автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Закономерности изменения структуры и свойств катаных полуфабрикатов из сплава В-1461 в зависимости от технологических параметров производства и термической обработки

На правах рукописи Экз. №

ОГЛОДКОВ МИХАИЛ СЕРГЕЕВИЧ

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ

КАТАНЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ ИЗ СПЛАВА В-1461 В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОИЗВОДСТВА И ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Специальность 05.16.01 «Металловедение и термическая обработка металлов и

сплавов»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 4 MAP 2013

Москва 2013

005050557

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприяти «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материал« Государственный научный центр Российской Федерации (ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ)

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Хохлатова Л.Б.

Официальные оппоненты:

кандидат технических наук, Разуваев Е.И.

(ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ)

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Золоторевский B.C. (НИТУ «МИСиС»)

Институт металлургии и материаловедение им. A.A. Байкова (ИМЕТ РАН им. A.A. Байкова)

Защита состоится «_» _ 2013 г. в _ часов

заседании диссертационного совета Д 403.001.01 Всероссийский науч исследовательского института авиационных материалов по адр< 105005, г. Москва, ул. Радио, д. 17; тел. :(499)-261-86-77, факс: (499)-267-86-e-mail: admin@viam.ru: www.viam.ru.

Отзывы на автореферат, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 105005, г. Москва, ул. Радио, д. 17, ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ. Автореферат разослан « »_2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук / /'/ f.■>1'// Подъячев В.Ь

© Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материал (ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ), 2013 © Оглодков М.С., 2013

1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 1.1 Актуальность работы

Одной из основных задач развития авиационной техники является сниже-. ние веса конструкции летательных аппаратов. Решить эту задачи может широкое применение в конструкции летательных аппаратов полуфабрикатов из высокопрочных высокомодульных алюминиевых сплавов пониженной плотности. С этой точки зрения представляют интерес алюминиевые сплавы, легированные литием, каждый процент которого снижает плотность алюминия на 3 % и повышает модуль упругости на 6 %.

Во второй половине прошлого века был разработан ряд А1-1Л сплавов (ВАД23, 1420,1451, 1460 и др.), имеющих пониженную на 7-13 % плотность по сравнению с широко используемыми в авиации сплавами Д16, АК4-1 и В95. Однако, большинство этих сплавов (кроме 1420) не нашли широкого применения из-за низкой технологичности при изготовлении полуфабрикатов, пониженной вязкости разрушения и значительной анизотропии свойств.

В настоящее время во ФГУП «ВИАМ» разработан высокопрочный свариваемых коррозионностойкий сплав нового поколения В-1461Т1 системы А1-Си-1Л-М§-2п, плотность которого ниже плотности В95очТ2 на 8%, а характеристики прочности выше на 10-15 %. Зарубежные аналоги сплава В-1461 (1,6 % 1л) по химическому составу - 2099 (1,6 % 1л) и 2199 (1,4 % 1л), нашли применение в конструкциях самолетов фирмы «Аэрбас».

При изготовлении катаных полуфабрикатов из сплава В-1461 в большинстве случаев формируется: волокнистая неоднородная по толщине структура в горячекатаных плитах и преимущественно нерекристаллизованная - в холоднокатаных листах. При такой структуре сохраняется анизотропия механических свойств как относительно направления прокатан, так и по толщине, что негативно сказывается на механических свойствах и характеристиках вязкости разрушения.

Многолетний опыт применения горячекатаных плит из алюминиевых сплавов в конструкциях отечественных и зарубежных летательных аппаратов

показал необходимость обеспечения в плитах однородной зеренной структур и отсутствия градиента текстуры по толщине, снижения анизотропии мехага ческих свойств. В работах зарубежных авторов уделяется большое внимаш разработке технологии изготовления и термической обработки плит и листов I алюминий-литиевых сплавов, в том числе и из 2199, с целью снижения небл; гоприятной компоненты текстуры.

В связи с этим, актуальной задачей является разработка технологий изп товления и термической обработки плит из сплава В-1461 с обеспечением о, нородности структуры, минимальных компоненты текстуры и анизотрош свойств.

При разработке материалов для авиационной техники особое место заш мает задача повышения надежности конструкций за счет обеспечения высок* характеристик трещиностойкости.

Решение этих задач применительно к сложнолегированному многофа ному сплаву В-1461 требует выявление закономерностей влияния технолог!; изготовления и ступенчатого старения на фазовый состав сплава, комплекс м ханических свойств, включая характеристики вязкости разрушения. На моме! начала диссертационного исследования показано, что ступенчатые режим старения обеспечивают высокие прочностные характеристики, однако значен! вязкости разрушения при этом находятся на среднем уровне.

1.2 Цель работы

Оптимизация режимов термической обработки и технологических пар метров промышленного производства листов и плит из сплава В-1461 с регл ментированной структурой и повышенной вязкостью разрушения.

1.3 Задачи работы

Определить температурные интервалы фазовых превращений при нагре] и охлаждении промышленных слитков из сплава В-1461 с целью оптимизац! режимов гомогенизации.

Исследовать влияние термомеханических параметров прокатки на формирование текстуры и зеренной структуры по сечению плит толщиной 40-80 мм из сплава В-1461.

