Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор применения алюминиевых сплавов в ракетно - космической технике отечественного и зарубежного производства
1.1 Современные алюминиевые сплавы, используемые в ракетно- космической технике
1.2 Основные тенденции создания новых конструкционных алюминиевых сплавов с улучшенным комплексом свойств
1.3 Анализ требований, предъявляемых к алюминиевым сплавам для конструкций перспективных ракет-носителей
1.3.1 Выбор марки алюминиевого сплава для герметичных криогенных баков ракеты-носителя
1.3.2 Выбор марки алюминиевого сплава для изготовления негерметичных отсеков ракеты-носителя
2. Материалы и методы испытаний 39
2.1 Исследуемые материалы 39
2.2 Определение механических свойств листов при нормальной температуре
2.3 Определение механических свойств листов при повышенных температурах
2.4 Определение механических свойств сварных соединений при нормальной и повышенной температуре
2.5 Измерение микротврдости по сечению сварных швов 44
2.6 Измерение удельной электрической проводимости 45
2.7 Определение коррозионных свойств полуфабрикатов 45
2.7.1 Ускоренные климатические испытания 45 2.7.2 Испытание листов из сплава 1151 на склонность к межкристаллитной коррозии
2.8 Металлографических исследования структуры полуфабрикатов из алюминиевых сплавов и их сварных соединений
3 Трансформация структуры и свойств сплавов 1151 и 1545К при технологических и эксплуатационных нагревах
3.1 Режимы технологических нагревов деталей и сборок из 50 алюминиевых сплавов
3.2 Изменение механических, физических и эксплуатационных 53 характеристик листов из сплава 1151 после технологических нагревов
3.2.1. Результаты исследования механических свойств листов из сплава 54 1151
3.2.2. Микроструктура листов из сплава 1151 в исходном состоянии и 57 после технологических нагревов
3.2.3 Влияние технологических нагревов на склонность листов сплава 1151 к межкристаллитной коррозии
3.2.4 Влияние технологических нагревов на удельное электрическое сопротивление сплава 1151
3.3 Определение характеристик жаропрочности полуфабрикатов из сплава 1151
3.3.1 Определение стандартных механических характеристик полуфабрикатов из сплава 1151 при повышенных температурах
3.3.2 Определение секундной прочности и секундной ползучести 74
полуфабрикатов сплава 1151
3.4 Влияние нагревов на механические характеристики листов из сплава 80
1545К
3.4.1 Влияние длительных низкотемпературных нагревов при химическом фрезеровании
3.4.2 Выбор режима межоперационного отжига при глубокой вытяжке 82
4 Формирование структуры и свойств сварных соединений из полуфабрикатов сплавов 1151 и 1545К
4.1 Получение сварных соединений листов сплавов 1151 и 1545К методом непрерывной аргонодуговой сварки
4.1.1 Определение экспериментальных режимов непрерывной сварки 89
4.1.2 Механические свойства сварных соединений 90
4.1.3 Анализ структуры сварных соединений 92
4.2 Получение сварных соединений из листовых полуфабрикатов сплавов 1151 и 1545К методом контактной точечной сваркой
4.2.1 Определение экспериментальных режимов точечной электросварки
4.2.2 Оценка геометрических параметров и механических характеристик 103
сварных точечных соединений
4.2.3 Металлографические и рентгенографические исследования структуры точечных сварных соединений из сплавов 1151 и 1545К
5 Промышленная апробация и внедрение результатов работы 115
5.1 Разработка и испытание опытной конструкции из полуфабрикатов 115
сплава 1151 с применением технологии непрерывной аргонодуговой и контактной точечной электросварки
5.2 Разработка и испытание опытной герметичной конструкции из 119
полуфабрикатов сплава 1545К
5.3 Результаты ускоренных климатических испытаний полуфабрикатов 121 из сплавов 1151 и 1545К
5.4 Ожидаемый годовой экономический эффект от применения сплавов 123 1545К и 1151 в конструкции блока II ступени перспективной ракеты -носителя повышенной грузоподъмности
Заключение 126
Список литературы диссертационного исследования 130
Приложения 1
- Анализ требований, предъявляемых к алюминиевым сплавам для конструкций перспективных ракет-носителей
- Измерение микротврдости по сечению сварных швов
- Микроструктура листов из сплава 1151 в исходном состоянии и 57 после технологических нагревов
- Определение экспериментальных режимов непрерывной сварки
Анализ требований, предъявляемых к алюминиевым сплавам для конструкций перспективных ракет-носителей
Алюминиевые сплавы - основные материалы во многих силовых и ответственных конструкциях, работающих в самых разнообразных условиях: при повышенных температурах и в криогенной технике, при постоянных и переменных нагрузках, в различных климатических условиях.
