Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время алюминиевые сплавы широко используются в промышленности. Например, в пассажирских самолетах алюминиевые сплавы составляют до 80% массы всех конструкций. Применение алюминиевых сплавов связано с их повышенной удельной прочностью по сравнению с традиционными высокопрочными материалами. Наиболее высокопрочными представителями алюминиевых сплавов являются термоупрочняемые сплавы системы Al-Zn-Mg-Cu. Сплавы Al-Zn-Mg-Cu, такие как 7075 и 7475, используются для изготовления, передних кромок крыла, внутренних перегородок и стенок дверей во многих пассажирских самолетах.
Традиционная для машиностроительных отраслей технология производства тонкостенных деталей сложного профиля основана на использовании методов листовой штамповки, механосборки. Она, как привило, характеризуется низким коэффициентом использования материала, требует сложного оборудования, большого количества комплектующих единиц и крепежных элементов. Указанные недостатки в значительной мере могут быть устранены при внедрении в производство процессов, использующих эффект сверхпластичности (СП) материалов. Реализация эффекта СП при обработке металлов давлением позволяет за одну операцию на серийном или специализированном оборудовании сравнительно небольшой мощности получать детали сложной формы, очень близкой к конечной, и соответственно, резко уменьшить трудоемкость и стоимость изготовления изделия, и повысить коэффициент использования материала.
В данной работе в качестве объекта исследования был выбран промышленный алюминиевый сплав 7055 системы Al-Zn-Mg-Cu, который является сплавом нового поколения. В настоящее время сплав 7055 рассматривается в качестве замены сплава 7475 в конструкциях таких самолетов как Боинг 777 и Аэробус А340. Сплав 7055 существенно превосходит сплав 7475 по характеристикам прочности и усталости, при сохранении достаточно высокой вязкости разрушения и коррозионной стойкости. Между тем, низкая технологическая пластичность существенно ограничивает его широкое использование в производстве тонкостенных изделий. Этот недостаток в полной мере может быть устранен при использовании эффекта СП в операциях обработки давлением.
До настоящего времени СП сплава 7055 не исследовалась. К моменту начала данной работы имелись экспериментальные данные о получении СП листов из промышленного сплава 7475, и эффект СП этого сплава используется в операциях сверхпластической формовки (СПФ). Ранее СП была получена в экспериментальных листовых полуфабрикатах шлаваВ9бц, киїтияй относится к
ж, ~ w І, РОС. НАЦЙОНАЛЬН/
семейству сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu и явля гтся rijи^лШНі?й <^м сплава
СЛ«тер*ург>
«э
4 7055. Однако термомеханическая обработка (ТМО) используемая для перевода сплавов Al-Zn-Mg-Cu в СП состояние позволяла получать листы небольших размеров, а формирующаяся в них микрокристаллическая (МК) структура обеспечивала проявление эффекта СП только при малых скоростях деформации. Поэтому требуется либо модификация существующей ТМО, либо использование других методов пластической деформации обеспечивающих получение крупногабаритных полуфабрикатов проявляющих СП свойства при повышенных скоростях деформации. В этой связи представляется целесообразным проведение исследований, направленных на установление конкретной связи между микроструктурой формирующейся в полуфабрикатах и ее изменений в процессе сверхпластической деформации (СПД) на СП свойства сплава 7055. Выявление этих закономерностей и совместное их рассмотрение позволит определить оптимальные условия обработки в условиях СПД, что обуславливает актуальность данной работы.
Цель диссертационной работы состояла в переводе сплава 7055 в СП состояние методами термомеханической обработки, включающей гетерогенизацию, теплую и холодную прокатку с промежуточными рекристаллизационными отжигами, и методами интенсивной пластической деформации (ИПД), исследовании изменений микроструктуры и механических свойств в процессе СПД. Особое внимание было уделено получению листовых полуфабрикатов. В работе решались следующие задачи:
-
Изучение возможности получения листовых и объемных заготовок сплава 7055 с микрокристаллической структурой;
-
Определение СП свойств в листовых и объемных заготовках;
-
Анализ влияния предварительной обработки на уровень СП свойств;
-
Анализ процессов изменения размера и формы зерен во время СПД;
-
Анализ развития пористости и разрушения в процессе СПД.