Исследовать влияние технологических режимов холодной рулонной прокатки листов из сплава В-1461 на формирование'зеренной структуры и анизотропию свойств.

Исследовать изменение фазового состава сплава В-1461 в зависимости от остаточной степени деформации при правке листов и плит после закалки и режимов одно- и многоступенчатого старения.

Разработать ступенчатые режимы старения, обеспечивающие оптимальное сочетание прочностных свойств, вязкости разрушения и коррозионной стойкости катаных полуфабрикатов из сплава В-1461.

1.4 Научная новизна работы

1. Установлено, что наиболее эффективным способом изменения фазового состава и морфологии выделений упрочняющих фаз и их количественного соотношения сложнолегированного сплава В-1461 системы А1-Си-1л-М£-гп-гг-8с является применение ступенчатого старения. Сплав В-1461 в процессе искусственного старения упрочняется следующими фазами: 5'(А131л), Т,'(А12Си1л), 3'(А12СиМё), 0'(А12Си).

2. Установлено существенное влияние деформации при правке между закалкой и искусственным старением на фазовый состав плит и листов сплава В-1461 и, как следствие, на прочностные свойства за счет увеличения объемной доли ТУ и Б' - фаз в результате гетерогенного зарождения на дислокациях и малоугловых границах зерен при распаде пересыщенного твердого раствора при старении.

3. Установлено, что низкотемпературное многоступенчатое старение сплава В-1461 позволяет существенно повысить характеристики вязкости разрушения при сохранении прочностных характеристик на достаточно высоком уровне за счет увеличения дисперсности и равномерности распределения выде-

лений Т]'-фазы, как в объеме зерна, так и на субграницах, и дополнительнее выделения 0'(А12Си) — фазы.

4. Показано, что ступенчатое старение (с низкотемпературной первой сг пенью) приводит к смещению температурно-временной области одновременж го существования четырех упрочняющих фаз 5', ТУ, Б' и 9' в сторону меньше! времени выдержки на второй ступени. На основании этого построена диаграг ма фазовых превращений катаных полуфабрикатов для ступенчатого старения

5. Установлены закономерности формирования структуры и текстуры Д| формации в зависимости от термомеханических параметров прокатки плит листов из сплава В-1461. Показано, что для снижения анизотропии свойст плит необходимо стремиться к уменьшению преимущественных ориентировс типа а-латуни {110}<112>, а для листов - к получению рекристаллизованнс структуры.

1.5 Практическая значимость работы

1. На основании результатов дифференциальной сканирующей калор] метрии (ДСК) и исследования структуры и свойств плоских слитков, показан что применение двухступенчатой гомогенизации с первой ступенью при темп ратуре на 70-100°С ниже температуры неравновесного солидуса и с высокотет пературной второй ступенью и проведение горячей прокатки в два этапа с го вышением температуры на 40-60 °С на П-ом этапе по отношению к 1-му, позв< ляет получать плиты толщиной до 80 мм с однородной структурой и с мши мальной компонентой текстуры.

2. Повышение температуры второй ступени при гомогенизации слиткс позволяет в дальнейшем использовать высокотемпературную закалку, которг обеспечивает высокую степень пересыщения твердого раствора и, как следс вие, больший эффект упрочнения от последующего искусственного старения.

3. Разработаны термомеханические параметры получения рулонной пр< каткой листов толщиной от 1,5 мм из сплава В-1461 с рекристаллизованнс структурой, обладающих пониженной анизотропией свойств.

4. Разработаны многоступенчатые режимы искусственного старения плит и листов из сплава В-1461, обеспечивающие повышение вязкости разрушения (на 30-40 %) при сохранении прочностных характеристик на высоком уровне: для плит - К1с> 46 МПаУм, для листов К/> 75 МПал'м при Св> 540 МПа, с0,2> 490МПа.

5. По результатам проведенных исследований выпущена следующая НТД:

- Технологическая рекомендация ТР 1.2.1832-2005 «Изготовление холоднокатаных листов из сплава В-1461 методом рулонной прокатки»;

- Технологическая рекомендация ТР 1.2.2052-2008 «Термическая обработка листов и плит из сплава В-1461»;

- Технологическая рекомендация ТР 1.2.2085-2009 «Изготовление толстых плит из сплава В-1461»;

- Технологическая рекомендация ТР 1.2.2137-2010 «Применение плит из сплава В-1461 в конструкции изделия Т-50»;

- Проект ТИ «Изготовление листов из сплава В-1461» (2011 г.).

6. Подана заявка на охраноспособное техническое решение.

На защиту выносятся:

1. Разработка ступенчатого режима гомогенизации, обеспечивающего однородность химического состава и зеренной структуры в слитках сплава В-1461 и повышающего технологическую пластичность слитков.

2. Оптимизация технологических параметров изготовления плит и листов из сплава В-1461 для получения в них регламентированной структуры и снижения анизотропии свойств.

3. Исследование влияния структуры и режимов ступенчатого старения на фазовый состав и механические свойства листов и плит сплава В-1461

4. Разработка ступенчатых режимов старения, повышающих вязкость разрушения плит и листов из сплава В-1461 при сохранении прочностных свойств и коррозионной стойкости на высоком уровне.

