Комплекс свойств и структура массивных плит из алюминиевых сплавов В95пчТ2,АК4-1чТ1 и 1163Т

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 669.715

Комплекс свойств и структура массивных плит из алюминиевых сплавов В95пчТ2,АК4-1чТ1 и 1163Т

Серебренникова Н.Ю.

Сенаторова О.Г.

Антипов В.В.1,

Иванов А.Л.

Попов В.И.

Аннотация

Даны результаты исследований структуры и основных эксплуатационных свойств: механических, вязкости разрушения, скорости роста трещины усталости, малоцикловой усталости, коррозионной стойкости (КР и РСК) по сечению плит толщиной 80 мм из высокопрочного сплава В95пчТ2 (типа 7175Т76), жаростойкого АК4-1чТ1 (типа 2618Т6), ресурсного 1163Т (типа 2124-2324Т351). сплав вязкость усталость плита

Ключевые слова: Сплав В95пчТ2, АК4-1чТ1, 1163Т; высокопрочный; жаростойкий; ресурсный; алюминиевый; массивная плита; слиток; эксплуатационные свойства; структура.

Abstracts

The results of investigations of structure and main performance characteristics such as mechanical properties, fracture toughness, fatigue crack growth rate, low-cycle fatigue and corrosion resistance (SCC and EXCO) through the section of 80 mm thick plates of high-strength V95pchT2 aluminium alloy (similar to 7175T76 alloy) are shown, heat-resistant АК4-1chТ1 (2618Т6-tipe), life 1163Т (2124-2324Т351-tipe).

Key words: V95pchT2 alloy; АК4-1chТ1; 1163Т; high-strength; heat-resistant; life; aluminium; massive plate; ingot; performance characteristics; structure.

Алюминиевые высокопрочные сплавы В95оч/пч в состоянии Т2 (зарубежные аналоги 7475, 7175Т76) на основе традиционной системы Al-Zn-Mg-Cu, жаропрочный сплав АК4-1ч в состоянии Т1 (зарубежный аналог 2618Т6) на основе системы Al-Cu-Mg-Fe-Ni и ресурсный сплав 1163Т (зарубежный аналог 2124-2324Т351) на основе системы Al-Cu-Mgпродолжают эффективно использоваться в современной и перспективной отечественной и зарубежной авиационной технике [1-5].

Высокопрочные сплавы В95оч/пч, как правило,применяют для обшивки верхней поверхности крыла самолета, которая работает в основном на сжатие.

Основной жаропрочный сплав средней прочности АК4-1чТ1 широко применяется для греющихся авиационных конструкций, в том числе для деталей двигателей.

Ресурсный сплав 1163Т используют для ответственных деталей планера длительного ресурса, работающих на усталость, например нижней обшивки крыла и обшивки фюзеляжа.

Катаные плиты являются одним из наиболее распространенных видов полуфабрикатов авиационного назначения [6-9].

Дляобеспечения возрастающих требований к надежности, ресурсу и весовой эффективности конструкций происходит постоянное совершенствование композиций высокопрочных сплавов по легирующим элементам и примесям, технологическим процессам и параметрам производства, осуществляется поиск новых режимов термической и термомеханической обработок полуфабрикатов для получения необходимого и сбалансированного комплекса эксплуатационных и технологических характеристик. Для обеспечения необходимого уровня характеристик трещиностойкости, усталости и коррозионной стойкости предъявляются высокие требования к чистоте высокопрочных сплавов по примесям (металлическим - железу, кремнию; неметаллическим - водороду) и состоянию термообработки [10-12].

Условно к массивным относят плиты толщиной более 70 мм.Из-за пониженной скорости охлажденияпри закалке и возможной неоднородности деформации при прокатке массивных плит могут ухудшаться эксплуатационные свойства (пластичность, вязкость разрушения, сопротивление усталости, коррозионные характеристики, особенно в высотном и поперечном направлениях). Это происходит даже в пределах толщин плит, предусмотренных стандартами [13-16].

