Введение к работе
з
Актуальность проблемы. Проблема поиска новых свариваемых алюминиевых сплавов, относящихся к группе термически неупрочняемых и имеющих более высокие прочностные характеристики, чем существующие промышленные сплавы системы АІ-Мд, самым непосредственным образом связана как с созданием новых, более совершенных, образцов новой техники, так и с решением ряда народнохозяйственных задач.
Одной из наиболее актуальных проблем научно-технического прогресса является проблема повышения весового совершенства изделий ракетной и космической техники. Основной путь решения этой проблемы -повышение удельных прочностных характеристик конструкционных материалов.
Как известно, наиболее распространенным материалом для большинства сварных конструкций ракет и космических летательных аппаратов (КЛА) в течение длительного времени является алюминиевый термически неупрочняемыи сплав АМгб, производимый в виде различных деформированных полуфабрикатов. Использование сплава АМгб в конструкциях этого вида объясняется его несомненными достоинствами, такими как хорошая свариваемость, позволяющая получать сварные соединения, близкие по прочности к прочности основного металла, высокая коррозионная стойкость, позволяющая ему работать в компонентах топлива и в морских условиях, достаточно высокая пластичность, высокая технологичность в металлургическом и машиностроительном производствах, связанная, в частности, с отсутствием необходимости в упрочняющей термической обработке полуфабрикатов и готовых деталей, высокая размерная и термическая стабильность. Вместе с тем существенным недостатком сплава АМгб является его довольно низкая прочность: гарантированный предел текучести, основная расчетная характеристика для большинства конструкций, у отожженных полуфабрикатов из сплава АМгб составляет в зависимости от вида полуфабриката всего лишь от 120 до 155 МПа.
Из сказанного выше становится ясным, насколько актуальной для ракетно-космической техники является проблема поиска таких новых сплавов, которые, обладая всеми достоинствами, присущими сплаву АМгб, имели бы более высокие прочностные свойства.
Менее легированные по магнию, чем сплав АМгб, коррозионностойкие
алюминиевомагниевые сплавы (АМг2, АМгЗ, АМг4, АМгб) довольно широко
применяются преимущественно в виде сварных конструкций в различных
отраслях народного хозяйства. Повсеместная замена серийных
промышленных сплавов этой группы на новые более прочные, но не уступающие им п^ коррозионной стойкости сплавы, позволила бы существенно снизить металлоемкость вновь изготавливаемых конструкций данного типа, что в свою очередь повлекло бы за собой снижение расхода первичного алюминия и, соответственно, затрат на его производство, в первую очередь затрат электроэнергии, а также снижение темпов расходования таких невосполняемых ресурсов, как постепенно исчезающие запасы бокситов.
Таким образом, разработка и внедрение новых более прочных коррозионностойких технологичных термически неупрочняемых алюминиевых сплавов - это, с одной стороны, существенный вклад в решение проблемы повышения тактико-технических данных изделий ракетной и космической техники, возможность создания новых типов летательных аппаратов с использованием сварки как основного метода соединений, укрепление обороноспособности страны и, с другой стороны, это возможность снижения металлоемкости алюминиевых конструкций народнохозяйственного назначения с соответствующей экономией энергоресурсов и невосполняемых запасов алюминийсодержащего сырья.
В настоящей работе проблема создания новых деформируемых термически неупрочняемых алюминиевых сплавов с повышенным уровнем прочностных свойств решается путем легирования сплавов системы алюминий-магний новым нетрадиционным легирующим элементом -скандием.