Личный вклад автора состоит в исследовании микроструктуры промышленных слитков, плит и листов сплава В-1461, получении и обобщении

7

данных о фазовом составе, характеристиках вязкости разрушения, механических и коррозионных свойствах.

1.6 Апробация работы

По материалам диссертации сделано 7 докладов: на III и IV научно-практических конференциях молодых ученых и специалистов «Исследование i перспективные разработки в авиационной промышленности», Москва, 2005 к

2007 г.г., на первой международной конференции «Деформация и разрушение материалов ДОМ 2006», Москва, 2006г, на научно-практической конференциг молодых ученых, посвященной 120-летию со дня рождения И.И. Сидорина Москва, 2008 г., на 7-ой международной научной конференции по гидроавиации «Гидроавиасалон-2008», г. Геленджик, 2008 г., на международной научно-практической конференции «Совершенствование технологических процессе» производства полуфабрикатов из алюминиевых сплавов и развитие рынка сбыта продукции ОАО «КУМЗ», г. Каменск-Уральский, 2008 г., на V российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов, Москва,

2008 г.

1.7 Публикации

По результатам исследований опубликовано 11 печатных работ, из них 5 в журналах из перечня ВАК.

1.8 Объем работы

Диссертация содержит 115 страниц текста, 46 рисунков, 28 таблиц, состоит из введения, 4 глав, выводов и перечня литературы из наименований.

2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом исследований являлись промышленные плоские слитки сечением 300x1100 мм, горячекатаные плиты толщиной 12-80 мм и холоднокатаные листы толщиной 1,5-3,0 мм с технологической плакировкой (из сплава АЦпл с Zr толщиной < 1,5 % на сторону) из сплава В-1461 системы Al-Cu-Li-Mg-Zn. Все полуфабрикаты изготавливали в промышленных условиях ОАО «КУМЗ».

Механические свойства листов и плит при разработке технологии изготовления и исследовании влияния степени остаточной деформации при правке

между закалкой и старением определяли в состоянии Т1 — закалка, правка, искусственное старение на максимум прочности: для листов - 130°С, 8ч + 160°С, 24ч, для плит - 130°С, 20ч + 160°С, 24ч.

Исследование влияния степени остаточной деформации при правке между закалкой и старением на фазовый состав и механические свойства проводили на горячекатаных плитах толщиной 12-40 мм и холоднокатаных листах толщиной 2,5 мм с технологической плакировкой. При этом, правку проводили по следующим схемам и со степенью остаточной деформации: для листов - прокаткой до 3% и растяжкой до 1 %, для плит - растяжкой 0,1-3,2 %, и прокаткой 4,8-6,3 %.

В работе проводились электронномикроскопические исследования фазового состава листов и плит из сплава В-1461 в зависимости от остаточной степени деформации при правке и режимов искусственного старения. При этом определяли размер частиц упрочняющих фаз, а именно длину пластин Т/ и 0' -фаз и диаметр сферических частиц 5'- фазы.

Для оценки влияния режимов старения на вязкость разрушения определяли показатель ударной вязкости КСи, который является интегральной характеристикой, включающей в себя работу, затрачиваемую на зарождение трещины Эз и её последующий рост ар. При определении склонности материала к хрупкому разрушению величина ар является гораздо более объективным показателем, чем КСИ. Однако для сравнительной оценки режимов ступенчатого старения характеристика КСи вполне применима.

3 ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 3.1 Аналитический обзор литературы

Рассмотрены особенности структуры и термической обработки отечественных и зарубежных сплавов системы А1-Си-1л. Проанализированы существующие технологические приемы изготовления плит и листов из алюминий-литиевых сплавов, а также способы повышения технологической пластичности при холодной деформации. Показано влияние основных легирующих элемен-

тов и дополнительного легирования М§, Ъл, Мп, 7л, Бс на фазовые превращения в сплавах системы А1-Си-Ы. Приведены сравнительные данные по свойствам отечественных и зарубежных сплавов-аналогов. На основе литературного обзора поставлены задачи исследования.

3.2 Разработка режима гомогенизации слитков из сплава В-1461

На основе результатов дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) и исследования микроструктуры плоских слитков из сплава В-1461 после различных режимов гомогенизационного отжига с медленным охлаждением и закалки с температур в интервале 500-545°С, для их термообработки предложен режим, заключающийся в ступенчатом нагреве: первая ступень — при температуре на 70-100°С ниже температуры неравновесного солидуса, и высокотемпературная вторая ступень - выше температуры неравновесного солидуса на 20-30 °С (рис. 1). Применение такого гомогенизационного отжига к слиткам обеспечивает более дисперсное выделение интерметаллидов и равномерное распределение их по объему, что повышает пластические характеристики слитка (относительное удлинение и сужение) при повышенных температурах, используемых при горячей деформации (рис. 3).

Установлено, что применение высокотемпературной гомогенизации позволяет повысить температуру нагрева под закалку на 15 °С полуфабрикатов и деталей из сплава В-1461, что, в свою очередь, за счет более полного пересыщения твердого раствора, увеличивает эффект искусственного старения.