В последние годы проявляется интерес к использованию массивных плит толщиной до 100 мм. Гарантированный уровень свойств этих плит не может быть перенесен автоматически, только ориентируясь на свойства плит меньших толщин (до ~ 40 мм). Для установления пределов по толщинам и свойствам массивных плит были проведеныспециальные исследования и испытания в данной работе.

Анализ реальной практики и стандартов [14, 15] показывает, что из высокопрочных сплавов в состоянии Т2рекомендуется применениеавиационных плит толщиной до~ 40-50 мм. Более толстые плиты предпочтительно применять в более перестаренном состоянии Т3 с некоторым понижением прочностных характеристик, но улучшением характеристик трещиностойкости и коррозионной стойкости, особенно в поперечном и высотном направлениях [16-18]. Также эти плиты предпочтительно контролировать в трех направлениях: продольном, поперечном и высотном, включаяобязательное определение коэффициентавязкости разрушения KIc.

Комплексному исследованию подвергали заготовки из массивных плит толщиной 80 ммиз трех известных традиционных серийных, широко распространенных, паспортизованных сплавов: высокопрочного В95пчТ2, жаропрочного АК4-1чТ1, ресурсного 1163Т. Плиты были изготовленыпо принятой в ОАО «КУМЗ» серийной современной технологии плавки и литья, гомогенизационного отжига, деформации прокаткой и термообработки из крупных слитков сечением460Ч1640 мм, отлитых намощном (60 тонн) газовомплавильно-литейном агрегате с электрическим вакуумным миксером.

Для проведения исследований свойств и испытаний вырезалитемплеты из срединной части по ширине плит, аиз темплетов- образцы из двух зон: средней (1/4 t сечения),центральной (1/2 tсечения) вдоль и поперек направления проката плиты, а также в высотном направлении (рис. 1). Структуру плит изучали по всей толщине сечения, включая поверхностную зону, так какна практике плиты подвергают фрезерованию на разном расстоянии от поверхности.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1 - Схема вырезки образцов для исследований структуры и свойств по толщине плиты

Исследовали структуру, технологическую пластичность, распределение компонентов и примесей по поперечному сечению слитков; определяли механические свойства и вязкость разрушения плит в трех направлениях, СРТУ и МЦУ, коррозионные свойства (РСК, КР).

Все испытания и исследования проводили на стандартных образцах и современном оборудовании в соответствии с технической документацией.

Сначала анализировали распределение компонентов и примесейпо сечению слитков методом спектрального анализа.

Отмечена высокая чистота исследованных сплавов по примесям, особенно по кремнию, которая сложилась в последние годы для авиационных полуфабрикатов (табл. 1, 2, 3).

Как видно, легирующие компоненты и примеси в сплаве В95пч распределяются довольно однородно (рис. 2) по центральному сечению крупного слитка (толщиной 460 мм) и отвечают среднему содержанию элементов при плавке сплавовноминального состава (см. табл. 1).

В центральных слоях слитков в сплавах АК4-1ч и 1163 ликвируетCu (примерно до 0,5 мас. %)иMg (примерно до 0,2 мас. %)(рис. 3, 4; табл. 2, 3). Остальные компоненты и примеси распределены довольно однородно.

Таблица 1. Химический состав (%) слитка из сплаваВ95пч

Таблица 2. Химический состав (%) слитка из сплаваАК4-1ч

Таблица 3. Химический состав (%) слитка из сплава1163

Рис. 2 - Распределение компонентов в центральной зоне литниковой части слиткаиз сплава В95пч

Рис. 3 - Распределение компонентов в центральной зоне литниковой части слиткаиз сплава АК4-1ч

Рис. 4 -Распределение компонентов в центральной зоне литниковой части слиткаиз сплава 1163

Анализ макростуктурымассивных катаныхплит проводили на макротемплетах, вырезанных в продольном направлении. Травление выполняли в 20%-м растворе NaOH. Подтверждено, что волокна структуры ориентированы вдоль направления проката плит. По сечению плит не наблюдали металлургических дефектов - трещин, пористости, расслоений, включений. Методом ультразвукового контроля (УЗК) дефектов также не выявлено.