Целью работы является разработка новых деформируемых термически неупрочняемых высококоррозионостоиких свариваемых сплавов на основе системы Al-Mg-Sc и металловедческих основ промышленной
технологии получения из них деформированных полуфабрикатов с повышенным уровнем прочностных свойств для нового поколения изделий ракетной и космической техники и нужд народного хозяйства.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:
-исследовать закономерности влияния добавок скандия на структуру и механические свойства алюминия и двойных сплавов Al-Mg;
-исследовать влияние основных технологических факторов производства слитков и деформированных полуфабрикатов на структуру и механические свойства литого и деформированного металла сплавов Al-Mg, легированных скандием совместно с другими переходными металлами;
-на основе полученных данных разработать группу новых деформируемых сплавов на основе системы Al-Mg-Sc и параметры технологии получения из них деформированных полуфабрикатов применительно к имеющемуся в промышленности оборудованию;
-исследовать основные свойства деформированных полуфабрикатов из новых сплавов, определяющие возможности их применения в изделиях ракетной и космической техники, исследовать характеристики конструкционной прочности, определяющие возможности применения новых сплавов в самолетостроении, установить рациональные области применения новых сплавов и перспективы их развития для нужд народного хозяйства;
-разработать технические условия на новые сплавы и технологические рекомендации на производство из них основных видов деформированных полуфабрикатов;
-внедрить результаты работы в промышленность.
Научная новизна работы. Методами световой и электронной микроскопии, локального рентгеноспектрального анализа изучены фазовые и структурные превращения в сплавах системы Al-Mg-Sc (Mg - от 1 до 6%, Sc - от 0,15 до 0,5%), происходящие при кристаллизации, последующих нагревах, горячей и холодной деформации. Установлены закономерности влияния фазовых и структурных превращений на механические, коррозионные и некоторые другие эксплуатационные свойства сплавов.
f.
На основе установленных закономерностей определены механизмы упрочнения сплавов Al-Mg-Sc, зависящие как от содержания скандия, так и от технологии производства полуфабрикатов. Суть этих механизмов заключается в следующем:
при кристаллизации скандий входит в твердый раствор и тем в большей степени, чем выше скорость охлаждения при литье слитков;
при регламентированных нагревах слитков в процессе изготовления из них полуфабрикатов (гомогенизация, нагрев перед деформацией, отжиг) из пересыщенного твердого раствора выделяются когерентные частицы фаз типа AI3Sc, Ab(Sc.Zr), Ab(Sc, Zr, Ті), что определяет существенный эффект дисперсионного твердения;
- дисперсные включения скандиевых фаз резко повышают
температуру рекристаллизации деформированных полуфабрикатов,
которые после обычного для AI-Mg-сплавов отжига имеют
нерекристаллизованную структуру тем более тонковолокнистую и с
меньшим субзерном, чем выше степень деформации перед отжигом, что
обусловливает большую или меньшую степень структурного упрочнения.
Определены основные технологические параметры производства деформированных полуфабрикатов, обеспечивающие максимальный эффект упрочнения от добавки скандия, который является суммой эффектов дисперсионного твердения от выделений фазы AbSc или Ab(Sc, Zr) и структурного (субзеренного) упрочнения.
Разработана группа новых свариваемых сплавов на основе системы Al-Mg-Sc, имеющих другую металловедческую природу, чем сплавы системы Al-Mg:
- высокопрочные сплавы 01570 и 01570-С, превосходящие по
прочности все известные сплавы, не упрочняемые термообработкой
(типичные свойства листов и тонких профилей о"в 5 400 МПа, Оо,2^ 300 МПа),
при этом имеющие отличную свариемость, высокую коррозионную стойкость
и по характеристикам конструкционной прочности (МЦУ, Ксу, СРТУ)
приближающиеся к самому трещиностойкому авиационному сплаву Д16ч;
- сплав 01545К для работы при криогенных температурах (до -253С),
превосходящий по механическим свойствам при -253С известный сплав
1201;
- низколегированные сплавы 01523 и 01515, сочетающие достаточную прочность (о"о,2 выше, чем у АМгб) с высокими значениями электро- и теплопроводности.
Установлено, что листы из AI-Mg-Sc-сплава с 6% магния обладают природной сверхпластичностью, т.е. не требуют подготовки структуры для сверхпластической деформации.