Рис. 1 - Фотографии микроструктур слитка в состояниях:

а - литое состояние; б - гомогенизация 535°С, 20ч; в - двухступенчатая гомогенизации

3.3 Разработка технологии изготовления плит из сплава В-1461

Особенностью высокопрочных деформируемых алюминиевых сплавов и, в частности, А1-1Л сплавов является наличие в них анизотропии механических свойств в плоскости и по толщине изделия из-за формирования острой текстуры деформации. Анизотропия свойств может негативно сказываться при формообразовании и механической обработке конечного изделия.

Существующая к началу диссертационных исследований технология горячей прокатки А1-1Л сплавов применительно к сплаву В-1461 не обеспечивала получение однородной зеренной структуры и приводила к образованию острой текстуры деформации в центральных по толщине слоях.

Показано, что при горячей прокатке сплава В-1461 с одним нагревом при температуре 420-440°С, соответствующей высоким характеристикам пластичности и низкому пределу текучести, происходит неравномерное распределение деформации по толщине плит. Установлено, что при этом формируется тонковолокнистая нерекристаллизованная зеренная структура и острая текстура деформации типа а-латуни {110}<112>, неоднородная по толщине (рис. 2).

Рис. 2 — Структура плиты толщиной 40 мм, прокатанной с одним награ-вом: а) — макроструктура; б) - микроструктура центральных по толщине слоев; в) — микроструктура приповерхностных слоев; г) — прямая полюсная фигура в плоскости прокатки приповерхностных слоев.

Полученные результаты исследования пластичности плоского слитка сплава В-1461 при повышенных температурах и микроструктуры закаленных с разных температур образцов позволили установить оптимальные температурные интервалы горячей прокатки, при этом температура II этапа выше температуры I этапа на 40-60 °С (рис. 3).

МПа

Т, иС

Т,°С

Рис. 3 - Механические свойства слитка сплава В-1461 при повышенных температурах й - температурный интервал первого этапа горячей прокатки, 111 - температурный интервал второго этапа горячей прокатки.

В процессе нагрева и выдержки при температуре горячей прокатки на первом этапе в слитке формируется гетерогенная структура, в первую очередь, состоящая из выделений пластинчатой Тгфазы (4а). При более высокой температуре прокатки на втором этапе структура более гомогенная, в ней присутствует небольшое количество Тг-фазы (рис. 46). Гетерогенная структура способствует накоплению в процессе горячей прокатки на первом этапе большой внутренней энергии, которая в процессе второго этапа - высокотемпературной прокатки обеспечивает более полное прохождение процессов возврата, что способствует повышению технологической пластичности, а также предотвращает образование полос скольжения, которые могут приводить к анизотропии свойств.

Рис. 4 - Микроструктура образцов плоского слитка, закаленных с средних температур этапов горячей прокатки: а — I, б - И.

Применение разработанной технологии горячей прокатки с двумя нагревами позволяет получать плиты с однородной по толщине волокнистой нерек-ристаллизованной зеренной структурой и практически полным отсутствием текстуры деформации (рис. 5).

Анализ механических свойств по толщине плит из сплава В-1461, изготовленных по различным технологическим вариантам, показал, что горячая прокатка с двумя нагревами обеспечивает повышение пределов прочности и текучести на 15-20 МПа и снижение анизотропии относительного удлинения (рис. 6).

Рис. 5 - Структура плиты толщиной 40 мм, прокатанной в два этапа: а - макроструктура; б - микроструктура; в - прямая полюсная фигура в плоскости прокати.

Рис. 6 - Механические свойства плит из сплава В-1461, прокатанных с одним (I) и двумя (II) нагревами.

Ш 1/4 ТОЛЩИНЫ I11 /2 толщины

_Н 1 /4 толщины

_ 11 _В 1/2 толщины

3.4 Разработка технологии холодной рулонной прокатки сплава В-1461

Технология полистной холодной прокатки ранее разработанного алюминий литиевого сплава 1460 (содержание 1л ~ 2,1-2,2 %), кроме того что является крайне не экономичной в промышленных условиях из-за необходимости проводить отжиги при достижении суммарной степени деформации не более 20 %, но и не может обеспечить получение листов толщиной менее 3,0 мм.

Сплав В-1461, содержащий 1,6-1,8 % 1л, более технологичен при холодной деформации, чем сплав 1460. Однако, имеющаяся на начало диссертационных исследований технология холодной прокатки не обеспечивала стабильного получения необходимой структуры и механических свойств листов сплава В-1461.

Разработанный режим смягчающего отжига с нагревом в интервале температур 430-450°С и медленным охлаждением после выдержки, обеспечивает снижение предела текучести (до 140 МПа) и повышение относительного удлинения (до 14 %), необходимые для обеспечения высоких степеней деформации при холодной рулонной прокатке 35-45 % (рис. 7).

Рис. 7 - Механические свойства горячекатаных листов до и после отжигов

14

В зависимости от количества промежуточных отжигов и величины деформации при холодной прокатке в листах из сплава В-1461 формируется структура с различной степенью рекристаллизации и однородности, что во многом определяет уровень и анизотропию механических свойств (табл. 1).