Научная новизна.
1. Показано, что равноканальное угловое (РКУ) прессование и РКУ прессование с последующей изотермической прокаткой способствуют формированию в сплаве 7055 микрокристаллической структуры, с размером зерен около 1,5 мкм, обеспечивающей высокие значения характеристик СП при температурах 400-425С и повышенных скоростях деформации вплоть до 1,4x10"2 с*1. Микроструктура, сформированная ТМО, включающей гетерогенизацию, теплую и холодную прокатку с промежуточными рекристаллизационными отжигами, демонстрирует максимальные СП свойства при температурах деформации 450С. Выявленное различие оптимальных температур сверхпластической деформации сплава 7055 обусловлено различием размеров зерен миіфоструктур, сформированных используемыми в работе методами, и различием рекристаллизации этих микроструктур при отжиге.
2. Показано, что сплав 7055, обработанный РКУ прессованием с
последующей изотермической прокаткой, характеризуется повышенной долей
высокоугловых границ. Увеличенное количество высокоугловых границ
приводит к подавлению аномального роста зерен при нагреве материала до
температур СПД. В результате однородная микроструктура обеспечивает
высокие СП свойства.
3. На примере сплава 7055 с частично рекристаллизованной
микрокристаллической структурой, сформированной ТМО, показано, что СПД
сопровождается трансформацией частично рекристаллизованной
микроструктуры в полностью рекристаллизованную в результате непрерывной
динамической рекристаллизации. Топографические и металлографические
наблюдения подтверждают, что важную роль в эволюции микроструктуры,
играет зернограничное проскальзывание (ЗГП).
4. Установлено, что повышение однородности микроструктуры сплава 7055
приводит к подавлению порообразования в ходе деформации. Результатом этого
является увеличение пластичности и расширение температурного и скоростного
интервалов проявления СП.
Практическая значимость результатов диссертации заключается в следующем:
-
Изготовлены опытные партии листовых и объемных полуфабрикатов, из высокопрочного алюминиевого сплава 7055, с размерами достаточными для исследования их СП характеристик.
-
Определены оптимальные температурно-скоростные условия реализации эффекта СП для сплава 7055 с микрокристаллическими структурами, сформированными методами ТМО, РКУ прессования, РКУ прессования с последующей изотермической прокаткой.
3. Показана работоспособность нового комбинированного метода,
включающего РКУ прессование и изотермическую прокатку, позволяющего
изготавливать листовые полуфабрикаты с высокими СП свойствами.
Использование РКУ прессования позволяет изготовить при последующей
изотермической прокатке листовые полуфабрикаты без традиционных для
стандартной низкотемпературной прокатки дефектов, таких как раскрытие и
растрескивание заготовки. Показано, что после такой обработки данный
алюминиевый сплав можно подвергать высокоскоростной сверхпластической
деформации.
На защиту выносятся:
1. Результаты механических испытаний сплава 7055 с МК структурой сформированной методами ТМО, РКУ прессования и РКУ прессования с последующей изотермической прокаткой.
-
Анализ влияния полученных микроструктур на СП свойства сплава 7055, показывающий, что увеличение доли высокоугловых границ в микроструктуре приводит к повышению пластичности и расширению интервала СП к большим скоростям и меньшим температурам.
-
Анализ влияния СПД на микроструктуру и порообразование, показывающий, что увеличение однородности микроструктуры подавляет порообразование и повышает ресурс пластичности материала.
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы представлены на следующих Международных и Российских конференциях: «Fourth Pacific Rim International Conference on Advanced Materials and Processing (PRICM4)», Honolulu, Hawaii, 11-15 декабря, 2001 г.; «Уральская школа - семинар металловедов-молодых ученых», Екатеринбург, 13-15 ноября, 2001 г.; 16-ая Уральская Школа Материаловедов-термистов, Уфа, 2002 г.; «8th International Conference on Superplasticity in Advanced Materials (ICSAM 2003)», Oxford, UK 28-30 июля, 2003 r.
Публикации. Материал диссертационной работы отражен в восьми публикациях, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы из 132 наименований. Общий объем диссертации 95 страниц, в том числе 40 рисунков и 9 таблиц.
