

В четвёртой главе представлены результаты исследований структуры и свойств сварных соединений из полуфабрикатов сплавов 1151 и 1545К.

Для оценки возможности применения перспективных алюминиевых сплавов 1545К и 1151 в сварных конструкциях необходимо исследовать структуру и механические свойства сварных соединений, а затем подобрать такие параметры технологического процесса сварки, при которых характеристики

сварных соединений будет удовлетворять требованиям отраслевых стандартов.

Установлено, что по геометрическим параметрам и структуре сварные соединения из листовых полуфабрикатов перспективных алюминиевых сплавов 1151 и 1545К, выполненные автоматической непрерывной электросваркой в среде защитного газа, соответствуют требованиям отраслевых стандартов для сварных соединений из листов сплава АМгб.

При этом прочность сварных соединений листов сплавов 1151 и 1545 К превосходит прочность аналогичных соединений из листов традиционно применяющегося в изделиях ракетно-космической техники сплава АМгб. Свойства сварных соединений из листов сплавов 1151, 1545К и АМгб, полученных непрерывной аргонодуговой электросваркой, приведены в таблице 3.

Коэффициенты ослабления сварных соединений отожжённых и нагартованных листов из сплава 1545К, выполненных автоматической электросваркой в среде защитного газа, имеют большую величину, чем коэффициенты ослабления сварных соединений листов из сплава АМгб.

Таблица 3 - Механические свойства сварных стыковых соединений листов го сплавов 1151и 1545К, выполненных по экспериментальным режимам сварки и сварных соединений из листов сплава АМгб по ОСТ 92-1114-80

Марка сплава Толщина листа, мм Состояние Среднее значение ов, МПа Коэффициент сварного соединения, Ф

1151 3 Закалка и естественное старение 375 0,8

1545К 4 Нагартованное 381 0,87

4,5 Отожжённое 376 0,94

АМгб 4 Нагартованное 310 0,8

4,5 Отожжённое 285 0,9

Это означает, что зоны сварных швов в конструкциях из листов сплава 1545К менее ослаблены по сравнению с основным

материалом, чем зоны сварных швов в конструкциях из листов сплава АМгб.

Показано, что по геометрическим параметрам и структуре сварные соединения из листовых полуфабрикатов перспективных алюминиевых сплавов 1151 и 1545К, выполненные контактной точечной сваркой, соответствуют требованиям отраслевых стандартов для сварных соединений из листов сплава АМгб.

Прочность сварных точечных соединений листов сплавов из алюминиевых сплавов 1151 и 1545К при нормальной температуре превосходит прочность аналогичных точечных сварных соединений из листов АМгб.

Динамика падения механических свойств точечных сварных соединений из листов сплава 1151 при повышении температуры, позволяет применять сплав в высоконагруженных сварных конструкциях, работающих при температурах до 175°С и мало-нагруженных сварных конструкциях, эксплуатирующихся при температурах до 400°С.

На основании выполненных исследований предложено использовать листы из алюминиевого сплава 1545К в отожжённом и нагартованном состоянии для изготовления сварных герметичных конструкций - баков перспективных ракет-носителей. При этом коэффициент разупрочнения сварного шва, выполненного непрерывной аргонодуговой сваркой, составляет не менее 0,87.

Низкий коэффициент разупрочнения сварного шва при непрерываной аргонодуговой электросварке позволяет применять листы из алюминиевого сплава 1151 только для неответственных сварных конструкций, работающих при нормальной и повышенной температурах. Точечные сварные соединения из полуфабрикатов сплава 1151 могут применяться в конструкциях, испытывающих значительные нагрузки при повышенных температурах и работоспособны до температур порядка 175°С.

Для контроля качества сварных точечных соединений используется метод рентгеновского контроля с применением рент-геноконтрастной фольги. Анализ рентгенограмм при проведении рентгеноконтроля сварных точечных соединений из листов сплава 1151 показал отсутствие необходимости применения дорогостоящей ренгеноконтрастной фольги СрАЮ для выявления

литого ядра сварной точки, что позволяет упростить и удешевить операцию контроля на производстве.

В пятой главе рассмотрены вопросы, связанные с разработкой и испытанием опытных конструкций из полуфабрикатов сплавов 1151 и 1545К с применением технологии непрерывной аргонодуговой и контактной точечной электросварки.

Для подтверждения возможности изготовления сварных негерметичных конструкций ракет-носителей из листов перспективного алюминиевого деформируемого сплава 1151 была разработана и изготовлена опытная конструкция - «отсек». Опытная сборка разрабатывалась на базе штатной конструкции хвостового отсека серийной ракеты - носителя (ХО РН) и представляет собой цилиндрическую оболочку из алюминиевого сплава 115] (см. рисунок 7).

Рисунок 7. Внешний вид опытной сборки из сплава 1151 перед испытаниями на разрушение (а) и после испытаний (б)

Оболочка изготавливалась из двух частей, соединенных между собой аргонодуговой электросваркой. Для определения характера разрушения сварных соединений, жесткостных характеристик, напряжённого состояния и несущей способности опытного отсека из алюминиевого сплава 1151 после изготовления сборка испытывалась на одноосное смятие до разрушения.