Славы на основе алюминия широко применяются в современной технике, особенно в тех случаях, когда важно снизить массу конструкции за счт применения материала с высокой удельной прочностью. Поэтому основными потребителями алюминиевых сплавов являются такие отрасли как авиастроение и космическая промышленность. По оценкам ведущих отечественных и зарубежных специалистов алюминиевые сплавы остаются на сегодняшнее время основным конструкционным материалом для изделий авиационной и ракетно-космической техники [1-5].
В конструкциях современной российской и зарубежной ракетно-космической техники алюминий применяется в виде технического алюминия и различных алюминиевых сплавов, которые можно разделить на три основные группы: - деформируемые сплавы, предназначенные для получения полуфабрикатов, а также поковок и штамповок путем прокатки, прессования, ковки и штамповки; - литейные сплавы, предназначенные для фасонного литья; - сплавы, получаемые методом порошковой металлургии.
В ходе деформации при нормальной или повышенной температурах, заготовки из деформируемых алюминиевых сплавов сравнительно легко принимают форму детали или полуфабриката, что является наиболее важным свойством этой группы алюминиевых сплавов.
Деформируемые алюминиевые сплавов применяются для изготавливается большой номенклатуры полуфабрикатов: катаных - плит, листов, труб; прессованных – профилей и прутков; кованых – поковок и штамповок.
Листовые полуфабрикаты из деформируемых алюминиевых сплавов являются основным конструкционным материалом для изготовления конструкций современных ракет-носителей (РН) и космических аппаратов (КА)[6].
В нашей стране и за рубежом создано большое количество марок алюминиевых деформируемых сплавов, различающихся химическим составом, структурой и свойствами. Основные системы легирования алюминиевых сплавов и упрочняющие фазы приведены в таблице 1.1.
Одной отечественной марке алюминиевых сплавов может соответствовать несколько марок зарубежных сплавов, чаще всего марок США. Некоторые отечественные сплавы не имеют зарубежных аналогов, например сплав АМг6. Американская система маркировки алюминиевых сплавов и их состояний принята в качестве международной.
Как правило, химический состав отечественных и зарубежных сплавов, предназначенных для применения в однотипных конструкциях, практически совпадает [10].
Из литературы известно, что деформируемые термически неупрочняемые алюминий - магниевые сплавы в соответствии с международной системой маркировки, обозначаемые как 5052, 5086, 5456, применялись в американских ракетах-носителях среднего класса «Сатурн-1В», «Титан», «Тор» для изготовления стенок и днищ баков с компонентами топлива[11].
Из термически упрочняемых алюминиевых сплавов систем алюминий -медь и алюминий – медь - кремний по международной классификации марок 2219 и 2014 изготавливались конструкции баков американской ракеты -носителя тяжелого класса «Сатурн V»[12,13].
Термически упрочняемые алюминиевые сплавы марок 2024 и 7075 по международной классификации широко применяются для изготовления негерметичных отсеков зарубежных ракет-носителей [11-13].
В последнее время в отечественной и зарубежной ракетно-космической технике вс шире используются алюминий - литиевые сплавы[14-18].
Алюминий - литиевые сплавы марок 2050, 2195, 2198 по международной классификации планировались к использованию для изготовления блоков новейших американских ракет-носителей «Арес 1» и «Фалькон 9»[19,20].