Таблица 1 Механические свойства листов из сплава В-1461Т1 с разной структурой

Толщина листа, мм (степень рекристаллизации) Направление а„, МПа сто,2, МПа 5,%

2,5 мм (нерекристаллизованная) д 575 545 8,5

П 570 520 10,5

3,0 мм (частично рекристаллизо-ванная ~ 50%) д 560 525 8,0

п 555 500 9,0

1,5 мм (рекристаллизованная) д 515 465 9,0

п 510 460 9,5

Показано, что разработанная технологическая схема холодной рулонной

прокатки позволяет получать листы с однородной по толщине мелкозернистой

рекристаллизованной структурой (рис. 8) и, как следствие, с анизотропными

относительно направления прокатки механическими свойствами.

Г/П Предварит. Х/П 4-4,5 мм Отжиг Х/П 1,5-2,5 мм

6,0-6,5 мм отжиг I ~ 35% —2 ~ 45%

а б

Рис. 8 - а) микроструктура листа толщиной 1,5 мм;

б) прямая полюсная фигура в плоскости прокатки листа толщиной 1,5 мм.

3.5 Разработка режимов ступенчатого старения сплава В-1461 для повышения характеристик вязкости разрушения

В основе существующих теорий, объясняющих эффект двухступенчатого старения лежит допущение о возможности образования при температуре Т1 зон Гинье-Престона (I I1) или дисперсных когерентных метастабильных выделений, являющихся зародышами для выделений, образующихся при температуре Т2. Следовательно, температуру и время выдержки на первой ступени старения целесообразно выбирать в области существования зон ГП или в области начальной стадии выделения метастабильных фаз.

Исследования фазового состава и механических свойств в зависимости от режимов старения листов толщиной 2,5 мм с преимущественно нерекристалли-зованной структурой, обладающих наибольшей анизотропией свойств, проводили при температурах Т1 = 130 °С и Т2 = 160 °С.

С увеличением температуры одноступенчатого старения с 130°С до 160°С кроме роста значений характеристик прочности, наблюдается снижение анизотропии свойств при растяжении относительно направления прокатки листов (табл. 2).

Таблица 2 — Влияние режимов старения на механические свойства и фазовый состав листов

Режим старения Направление МПа СО,2, МПа 6,% Фазовый состав

130°С, 8 ч д 480 420 9,0 5'

п 455 370 13,0

130°С, 20 ч д 510 450 9,5 б',!,' (10 нм)и 8'-отдельные частицы в теле зерна

П 485 395 11,5

160°С, 16 ч д 555 520 8,8 5', Т,' (50 нм) и Б' - начало распада по ма лоугловым границам

п 545 490 10,0

160°С, 24 ч д 575 545 7,5 5', Т,' и Б' - развитие распада по малоугловым границам

П 565 515 9,5

130°С, 20 ч + 160°С, 16 ч Д 560 530 10,0 5', ТУ (35 нм) и Б' - равномерно по зерну, на границах - мало, 0'- отдельные выделения (до 30 нм)

П 550 515 11,0

130°С, 8ч + 160°С, 24 ч Д 575 545 8,5 5', ТУ (45 нм) и Б' - увеличение объема выделения и размеров

п 570 520 10,5

В результате проведенных исследований было установлено, что двухступенчатое старение 130°С, 8 ч + 160°С, 24 ч на листах обеспечивает максимум прочности, при сохранении относительного удлинения на высоком уровне, а так же способствует снижению анизотропии свойств по сравнению с одноступенчатым старением 130°С, 8-20 ч и 160°С, 16 ч. Достижение высоких значений прочности связано со значительным повышением плотности выделения упрочняющей Трфазы.

Показано, что увеличение выдержки на первой ступени старения и сокращение на второй позволяет еще повысить вязкость разрушения (с 35 до 62 МПа>/м при В=140 мм) при снижении прочностных характеристик и анизотропии свойств при растяжении. Повышение вязкости разрушения происходит за счет снижения доли зернограничных выделений Трфазы, уменьшения размеров частиц Трфазы и появления в структуре гомогенно-зарождающейся 0' (А12Си)-фазы.

Установлено, что для катаных полуфабрикатов из сплава В-1461 большое влияние на фазовый состав и механические свойства оказывает степень остаточной деформации при правке после закалки перед искусственным старением, наличие которой в определенных пределах позволяет повысить пределы прочности и текучести на 70-110 МПа (табл. 3).

Электронномикроскопическое исследование структуры образцов из плит показало, что увеличение степени остаточной деформации при правке до 2,8 % приводит к резкому увеличению объемной доли Т1 и Б' (Б") - фаз за счет намного большего числа дислокаций и субграниц (потенциальных мест зарождения). При практически полном отсутствии правки (0,1 %) выделения

Таблица 3 - Влияние правки после закалки перед старением на свойства при растяжении листов и плит из сплава В-1461Т1

Вид полуфабриката (толщина) Вид и величина деформации при правке ав, МПа со,2, МПа б,

Лист (2,5 мм) прокаткой 3 % + растяжением 1 % 540 490 9

б / п (перезакалка) 480 400 12

Плита (40 мм) растяжением 2,8 % 550 510 7

растяжением 0,1 % 460 400 9

упрочняющих фаз размещены гетерогенно на отдельных дислокациях и субграницах, практически отсутствуют в объеме зерна (рис. 9).