Микроанализ на оптическом микроскопе Neophot-32 показал, что плиты из высокопрочного алюминиевого сплава В95пчТ2 имеют преимущественно нерекристаллизованную волокнистую структуру, ориентированную вдоль направления проката и отличающуюся относительно тонким строением (рис. 5). К поверхности структура становится более рекристаллизованной, с укрупнением зерна (рис. 4). Количество избыточных интерметаллидов (включений) по данным микроанализа сравнительно небольшое ~1,0-1,5 % об.

Массивные плиты из жаропрочного сплава АК4-1чТ1 имеют полностью рекристаллизованнуюзеренную структуру, несколько вытянутую в направлении проката (рис. 6). Наблюдается заметное количество избыточных интерметаллидов (~5-7%), свойственное сплаву АК4-1ч. В центральной зоне плиты интерметаллиды расположены в виде строчек. В поверхностных объемах строчечная структура выражена слабее, зеренная структура более мелкая и равноосная с относительно равномерным распределением интерметаллидов.

Рис. 5 - Микроструктура плиты толщиной 80 мм из сплава В95пчТ2: а) поверхностная зона;б) ј толщины плиты;в) центральная зона (Ѕ толщины плиты).

Плиты из ресурсного алюминиевого сплава 1163Т имеют преимущественно рекристаллизованнуюзеренную структуру, вытянутую в направлении проката (рис. 7). Избыточных интерметаллидов, распределенных вдоль направления проката плиты в структуре сплава 1163Т, больше, чем в плитах В95пчТ2. Их количество оценивается в ~3-5 об.%, в соответствии с составом сплава (см. табл. 1, 3).

Травление конц.HNO3. Долевое направление.

Рис. 6 - Микроструктура плиты толщиной 80 мм из сплава АК4-1чТ1: а) поверхностная зона;б) ј толщины плиты;в) центральная зона (Ѕ толщины плиты).

Травление реактивом Келлера. Долевое направление.

Рис. 7 - Микроструктура плиты толщиной 80 мм из сплава 1163Т: а) поверхностная зона;б) ј толщины плиты;в) центральная зона (Ѕ толщины плиты).

Травление реактивом Келлера. Долевое направление.

Наблюдаются известные закономерности изменения механических свойств плит: например, для сплава В95пчТ2 прочностные свойства несколько снижаются в поперечном направлении на ~ 10 МПа, а в высотном на ~ 25-30 МПа. Особенно это снижение заметно, как и следовало ожидать, для относительного удлинения, которое имеет самый низкий уровень в высотном направлении (табл. 4).

Таблица 4. Механические свойства при растяжении и значения вязкости разрушения массивных плит

Коэффициент КIс, на котором сказываются различные металлургические факторы - неоднородности структуры (количество интерметаллидов, прокаливаемость), определяли, как и механические свойства при растяжении, во всех направлениях (ДП, ПД, ВД).

Значения КЙс у испытанных плитсоответствуют средним значениям зарубежных данных, обобщённых в MilitaryHandbook [17].

Полученный уровень скорости роста трещины усталости (СРТУ) соответствует паспортным и сертификационным данным для плит из сплавов В95пчТ2, АК4-1чТ1, 1163Т. Долговечность образцов при малоцикловой усталости практически однородна по сечению (1/2 t, 1/4 t), находится в полосе разброса, характерной для плит из исследуемых сплавов, и соответствует паспортным данным.

Коррозионная стойкость (коррозионное растрескивание КР, расслаивающая коррозия РСК) отвечает стойкости, присущей сплавам и зафиксированной в документации. Это подтверждается измерением удельной электропроводимости по сечению плит методом вихревых токов.