Изучение зон деформации и разрушения показало, что конструкция опытной сборки разрушилась с преобладанием пластической деформации в наиболее слабых местах - сварные швы, околошовные зоны и зоны сварных точек.

Критическая осевая нагрузка, под воздействием которой оболочка опытного отсека потеряла конструкционную устойчивость, составила 61 тонну, что хорошо согласуется с расчётными значениями для идеальной оболочки.

Для отработки технологических процессов изготовления герметичных конструкций и оценки работоспособности сварных соединений из полуфабрикатов алюминиевого сплава 1545К была изготовлена опытная конструкция - ресивер.

Опытная конструкция разрабатывалась на базе штатного ресивера, входящего в конструкцию серийной ракеты-носителя, изготавливаемой ОАО «РКЦ «Прогресс»

После изготовления опытная сборка испытывалась на прочность и герметичность. В ходе испытаний опытной конструкции из сплава 1545К отклонений от требований конструкторской документации не было выявлено.

Был произведен расчёт ожидаемого годового экономического эффекта от внедрения алюминиевых сплавов 1151 и 1545К в конструкцию перспективной ракеты - носителя повышенной грузоподъёмности при её серийном изготовлении и планируемом количеством пусков в год равным двадцати. При этом учитывалось, что величина полезной нагрузки, выводимой на орбиту перспективной ракетой - носителем напрямую зависит от веса элементов конструкции блока второй ступени. Масса полезного груза увеличивается с уменьшением массы второй ступени.

Следовательно экономический эффект применения сплавов 1545К и 1151 обусловлен следующими факторами:

уменьшение веса хвостового отсека блока II ступени РН на 5 % за счет замены клепаной конструкции из алюминиевого сплава Д16 сварной конструкцией из алюминиевого сплава 1151;

уменьшение сухого веса бака II ступени РН с компонентом топлива жидкий кислород на 15 % за счёт применения полуфабрикатов из алюминиевого сплава 1545К взамен полуфабрикатов из сплава АМгб.

По результатам расчетов ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения алюминиевых сплавов с улучшенным комплексом свойств в конструкцию перспективной ракеты-носителя составил тридцать миллионов пятьсот шестьдесят тысяч рублей.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Установлено, что критической температурой технологического нагрева листовых полуфабрикатов из сплава 1151 в состоянии Т, при нагревах выше которой происходят значительные изменения структуры и свойств материала, является температура 175 °С. Технологические нагревы листов из сплава 1151 при температурах выше 175 °С усиливают склонность материала к межкристаллитной коррозии. Изменения механических и коррозионных свойств сплава при технологических нагревах объясняется переходом структуры из состояния с преимущественным зонным старением (Т) в состоянии с преимущественно фазовым старением (Т1).

2. Для сплава 1151 построена диаграмма старения, позволяющая прогнозировать структуру и свойства сплава в зависимости от температуры и времени выдержки при старении.

3. Установлено, что оптимальная температура межоперационного отжига листов из сплава 1545IC при глубокой вытяжки, при которой деформационное упрочнение практически полностью снимается, а необходимый уровень механических свойств сохраняется, находится в интервале 380 - 400 °С при выдержке 1 час. Увеличение температуры межоперационного отжига сплава 1545К по сравнению со сплавом АМгб объясняется тем, что присутствующие в структуре сплава 1545К дисперсные интер-металлиды AbSc и Al3(Sci_xZrx) препятствуют перераспределению дислокаций в деформированной структуре, затрудняют движение малоугловых границ и их переход в высокоугловые, тем самым замедляя процессы рекристаллизации.

4. Определено, что полуфабрикаты из сплава 1151 в состоянии Т имеют более высокие характеристики жаропрочности, чем полуфабрикаты из сплава Д16. Повышенная жаропрочность сплава 1151 объясняется отсутствием в структуре сплава термически нестабильной фазы 0. Присутствующие в структуре сплава 1151 частицы термически стабильной и жаростойкой упрочняющей S - фазы существенно тормозят развитие процессов ползучести, вследствие чего повышаются характеристики жаропрочности сплава.

5. Установлено, что геометрические параметры и структура сварных соединений, выполненных непрерывной аргоноду-говой электросваркой и точечной контактной электросваркой из

21

листов сплавов 1151 и 1545 К, удовлетворяют требованиям отраслевых стандартов. Прочность сварных соединений из листов сплавов 1151 и 1545К превышает прочность аналогичных соединений из листов широко используемого сплава ЛМгб. Коэффициенты разупрочнения непрерывного сварного шва, приближающийся к единице, позволяет применять сплав 1545К для ответственных сварных герметичных конструкций - баков перспективных ракет-носителей.

6. В ходе проведения рентгеноконтроля сварных точечных соединений из листов сплава 1151 выявлено отсутствие необходимости применения дорогостоящей ренгеноконтрастной фольги для определения размеров литого ядра сварной точки.