Рис. 9 Темнопольное изображение частиц Тгфазы (а, в) и Б'-фазы (б, г) в плитах сплава В-1461Т1 в зависимости от остаточной степени деформации при правке: а, б) 0,1 %; в, г) 2,8 %.

В листах из сплава В-1461БТ1 при наличии правки между закалкой и старением наблюдается та же картина распределения упрочняющих Т) и Б'- фаз, что и в плитах с степенью остаточной деформацией при правке 2,8 %. Однако, в листах без правки (после перезакалки и искусственного старения) наблюдается высокая плотность равномерно распределенных по объему зерна выделений 9'-фазы. Отсюда можно сделать вывод, что при отсутствии правки и, как следствие, наличии малого числа мест зарождения для ТУ-фазы, распад твердого раствора происходит с активным с выделением 0'-фазы (рис. 10).

Полученные результаты показывают, что фазовый состав и характер распределения выделений упрочняющих фаз в сплаве В-1461 зависит от вида полуфабриката (холоднокатаный лист, горячекатаная плита) и его структуры (степени рекристаллизации, дислокационной структуры).

Рис. 10 Темнопольные изображения Т'- фазы (а), Б'- фазы (б) и 0'- фазы (в) в листе без правки

Ступенчатое старение плит толщиной до 60 мм по режиму 130 °С, 20 ч + 160 °С, 24 ч (Т1) при правке после закалки с степенью остаточной деформации растяжением до 3,5% (или прокаткой до 6%) обеспечивает высокий прочностных свойств: ств=550-580 МПа, ст0,2=510-545 МПа, 5=7-10 % при среднем уровне характеристик вязкости: КСи =100-120 кДж/м2, КсУ= 60 МПал/м (В=140 мм).

Как было показано ранее, повышение вязкости катаных полуфабрикатов из сплава В-1461 возможно путем снижения доли зернограничных выделений Тгфазы, уменьшения размеров частиц Тгфазы и обеспечения выделения гомогенно-зарождающейся 9' - фазы. Существованию фазы 0' на ДФПС одноступенчатого старения (построенной Е.А. Лукиной) соответствует температурно-временная область относительно низких температур и длительных выдержек. В связи с этим при дальнейших исследованиях для первой ступени старения и была выбрана низкая температура - (<130 °С), а для второй ступени — выше чем для первой на 20-30 °С.

Установлено, что снижение температуры на первой и второй ступени старения и увеличение выдержки при низкотемпературном старении позволяет получить существенное повышение характеристик вязкости разрушения (| 1525 %) не только плит из сплава В-1461, но и прессованных панелей при незначительном снижении прочности Ц < 5 %). На листах трехступенчатое старение ТХ не обеспечило такого повышения вязкости разрушения. Более «мягкое» старение ТХ2 и на листах и на плитах значительно повышает вязкость разрушения (| 30-35 %), однако это сопровождается заметным падением характеристик прочности (]. 15-30 %). Достижение оптимального сочетания прочности и вяз-

19

кости разрушения на листах стало возможным за счет удлинения выдержки в

два раза на второй ступени старения ТХ2 (полученный режим имеет маркировку ТХ1) (табл. 4).

Таблица 4 Влияние режимов старения на свойства различных полуфабрикатов

Режим старения МПа СО,2, МПа 6, % к/ МПал/м К 1С, (Ко) МПал/м

Плита толщиной 55 мм

130°С, 20 ч + 160°С, 24 ч (Т1) 545 515 6,5 61 38

IX 540 490 8.0 72 46

ТХ2 500 435 9,5 80 (69)

Прессованная панель с толщиной полотна 20 мм

130°С, 8ч+160°С, 24 ч 570 530 9,5 - -

ТХ 550 510 11 73 -

Лист толщиной 3,0 мм

130°С, 20 ч+ 160°С, 16 ч 565 540 8 61 -

ТХ 550 500 8 60 -

ТХ1 540 480 9,5 75 -

ТХ2 500 415 10 80 -

Повышение характеристик вязкости разрушения плит, состаренных по ступенчатому режиму ТХ обусловлено снижением плотности выделений и уменьшением размера частиц Т|'-фазы как внутри зерна, так и на субграницах (рис. 11), а так же существенно большим количеством выделений 0'-фазы (рис. 15) с размером не более 30 нм и появлением отдельных композитных час-

тиц §'/6' по сравнению с режимом Т1.

а б в г

Рис. 11 - Изображения субграниц (а) и границы зерна (б) с выделениями

Т]'-фазы и темнопольные изображения 8'-фазы (в) и 579' (г - в рефлексе 8'-фазы) в образцах из плиты после старения по режиму ТХ

Увеличение длительности выдержки на второй ступени старения (режим ТХ1) применительно к листам позволяет снизить число зарождающихся на ма-

час

Время выдержки при старении

лоугловых границах частиц ТУ-фазы и значительно повысить объемную долю 9'-фазы, что, как видно из таблицы 4, обеспечивает ощутимый прирост значений характеристик вязкости разрушения (рис. 12).