Плоские слитки для изготовления массивных плит из сплавов В95пч, АК4-1чТ1, 1163Т рекомендуется отливать толщиной сечения не более 460 мм, для исключения ухудшения ряда характеристик плит (снижения вязкости разрушения К1с, удлинения д и сопротивления РСК).

При производстве термообработанных массивных плит из алюминиевых сплавов авиационного назначения (толщиной более 70- мм) рекомендуется контролировать механические свойства в трех направлениях, вырезанных из серединных слоев: продольном (Д), поперечном (П) и высотном (В), а также вязкость разрушения K1cв двух направлениях ДП и ВД.

Литература

1. Каблов Е.Н. ВИАМ: Продолжение пути //Наука в России. 2012. №11. С. 16-21.

2. Фридляндер И.Н. Воспоминания о создании авиакосмической и атомной техники из алюминиевых сплавов. - М.: Наука, 2005. - 275 с.

3. Антипов В.В. Стратегия развития титановых, магниевых, бериллиевых и алюминиевых сплавов //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 226-230.

4. Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» //Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3-33.

5. Каблов Е.Н. Всероссийскому институту авиационных материалов - 80 лет //Деформация и разрушение материалов. 2012. №6. С. 17-19.

6. Алюминиевые сплавы. Справочное руководство в 6 т. / Под ред. Фридляндера И.Н. , Добаткина В.И., Ливанова В.А., Квасова Ф.И., Белова А.Ф., Шалина Р.Е. - М.: Металлургия, 2-е изд. 1983. - 1986 гг.

7. Телешов В.В., Березин Л.Г., Осокин Л.С., Суббота А.П., Цыплухин И.П. Микроструктура слитка сплава АК4-1ч и ее наследственное влияние на структуру катаной плиты // Цветные металлы и сплавы, 1997, № 11 - 12, с. 93 - 98.

8. Антипов В.В., Сенаторова О.Г., Ткаченко Е.А., Вахромов Р.О. Алюминиевые деформируемые сплавы //Авиационные материалы и технологии. 2012. Юбилейный научно-технический сборник. С. 167-182.

9. Энциклопедия. Машиностроение. Т. II-3. Цветные металлы и сплавы. Композиционные металлические материалы /Под ред. Фридляндера И.Н., Каблова Е.Н., СенаторовойО.Г. - М.: Машиностроение, 2001. С. 94-144.

10. Ovsyannikov B.V. Beware of Grain Refinement. Aluminium Alloys. 2014-ICAA-14. Trondheim, Norway. 2014. P. 143-149.

11. Каблов Е.Н. Авиакосмическое материаловедение //Все материалы. Энциклопедический справочник. 2008. № 3. С. 2-14.

12. Ерасов В.С., Гриневич А.В., Сеник В.Я., Коновалов В.В., Трунин Ю.П., Нестеренко Г.И. Расчетные значения характеристик прочности авиационных материалов // Авиационные материалы и технологии. 2012. №2. С. 14-16.

13. ТУ I-92-81-87.Длинномерные авиационные плиты из алюминиевых сплавов марок 1163, В95оч и В95пч.

14. ТУ 1-92-59-88. Плиты длинномерные авиационные марки В95пч.

15. Aluminum Standards and Data. The Aluminum Association. USA, 2006.P. 6-9, 7-15.

16. ProceedingsofICAA-5 - ICAA-14, 1996-2014.

17. MIL HDBK 5H. Chance Notic 1, 1 October 2001.P. 3.11-3.13.

18. Скорняков В.И., Антипов В.В., Семовских Е.В. Развитие металлургического производства Каменск - Уральского металлургического завода для полуфабрикатов из новых алюминиевых сплавов //Цветные металлы. 2013. № 9. С. 30-33.

Размещено на Allbest.ru