7. При изготовлении и испытании экспериментальных сборок подтверждена возможность применения алюминиевых сплавов 1151 и 1545К в конструкции перспективной ракеты-носителя, разработаны и внедрены на ОАО «РКЦ «Прогресс» инструкции по изготовлению деталей и сборочных единиц ракетно-космической техники:

- 353У.0421.009 И17 «Проектирование и изготовление деталей и элементов конструкций из алюминиевого сплава 1545К»;

- 353У.0421.008 И17 «Инструкция по изготовлению деталей и узлов из алюминиевого сплава 1151.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Муратов B.C., Юдаев Д.П. Влияние дополнительного старения при технологических нагревах на механические свойства и микроструктуру листовых полуфабрикатов из сплава 1151 // Заготовительные производства в машиностроении (кузнечно-штамповое, литейное и другие производства). 2009. №1. С. 41-43.

2. Муратов B.C., Юдаев Д.П. Структура и механические свойства сварных соединений из листовых полуфабрикатов сплава 1545К в нагартованном и отожжённом состояниях // Заготовительные производства в машиностроении (кузнечно -штамповое, литейное и другие производства). 2012. №2. С. 33-36.

3. Муратов З.С., Юдаев Д.П. Структура и прочность сварных соединений листовых полуфабрикатов из алюминиевых сплавов 1545К // Вестник Самарского государственного технического университета. Сер. Технические науки. 2011. № 2. С. 250-253.

4. Муратов B.C., Юдаев Д.П. Исследование точечных сварных соединений и определение механических свойств при повышенных температурах листов из алюминиевого сплава 1151 // Заготовительные производства в машиностроении (кузнечно-штамповое, литейное и другие производства). 2008. №9. С. 14-16.

Другие публикации

5. Юдаев Д.П. Контактная точечная сварка листовых полуфабрикатов из алюминиевого сплава 1151 // Сборник материалов научно-технической конференции молодёжи ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс» «Инновационные разработки - основа создания мирового лидирующего продукта в ракетно-космической отрасли». - Самара: СамНЦ РАН, 2007. - С.24-25.

6. Муратов B.C., Юдаев Д.П. Механические свойства сплава 1151 при повышенных температурах // Успехи современного естествознания. 2008. №2. С. 110.

7. Муратов B.C., Юдаев Д.П. Особенности контактной точечной сварки алюминиевого сплава 1151// Успехи современного естествознания. 2008. №3. С.101-102.

8. Муратов B.C., Юдаев Д.П. Исследование влияния длительных нагревов на микроструктуру и механические свойства листовых полуфабрикатов из сплава 1151 // Материалы VII международной конференции «Авиация и космонавтика - 2008». -М.: Издательство МАИ - ПРИНТ, 2008. - С. 81.

9. Муратов B.C., Юдаев Д.П. Определение коррозионной стойкости и склонности к межкристаллитной коррозии листовых полуфабрикатов из алюминиевого сплава 1151 // Материалы V всероссийской конференции «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-09».Т. 2. - Казань: Изд-во Казан, гос. техн. ун-та, 2009. - С. 278-273.

10. Муратов В.С, Юдаев Д.П. Влияние дополнительного старения при повышенных температурах на микроструктуру и

механические свойства листов из сплава 1151 // Материалы VIII международной конференции «Авиация и космонавтика - 2009».

- М.: Издательство МАИ - ПРИНТ, 2009 - С. 64-65.

11. Юдаев Д.П. Оценка технологичности полуфабрикатов из алюминиевых деформируемых сплавов 1245 и 1429 при изготовлении конструкций ракетно-космической техники // Материалы всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космической техники и ее роль в устойчивом социально-экономическом развитии общества» под общ. ред. А.Н. Кирилина. - Самара: СамНЦ РАН, 2009. - С. 301.

12. Юдаев, Д.П. Разработка технологического процесса контактной точечной сварки листов из алюминиевого сплава 1151 // Материалы XVII научно-технической конференции молодых учёных и специалистов В сб. науч. трудов РКК «Энергия» им. С.П. Королёва. Серия XII. Вып. 3- 4, под. общ. ред. В.В. Синявского. — Королёв: РКК «Энергия» им. С.П. Королёва, 2010.

— С. 101-104.

13. Юдаев, Д.П. Применение алюминиевых деформируемых сплавов системы Al-Mg-Sc-Zr для изготовления конструкций ракетно-космической техники// Материалы Ш Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космической техники» под. общ. ред. А.Н. Кирилина / Самара: СамНЦ РАН, 2013. С. 457-464.

Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета

Д212.217.02 ФГБОУ ВПО «СамГТУ» (протокол № 72 от 29.10.2014 г.)

Заказ № 919 Тираж 100 экз.

Отпечатано на ризографе. ФГБОУ ВПО «СамГТУ» Отдел типографии и оперативной печати 443100 г. Самара ул. Молодогвардейская, 244