а б в г

Рис. 12 Темнопольные изображения ТУ-фазы (а, в) и 9'-фазы (б, г) в образцах из листа толщиной 3,0 мм после старения по режимам: а, б) ТХ; в, г)ТХ1

Полученные результаты позволили уточнить диаграмму фазовых превращений для ступенчатого низкотемпературного старения катаных полуфабрикатов сплава В-1461, повышающего характеристики вязкости разрушения. Показано, что ступенчатое старение (с низкотемпературной первой ступенью) приводит к смещению температурно-временной области одновременного существования четырех упрочняющих фаз 5', ТУ, Б' и 0' в сторону меньшего времени выдержки на второй ступени при температуре на 20-30 °С выше, чем на первой ступени (рис. 13).

Рис. 13 Диаграмма фазовых превращений при старении (ДФПС) катаных полуфабрикатов из сплава В-1461 для

190

к 180

I ™

го

Ез 160

го

£ 150

н

го

| 110 | 130

I-

ступенчатого старения с низкотемпературной первой ступенью (пунктир - положение фазовых областей для одноступенчатого старения)

3 Внедрение листов и плит из сплава В-1461

Листы и плиты из сплава В-1461Т1 рассматриваются как альтернатива аналогичным полуфабрикатам сплава В95очТ2 и превосходят их по плотности, модулю упругости, пределам прочности и текучести, трещиностойкости, коррозионной стойкости (табл. 5). Кроме этого, полуфабрикаты из сплава В-1461 хорошо свариваются всеми видами сварки (ААрДЭС, ЭЛС, СТП) и обладают повышенными характеристиками жаропрочности при температурах до 150°С. Таблица 5 - Квоты превосходства листов и плит из сплава В-1461ТХ1/ТХ над

сплавом В95очТ2

Характеристика В-1461 В95очТ2 Квоты с В95очТ2, %

листы ТХ1 плиты ТХ листы плиты листы плиты

Плотность, (1, кг/ма 2630 2850 8

Модуль упругости, Е, ГПа 78,5 72 9

Предел прочности, ств, МПа 510 540 460 490 11 10

Предел текучести, о0,2, МПа 460 490 380 420 21 17

К/ (К1С), МПал/м 75 72 (46) 80 78 (39) - -

СРТУ ((11 / сГЫ), кцикл при ДК=31 МПал/м 2,0 1,75 3,2 2,2 37 25

МКК, мм нет <0,14 -

РСК, балл 2-3 <5 -

а100150, МПа 340 375 215 58 74

СТо,2доо150, МПа 300 330 185 175 62 88

Плиты толщиной от 20 до 80 мм из сплава В-1461 нашли применение в конструкции изделия Т-50 (ОАО «ОКБ Сухого») в качестве элементов силового набора, в том числе и в сварном варианте. Рассматривается возможность использования плит при изготовлении гермопанелей отсеков СКВ и ниш шасси нового отечественного ближне-среднемагистрального самолета МС-21 (ОАО «Корпорация «Иркут»), а листов - применительно к конструкции перспективного изделия ОАО «ГРЦ Макеева». Планируется широкое применение различных полуфабрикатов (листов, плит и прессованных профилей) из сплава В-1461 в конструкции топливного отсека перспективной многоразовой ракетно-космической системы МРКС (ФГУП «ГКНПЦ им. М.В.Хруничева»).

Выводы

1. Разработан режим двухступенчатой гомогенизации слитков из сплава В-1461 с первой ступенью при температуре на 70-100°С ниже температуры не. равновесного солидуса и с высокотемпературной второй ступенью, который

обеспечивает высокую пластичность слитка при Горячей деформации, повышение температуры нагрева под закалку на 15 °С и, как следствие, больший эффект упрочнения при последующем искусственном старении за счет более высокой степени пересыщения твердого раствора.

2. Установлены закономерности изменения зеренной структуры и текстуры листов и плит из сплава В-1461 в зависимости от технологических параметров промышленного производства. Разработана технология горячей прокатки в два этапа с повышением температуры на 40-60 °С на П-ом этапе по отношению к 1-му этапу, позволяющая получать плиты толщиной до 80 мм с однородной структурой, пониженной анизотропией свойств и минимальной компонентой текстуры (типа а-латуни {110}<11Установлены оптимальные режимы предварительного и промежуточных отжигов, обеспечивающих суммарную степень деформации 35-45 % при холодной рулонной прокатке листов толщиной до 1,5 мм с рекристаллизованной структурой и пониженной анизотропией свойств.

3. Установлены закономерности фазовых превращений и изменений механических свойств в зависимости от режимов одно- и многоступенчатого старения. С целью повышения вязкости разрушения разработаны режимы ступенчатого искусственного старения плит и листов:

- для плит ТХ, обеспечивающий К]С > 46 и К/ > 72 МПал/м вместо 38 и 50 МПа^м соответственно при сохранении прочностных характеристик на высоком уровне - <т„ > 540 МПа, ст0,2 — 490 МПа;

- для листов ТХ1, обеспечивающий К/ > 75 вместо 60 МПа^/м при некотором снижении прочностных характеристик - ств > 510 и а0,г ^ 460 МПа вместо 540 и 490 МПа соответственно.