Сравнительные механические свойства полуфабрикатов из отечественных и зарубежных алюминиевых деформируемых сплавов приведены в таблице 1.3. Таблица 1.3- Механические свойства полуфабрикатов из отечественных и зарубежных алюминиевых деформируемых сплавов (по данным [10]) Механические свойства № п/п12 3 4567 Страна Марка сплава Полуфабрикат Состояние Стандарт Временноесопротивлениеразрыву Предел текучести Относительное удлинение МПа %
Россия АМц(1400) Лист толщиной 2 мм М ГОСТ 21631 90 - США 3003 0 ASTM В-209 95-130 35 Россия АМг5(1550) Лист толщиной 2 мм М ГОСТ 21631 275 145 США АА5456 0 ASTM В-209 290-365 130-205 Россия АМг6(1560) Лист толщиной 2 мм М ГОСТ 21631 305-315 145-155 Россия Д16(1160) Профиль Т ГОСТ 8617 410 285 США АА2024 Т42 ASTM B-211 393 260 Россия АД31(ІЗЮ) Профиль Т1 ГОСТ 8617 196 147 США АА6063 Т6 ASTM B-211 205 170 Россия АК8(1380) Штамповка (вдоль волокна) Т1 ОСТ1 90073 410 295 США АА2014 Т6 ASTM В-247 435 380 Россия В95(1950) Профиль Т1 ГОСТ 21631 520 460 США АА7075 Т6 ASTM B-211 555 495 7 Большое влияние на технологические и эксплуатационные свойства алюминиевых деформируемых сплавов оказывают постоянно присутствующие примеси железа, кремния и водорода[6-8]. С уменьшением содержания железа и кремния в структуре алюминиевых деформируемых сплавов уменьшается количество грубых первичных интерметаллидов, при этом повышаются характеристики пластичности и вязкости разрушения.
Ограничение по содержанию в сплавах водорода гарантирует получение более качественных сварных соединений. Поэтому для изделий ответственного назначения, в том числе и для конструкций авиационной и ракетно-космической техники, разработаны алюминиевые сплавы с жесткими ограничениями по содержанию примесей, обладающие высокими пределами прочности при циклических нагрузках и возможностью получения качественных сварных соединений [11].
Получение необходимых механических, технологических и коррозионных свойств полуфабрикатов из алюминиевых деформируемых сплавов достигается с помощью различных методов: упрочнением пластической деформацией - нагартовкой, термической обработки, термомеханической обработкой [21-25].
На металлургических предприятиях слитки из деформируемых алюминиевых сплавов подвергают горячей и холодной обработке давлением - прессованию, прокатке, ковке, штамповке и т.д. Твердый раствор легирующих элементов в алюминии является основной структурной составляющей в деформируемых сплавах, что обеспечивает хорошую пластичность этих сплавов на всех этапах изготовления полуфабрикатов [26].
Упрочнение деформацией - нагартовка, повышающее прочностные свойства алюминиевых деформируемых сплавов, применяется особенно широко для термически неупрочняемых сплавов. Нагартовка используется для полуфабрикатов простой формы - листы, плиты. В изделиях ракетно-космической техники, как в России, так и за рубежом, применяют в основном алюминиевые деформируемые сплавы двух типов: свариваемые аргонодуговой сваркой термически не упрочняемые сплавы системы Al-Mg и термически упрочняемые сплавы с повышенной прочностью, не свариваемые аргонодуговой сваркой, относящиеся к системам Al-Cu-Mg и Al-Zn-Mg-Cu [27-29].
В первой группе сплавов, предназначенных для изготовления сварных герметичных конструкций, можно выделить широко применяющиеся отечественные сплавы АМг5 и АМг6 - магналии, относящиеся к системе легирования Al-Mg (рис. 1.1).
Измерение микротврдости по сечению сварных швов
По данным, приведнным в таблице 3.2, для полуфабрикатов из термически неупрочняемых сплавов типа АМг6 в отожжнном состоянии максимальная температура технологического нагрева составляет 260 оС. Для нагартованных листов сплава АМг6 максимальная температура технологического нагрева снижается до 100 оС. Технологические нагревы термически упрочняемых алюминиевых сплавов, таких как сплав Д16, допускаются, как правило, при температурах, не превышающих 130оС.