Практическая значимость и реализация результатов работы. Технология изготовления деформированных полуфабрикатов из сплавов на основе системы Al-Mg-Sc освоена при непосредственном участии автора на опытном заводе ВИЛСа и на металлургических заводах в г.г. Самара, Каменск-Уральский, Белая Калитва.
Деформированные полуфабрикаты из сплавов на основе системы Al-Mg-Sc использованы в конструкциях изделий НПО им. С.А. Лавочкина, Государственного ракетного центра (ГРЦ) "КБ им. акад. В.П. Макеева", МКБ "Факел", ГК НПЦ им. М.В. Хруничева, что позволило снизить вес конструкций на 10-20%.
Разработаны и выпущены технические условия на химический состав новых деформируемых сплавов на основе системы Al-Mg-Sc ТУ 1-809-420-84 (01570, 01523,01515), ТУ 1-809-874-88 (01571), ТУоп 1-809-621-96 (01535, 01545, 01545К);
Разработаны и выпущены технологические рекомендации
ТР0СВ442-2/31/1/3-82, TPOCB509-13/31 -84, ТРОСв590-31 /1/3/2/13-86,
содержащие основные параметры изготовления деформированных полуфабрикатов из сплавов на основе системы Al-Mg-Sc.
Разработаны и выпущены технические условия на основные виды деформированных полуфабрикатов, в том числе: ТУ 1-809-615-90 (листы из сплавов 01570, 01515, 01523), ТУ 1-809-581-92 (профили и прутки прессованные из сплавов 01515,01523 и 01570), ТУоп1 -809-612-94 (листы из сплава 01545К), ТУ 1-809-639-99 (проволока из сплавов 01523 и 01571), ТУоп1-809-004-96 (проволока из алюминиевых сплавов 01535, 01545 и 01545К),ТУоп1 -809-1018-94 (проволока из сплава 01597),ТУ 1-809-828-2000 (проволока из сплава 01523 для электропроводов).
Апробация работы. Основные положения и научно-технические
результаты работы доложены на 15 международных, всесоюзных,
всероссийских, межотраслевых и отраслевых конференциях,
семинарах и совещаниях, в том числе на Международной научно-
практической конференции "Скандий и перспективы его
использования" (Москва, 1994г.), 5-й Международной конференции по
алюминиевым сплавам во Франции (Гренобль, 1996 г.), 5-й
Международной конференции по новым материалам в Китае (Пекин,
1999г.), конгрессах Международного института сварки (МИС) и
заседаниях специального комитета МИС "Неразъемные соединения
новых материалов и покрытия в авиационной технике" (1993-1996 г г.),
международном семинаре " Соединения аэрокосмических материалов"
в Англии (Дерби, 1997 г.), IV Международной научно-практической
конференции "Развитие автомобилестроения в России" (Тольятти,
1998г.), II Всесоюзной конференции по конструкционным материалам
для реакторов термоядерного синтеза (Дубна, 1981 г.), межотраслевой
научно-технической конференции "Сверхпластичные листовые
материалы и технология пневмоформовки деталей" (Москва, 1985 г.),
межотраслевом научно-техническом семинаре "Новые конструкционные
материалы" (Москва, 1988г.), IV Всесоюзной конференции по сварке
цветных металлов (Мариуполь, 1990 г.), научно-технической
конференции, посвященной 65-летию отечественной металлургии
легких и специальных сплавов (Москва, 1998г.), научно-техническом
семинаре "Свариваемые алюминиевые сплавы на основе новых систем
легирования" (Москва, 1997 г.), научно-технических совещаниях
работников заводских лабораторий
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 46 статьях. Разработки, полученные в данной работе, защищены 22 авторскими свидетельствами СССР и 5 патентами Российской Федерации на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6-ти глав и выводов. Она содержит 180 страниц машинописного текста,3/рисунков,,^таблиц, перечень литературных источников из 80 наименований.