4. Показано, что ступенчатое старение (с низкотемпературной первой сту пенью) приводит к смещению температурно-временной области одновременно го существования четырех упрочняющих фаз 8', TV, S' и 9' в сторону меныпеп времени выдержки на второй ступени. На основании этого построена диаграм ма фазовых превращений катаных полуфабрикатов для ступенчатого старени (с низкотемпературной первой ступенью).

5. Установлено, что применение ступенчатых режимов старения взамен од ноступенчатых позволяет значительно снизить анизотропию механически: свойств относительно направления прокатки на листах и плитах из сплава В-1461.

6. Установлено, что фазовый состав и характер распределения упроч няющих фаз зависит от вида полуфабриката (холоднокатаный лист, горячека таная плита), степени рекристаллизации и дислокационной структуры.

7. Листы и плиты из сплава В-1461ТХ1/ТХ хорошо свариваются всем] видами сварки (ААрДЭС, ЭЛС, СТП) и обладают повышенными характеристи ками жаропрочности при температурах до 150°С и рассматриваются как аль тернатива аналогичным полуфабрикатам сплава В95очТ2, превосходя их ni плотности, модулю упругости, пределам прочности и текучести, трещиностой кости, коррозионной стойкости.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Сетюков O.A., Колобнев Н.И., Хохлатова Л.Б., Оглодков М.С. Влияши кристаллографических ориентировок на свойства плит из Al-Li сплавов В-1461 и 1424 // Технология легких сплавов, М., №1 2010 г., ВИЛС, стр. 100-106;

2. Оглодков М.С., Хохлатова Л.Б., Колобнев Н.И., Алексеев A.A., Лукина Е.А. Влияние термомеханический обработки на свойства и структуру плит из сплава системы Al-Cu-Mg-Li-Zn // Авиационные материалы и технологии, М., №4, 2010 г., ВИАМ, стр. 7-11;

3. Лукин В.И., Иода E.H., Базескин A.B., Лавренчук В.П., Котельникова Л.В., Оглодков М.С. Повышение надежности сварных соединений из высоко-

прочного алюминий литиевого сплава В-1461// Сварочное производство, М., №11,2010 г.;

4. Хохлатова Л.Б., Оглодков М.С., Пономарев Е.К. Влияние режимов старения на коррозионную стойкость листов из сплава В-1461 системы AI-Li-Cu-Zn-Mg // Металлургия Машиностроения, М., №3,2012 г., с. 22-26;

5. Хохлатова Л.Б., Колобнев Н.И., Оглодков М.С., Лукина Е.А., Сбитнева C.B. Изменение фазового состава в зависимости от многоступенчатого старения и структуры полуфабрикатов сплава В-1461 // МиТОМ, М., №6, 2012 г., с. 20-24.

Другие публикации

6. Оглодков М.С. Исследование влияния химического состава и режимов термической обработки на структуру и свойства полуфабрикатов из сплава В-1461 системы Al-Cu-Li // сборник материалов Ш научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Исследование и перспективные разработки в авиационной промышленности», М., ОАО «ОКБ Сухого», 2005 г., стр. 646-649;

7. Оглодков М.С., Хохлатова Л.Б., Самохвалов C.B. Оптимизация технологии изготовления прессованных профилей и листов из сплава В-1461 системы Al-Cu-Li-Zn // сборник материалов IV научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Исследование и перспективные разработки в авиационной промышленности», М., ОАО «ОКБ Сухого», 2007 г., стр. 625-629;

8. Оглодков М.С., Хохлатова Л.Б. Отработка технологии изготовления прессованных профилей из высокопрочного сплава В-1461 системы Al-Cu-Li-Zn // тезисы докладов молодежной научно-технической конференции «Молодежь в авиационном материаловедении», М., ВИАМ, 2008 г., стр. 11;

9. Оглодков М.С., Хохлатова Л.Б., Самохвалов C.B. Об изготовлении прессованных профилей из высокопрочного сплава В-1461 // Металлургия машиностроения, М., №6,2008 г., стр.41-43;

10. Оглодков М.С., Хохлатова Л.Б., Колобнев Н.И., Попов В.И. Влияние НТМО на свойства и структуру сплава системы Al-Cu-Li-Zn // сборник трудов

международной научно-технической конференции «Современные проблемы металловедения сплавов цветных металлов», М., 2009г., МИСиС, стр.119-123;

11. Хохлатова Л.Б., Колобнев Н.И., Оглодков М.С., Михайлов Е.Д. Алю-минийлитиевые сплавы для самолетостроения // Металлург, М., №5, 2012 г., с.31-35;

Отпечатан 1 экз. Исп. М.С. Оглодков Печ. М.С. Оглодков

Автореферат М.С. Оглодков

«Закономерности изменения структуры и свойств катаных полуфабрикатов из сплава В-1461 в зависимости от технологических параметров производства и термической обработки»

Подписано в печать 21.01.13 г. Заказ 109. Формат бумаги 60x90/16. Печ. л. 1,625. Тираж 80 экз. Отпечатано в типографии ФГУП «ВИАМ». 105005, г. Москва, ул. Радио 17.