Введение к работе
1.1 Актуальность работы
Одной из основных задач развития авиационной техники является снижение 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 Al-Li 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 Al-Cu-Li-Mg-Zn, плотность которого ниже плотности В95очТ2 на 8%, а характеристики прочности выше на 10-15 %. Зарубежные аналоги сплава В-1461 (1,6 % Li) по химическому составу - 2099 (1,6 % Li) и 2199 (1,4 % Li), 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 прокатки, 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 структуры и отсутствия градиента текстуры по толщине, снижения анизотропии механических свойств. В работах зарубежных авторов уделяется большое внимание разработке технологии изготовления и термической обработки плит и листов из алюминий-литиевых сплавов, в том числе и из 2199, с целью снижения неблагоприятной компоненты текстуры.
В связи с этим, актуальной задачей является разработка технологий изготовления и термической обработки плит из сплава В-1461 с обеспечением однородности структуры, минимальных компоненты текстуры и анизотропии свойств.
При разработке материалов для авиационной техники особое место занимает задача повышения надежности конструкций за счет обеспечения высоких характеристик трещиностойкости.
Решение этих задач применительно к сложнолегированному многофазному сплаву В-1461 требует выявление закономерностей влияния технологии изготовления и ступенчатого старения на фазовый состав сплава, комплекс механических свойств, включая характеристики вязкости разрушения. На момент начала диссертационного исследования показано, что ступенчатые режимы старения обеспечивают высокие прочностные характеристики, однако значения вязкости разрушения при этом находятся на среднем уровне.
1.2 Цель работы
Оптимизация режимов термической обработки и технологических параметров промышленного производства листов и плит из сплава В-1461 с регламентированной структурой и повышенной вязкостью разрушения.
1.3 Задачи работы
Определить температурные интервалы фазовых превращений при нагреве и охлаждении промышленных слитков из сплава В-1461 с целью оптимизации 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 Al-Cu-Li-Mg-Zn-Zr-Sc является применение ступенчатого старения. Сплав В-1461 в процессе искусственного старения упрочняется следующими фазами: d(Al3Li), T1(Al2CuLi), S(Al2CuMg), q(Al2Cu).
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 Т1 и S - 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 выделений Т1-фазы, как в объеме зерна, так и на субграницах, и дополнительного выделения q(Al2Cu) – фазы.
4. Показано, что ступенчатое старение (с низкотемпературной первой ступенью) приводит к смещению температурно-временной области одновременного существования четырех упрочняющих фаз d, Т1, S и q в сторону меньшего времени выдержки на второй ступени. На основании этого построена диаграмма фазовых превращений катаных полуфабрикатов для ступенчатого старения.
5. Установлены закономерности формирования структуры и текстуры деформации в зависимости от термомеханических параметров прокатки плит и листов из сплава В-1461. Показано, что для снижения анизотропии свойств плит необходимо стремиться к уменьшению преимущественных ориентировок типа -латуни {110}<112>, а для листов – к получению рекристаллизованной структуры.
1.5 Практическая значимость работы
1. На основании результатов дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) и исследования структуры и свойств плоских слитков, показано, что применение двухступенчатой гомогенизации с первой ступенью при температуре на 70-100С ниже температуры неравновесного солидуса и с высокотемпературной второй ступенью и проведение горячей прокатки в два этапа с повышением температуры на 40-60 С на II-ом этапе по отношению к I-му, позволяет получать плиты толщиной до 80 мм с однородной структурой и с минимальной компонентой текстуры.
2. Повышение температуры второй ступени при гомогенизации слитков позволяет в дальнейшем использовать высокотемпературную закалку, которая обеспечивает высокую степень пересыщения твердого раствора и, как следствие, больший эффект упрочнения от последующего искусственного старения.
3. Разработаны термомеханические параметры получения рулонной прокаткой листов толщиной от 1,5 мм из сплава В-1461 с рекристаллизованной 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 МПам, для листов Ксу 75 МПам при в 540 МПа,
0,2 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 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 и перспективные разработки в авиационной промышленности», Москва, 2005 и 2007 г.г., на первой международной конференции «Деформация и разрушение материалов ДFM 2006», Москва, 2006г, на научно-практической конференции 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 процессов 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.