Анализ технологии производства деталей и сборок, проектируемых в настоящее время ракет-носителей и космических аппаратов, показывает, что при изготовлении конструкций из листовых полуфабрикатов сплава 1151 в закалнном и естественно состаренном состоянии возможны нагревы до температур 100 - 200 оС продолжительностью от 6 до 8 часов. Полуфабрикаты из сплава 1545К в нагартованном состоянии могут подвергаться нагреву до температур 70 - 80 оС продолжительностью от 2 до 5 часов.
Для оценки влияния технологических нагревов и применения новых сплавов в изделиях необходимо определить характер изменения структуры, прочностных и эксплуатационных характеристик полуфабрикатов из перспективных алюминиевых сплавов 1151 и 1545К.
Так как полуфабрикаты из алюминиевого сплава 1151 рекомендуется применять в закаленном и естественно состаренном состоянии, технологические нагревы листов можно рассматривать как дополнительное искусственное старение. Сплав 1151, как и сплав Д16, относится к системе легирования Al-Cu-Mg. Данные о влияние искусственного старения при температурах от 40 до 200 оС с выдержкой 0,5 и 100 часов на механические свойства естественно состаренных листов из сплава Д16 приведены в работах[7-9].
Результаты исследований показывают, что искусственное старение листов из сплава Д16 при температурах до 40 оС и продолжительностью до 100 часов не влияют на свойства листов. При повышении температуры до 100 оС наблюдается незначительное понижение предела текучести и повышение пластичности, при этом предел прочности не изменяется.
Дальнейшее повышение температуры старения до 150 оС приводит к снижению предела прочности и повышению пластичности. Искусственное старение при температурах порядка 190 - 200 оС одновременно понижает прочность и пластичность листов из сплава Д16.
В работах авторов [22, 24] показано, что в результате изменения структуры при искусственном старении закаленных и естественно состаренных листов из сплава Д16 изменяются их коррозионные свойства. В частности, после длительных нагревов при температурах выше 125 оС увеличивается склонность листов к межкристаллитной коррозии.
Предполагается, что аналогичные изменения структуры, механических и эксплуатационных свойств происходят и в результате искусственного старения закалнных и естественно состаренных листов из алюминиевого сплава 1151 при температурах 100 - 200 оС.
Для проведения исследований из листа сплава 1151 в закалнном 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 оС, что имитировало соответствующие технологические нагревы при изготовлении деталей.
Нагрев проводился в сушильных шкафах типа СНОЛ-Ф-67/350 с точностью поддержания температурного режима ± 3оС. После термического воздействия образцы испытывались на растяжение. Для определения механических свойств при растяжении использовалась универсальная разрывная машина УЭМ-5А.
Результаты определения механических свойств образцов приведены в таблице 3.3. Как видно из таблицы 3.3 выдержка образцов из сплава 1151 при температуре 100 оС не влияет на механические характеристики. Таблица 3.3 - Механические свойства листов из сплава 1151 в исходном состоянии и после технологических нагревов
Температура нагрева, оС Среднеезначение в,МПа Среднеезначение од,МПа Среднее значение ,% Отношениеод/в
Повышение температуры нагрева до 100 - 150 оС механические свойства материала изменяются незначительно. Наблюдается небольшое повышение предела текучести и снижение относительного удлинения.
После выдержки при 175 - 200 оС предел прочности в и предел текучести 0,2 увеличиваются, а относительное удлинение 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%
Наиболее наглядно изменение механических характеристик полуфабрикатов из алюминиевых сплавов при изменении температуры искусственного старения отражает изменение отношения 0,2/в (см. рисунок 3.1).
Полученные результаты по изменению механических свойств листовых полуфабрикатов из сплава 1151 при дополнительном старении в интервале температур 100 - 200 оС хорошо согласуются с данными по влиянию нагревов на механические свойства листов из сплава Д16 в закалнном и естественно состаренном состоянии [7-9, 22].
По результатам настоящей работы, минимальная температура нагрева листов сплава 1151 в течение 7 часов, при которой наблюдаются значительные изменения механических характеристик, находится в интервале температур 150 - 175 оС.
По данным [22] изменение механических свойств закалнных и естественно состаренных листов из сплава Д16 при дополнительных нагревах начинается уже с температур 125 – 150 оС при выдержках до 100 часов. Повышение температуры нагрева, вызывающего изменения механических характеристик у сплава 1151 по сравнению со сплавом Д16 связано с большей стабильностью структуры сплава 1151. Особенности легирования и фазового состава сплава 1151 обеспечивают замедление диффузионных процессов в структуре полуфабрикатов из сплава 1151.
Микроструктура листов из сплава 1151 в исходном состоянии и после технологических нагревов После определения механических свойств из образцов листов сплава 1151 в исходном состоянии и после технологических нагревов были изготовлены микрошлифы в поперечной плоскости сечения листа для оценки степени изменения микроструктуры сплава. Микрошлифы изучались как под световым микроскопом МИМ-7, так и под электронным растровым микроскопом JEOL JSM-7000F фирмы Tokyo Boeki LTD
Поскольку алюминиевые сплавы Д16 и 1151 относятся к дуралюминам и расположены в алюминиевом углу тройной диаграммы состояния системы Al-Cu-Mg, показанной на рисунке 3.2, рассмотрим эту часть диаграммы.
Наиболее полно алюминиевый угол тройной диаграммы был исследован [57]. Авторы установили, что данная система содержит две двойные (CuAl2, Al3Mg2) и две тройные фазы (Al2CuMg, Al6Mg4Cu). Эти фазы растворяются при закалке и являются основными упрочнителями сплавов типа дуралюмин в ходе старения.
Так как сплавы Д16 и 1151 кроме меди и магния содержат небольшие количества марганца, титана, кремния, железа и других легирующих элементов и примесей, в структуре этих сплавов присутствуют также фазы Al3Fe, Al6Mn, Al10Mn2Si, Al7Cu2Fe и соответствующие тврдые растворы на базе некоторых металлических соединений.
После закалки и естественного старения структура сплава Д16 (см. рисунок 3.3) состоит из зерен твердого раствора легирующих элементов в алюминии и частиц нерастворимых фаз AlSiMnFe (или AlSiMnCuFe), которые являются тврдыми растворами на базе металлических соединений, например на базе фазы Al6Mn.
Микроструктура листов из сплава 1151 в исходном состоянии и 57 после технологических нагревов
По результатам работ [51, 52] известно, что сварные соединения листов сплава Д16, выполненные непрерывной электросваркой в среде защитного газа имеют высокую дефектность и как следствие - небольшую прочность. Поэтому полуфабрикаты из сплава Д16 не применяются в сварных элементах конструкции ракет-носителей.
По результатам настоящей работы листовые полуфабрикаты из алюминиевого сплава 1151 могут подвергаться аргонодуговой сварке с получением качественных сварных соединений.
Так как сплав 1151 термически упрочняется, а отношение предела прочности сварного соединения к пределу прочности основного металла не превышает 0,8 целесообразно применять сварку листов из этого сплава для получения негерметичных нагруженных конструкций негерметичных отсеков.
Сварные соединения из отожжнных и нагартованных листов сплава 1545К по данным, приведнным в таблице 4.4, имеют более высокие механические свойства, чем аналогичные соединения из листов сплава АМг6.
Коэффициенты сварных соединений отожжнных и нагартованных листов из сплава 1545К, выполненных автоматической электросваркой в среде защитного газа, имеют большую величину, чем коэффициенты ослабления сварных соединений листов из сплава АМг6. 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 АМг6.
Проводился анализ макро- и микроструктуры сварных соединений из листовых полуфабрикатов сплавов 1545К и 1151. Алюминиевый сплав 1151, как и сплав Д16, являются термически упрочняемыми. Для сварки по экспериментальным режимам использовались листы из сплава 1151 в закалнном и естественно состаренном состоянии (Т).
По данным [51] при электросварке термически упрочняемых сплавов в околошовных зонах происходят процессы, ухудшающие свойства сварного соединения. В работах [51-53] проводилось измерение твердости и изучение структуры металла в зоне термического воздействия при сварке листов из сплава Д16. Обнаружено, что в околошовных зонах имеются участки металла с различной степенью распада твердого раствора и коагуляции упрочняющих фаз.
Также в работах [51-53] установлено, что независимо от способа сварки и исходного состояния металла в непосредственной близости от шва наблюдается зона оплавления границ зерен. Ширина зоны оплавления зависит от способа и режима сварки. Распределение эвтектики в этой зоне изменяется в зависимости от исходного состояния сплава. В сварных соединениях, полученных при сварке листов сплава Д16 в закаленном состоянии, эвтектика располагается в виде сплошной прослойки вокруг зерен. Появление жидких прослоек между зернами снижает механические свойства металла в нагретом состоянии и способствует образованию кристаллизационных трещин.
В структуре сплава 1151 эвтектика по границам зерен выделяется в небольших количествах, что обусловлено химическим составом сплава.
Рисунок 4.1. Макроструктура сварного соединения листов сплава 1151 толщиной 4 мм, выполненного ААрДЭС по режиму 2 (х2)
На рисунке 4.1 приведена фотография макроструктуры сварного соединения листовых полуфабрикатов из сплава 1151 полученного автоматической аргонодуговой сваркой.
Как видно из рисунка 4.1 структура сварного шва плотная, без трещин и крупных несплошностей. Имеется небольшое количество газовых пузырей, допустимых по отраслевой документации. Структура зоны сварного шва мелкозернистая, дезориентированная, что характерно для случая быстрого затвердевания расплавленного металла при переохлаждении. На рисунке 4.2 приведены фотографии микроструктуры в различных зонах сварного соединения листовых полуфабрикатов из сплава 1151 полученного автоматической аргонодуговой сваркой.
Из графика на рис. 4.3 следует, что с увеличением расстояния от центра сварного шва, где микротврдость составляет 80 – 100 HV 0,5, величина е возрастает до 130-150 HV 0,5. В зоне термического влияния (ЗТВ) на расстоянии 7 - 12 мм от центра сварного шва наблюдается провал микротвердости, объясняющийся тем, что в этой зоне температура нагрева достигает закалочной температуры, при этом растворяются все упрочняющие дисперсоиды, что и приводит к снижению микротврдости.
Таким образом, сплав 1151, в отличие от сплава Д16, не склонен к образованию кристаллизационных трещин. Сварные соединения из листовых полуфабрикатов сплава 1151 выполненные ААрДЭС, имеют механические характеристики, значительно превышающие механические характеристики сварных соединений из листов сплава АМг6 (см. таблицы 4.3 и 4.4), поэтому листы из сплава 1151 могут применяться для сварных негерметичных конструкций перспективных ракет-носителей.
На рисунке 4.4 приведены фотографии макроструктуры сварных соединений листовых полуфабрикатов из сплава 1545К в отожженном и нагартованном состоянии, полученных автоматической аргонодуговой сваркой.
Структура сварных швов на рисунке 4.4 плотная, трещины и поры отсутствуют. Отчтливо видны зона сварного шва (тмное поле), переходная зона (области серого цвета) и зона основного металла (области светлого цвета).
Такая макроструктура сварных швов свидетельствует о том, что экспериментальные режимы обеспечивают получение качественных сварных соединений. Сплав 1545К относится к системе легирования Al-Mg-Sc. Добавки скандия измельчают структуру алюминиевого сплава и повышают температуру рекристаллизации в деформированных полуфабрикатах.
Определение экспериментальных режимов непрерывной сварки
В диссертационной работе поставлены и решены основные задачи по формированию требований и выбору алюминиевых деформируемых сплавов с повышенным комплексом свойств для изготовления конструкций перспективных ракет-носителей повышенной грузоподъмности, выбору оптимальных параметров технологических процессов получения деталей и сборок из новых алюминиевых сплавов, оценки влияния факторов технологических процессов и эксплуатационных воздействий на структуру и свойства алюминиевых сплавов, проектированию и испытанию экспериментальных конструкций. Были рассмотрены вопросы, связанные с: - анализом условий работы алюминиевых сплавов в конструкциях перспективных ракет носителей и формированием требований к прочностным, технологическим и эксплуатационным характеристикам применяемых материалов, выбор марок сплавов; - экспериментальной отработкой 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; - исследованием 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; - проектированием, изготовлением и испытанием экспериментальных конструкций из новых алюминиевых сплавов для оценки их работоспособности в конструкциях ракеты носителя; - разработкой нормативных документов – инструкций по изготовлению деталей и сборок из алюминиевых сплавов с улучшенным комплексом свойств.
Получены следующие основные научные и практические результаты работы:
1. Для изготовления криогенных герметичных и негерметичных конструкций перспективной ракеты-носителя с повышенной грузоподъмностью наиболее оптимальным вариантом на начальном этапе проектирования являются полуфабрикаты из алюминиевых сплавов с улучшенным комплексом свойств марок 1151 и 1545К;
2. Проведн анализ технологии производства деталей и сборок из алюминиевых деформируемых сплавов и установлено, что при изготовлении конструкций из листовых полуфабрикатов сплава 1151 в закалнном и естественно состаренном состоянии возможны технологические нагревы до температур 100 – 200 оС продолжительностью от 6 до 8 часов.
Экспериментально установлено, что критической температурой технологического нагрева листовых полуфабрикатов из сплава 1151, при нагревах выше которой происходят значительные изменения структуры и свойств материала, является температура 175 оС. Технологические нагревы листов из сплава 1151 при температурах выше 175 оС увеличивают склонность материала к межкристаллитной коррозии.
Для сплава 1151 построена диаграмма старения, позволяющая прогнозировать структуру и свойства сплава в зависимости от температуры и времени выдержки при старении.
Полуфабрикаты из сплава 1545К в нагартованном состоянии могут подвергаться нагреву до температур 70 - 80 оС продолжительностью от 2 до 5 часов. Нагрев при таких температурах не приводит к значительному падению механических свойств полуфабрикатов из сплава 1545К. Установлено, что оптимальная температура межоперационного отжига листов из сплава 1545К, при которой деформационное упрочнение практически полностью снимается, а необходимый уровень механических свойств сохраняется, находится в интервале 380 - 400 оС.
3. Установлено, что при кратковременных нагревах листовые полуфабрикаты из сплава 1151 сохраняют исходные прочностные характеристики до температуры порядка 200 С, сохранение конструкционной прочности наблюдается до температуры 400 С, таким образом полуфабрикаты из сплава 1151 имеют более высокие характеристики жаропрочности, чем полуфабрикаты из сплава Д16.
4. Определены оптимальные параметры технологического процесса непрерывной аргонодуговой сварки листовых полуфабрикатов из сплавов 1151 и 1545, изучены их структура и свойства. Установлено, что непрерывные сварные соединения из листа сплава 1151 удовлетворяют требованиям отраслевых стандартов, максимальный коэффициент разупрочнения сварного шва оставляет 0,7 - 0,8, что не позволяет применять сплав для сварных герметичных конструкций.
Механические свойства сварных соединений из листов сплава 1545К превосходят свойства аналогичных соединений из листов сплава АМг6. Коэффициент разупрочнения сварного шва, приближающийся к единице, и сохранение работоспособности материала до минус 253 оС позволяет применять сплав 1545К для сварных криогенных герметичных баков перспективных ракет-носителей.
Установлено, что механические свойства сварных точечных соединений листовых полуфабрикатов из алюминиевых сплавов 1151 и 1545К превосходят свойства аналогичных сварных соединений из сплавов АМг6 и Д16. Структура и свойства сварных точечных соединений листов из сплавов 1151 и 1545К удовлетворяют требованиям отраслевых стандартов.
Определено, что температура эксплуатации высоконагруженных конструкций негерметичных отсеков ракет - носителей, выполненных контактной точечной сваркой листов сплава 1151 должна быть не выше 175оС.
