Новый сплав системы al–cu–mn для изделий космической техники

НОВЫЙ СПЛАВ СИСТЕМЫ Al–Cu–Mn ДЛЯ ИЗДЕЛИЙ КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ

Приведены результаты исследований листов из нового свариваемого деформируемого сплава марки В-1208 (типа 1201) на основе системы Al–Cu–Mn, дополнительно легированного микродобавками Sc, Ag и Zr. Листы изготовлены в условиях промышленного производства ОАО «КУМЗ». Показано, что комплексное легирование серебром, скандием и цирконием приводит к повышению прочностных и ресурсных характеристик, коррозионной стойкости и свариваемости. Исследовано влияние режимов термической обработки на механические свойства листов. Проведены комплексные исследования механических, коррозионных и эксплуатационных свойств. Оценена свариваемость с помощью аргоно-дуговой сварки (ААрДЭС) и сварки трением с перемешиванием (СТП). Проведено сравнение со сплавами-аналогами 1201 и 2219.

 

Введение

С развитием ракетно-космической техники к выбору материала предъявляются следующие требования:

– сплав должен иметь достаточный уровень прочностных и ресурсных характеристик;

– высокая технологичность и энергосбережение при металлургическом производстве – возможность получения различных видов полуфабрикатов;

– технологичность при изготовлении деталей и сборке различных узлов конструкции, в том числе с применением сварки – один из наиболее высокопроизводительных и экономичных методов создания неразъемных соединений, который позволяет производить элементы конструкций, наиболее рациональные по формам и размерам, что делает их ремонтопригодными;

– сплав не должен содержать высокотоксичных компонентов (кадмий, свинец, ртуть, бериллий), которые испаряются при сварке [1–3].

На протяжении многих лет как в России, так и за рубежом, в конструкции изделий космической техники, где необходимо сочетание повышенных прочностных характеристик как при комнатной, повышенных, так и при криогенных температурах, успешно применяются полуфабрикаты из сплавов системы Al–Cu–Mn с дополнительными микродобавками. Эти сплавы хорошо свариваются всеми видами сварки и имеют достаточно высокий уровень прочностных характеристик при температуре жидкого водорода, что позволяет использовать их в изделиях, работающих при криогенных температурах [4–7]. В отечественном производстве для этих целей традиционно применяется сплав 1201, из которого изготовлены сварные топливные баки ракеты «Протон-М» и сварная кабина пилотов корабля «Буран». За рубежом применяется сплав-аналог марки 2219. Эти сплавы при понижении температуры вплоть до температуры жидкого водорода или гелия не только не охрупчиваются, а, наоборот, упрочняются [8; 9; 10, С. 12; 11; 12; С. 175‒183] (рис. 1).

 

Рис. 1. Металлические материалы в конструкции корабля «Буран»

 

Совершенствование изделий космической техники и расширение диапазона выполняемых ими задач влекут за собой необходимость создания новых сплавов, имеющих наилучшее сочетание повышенной прочности с хорошей свариваемостью, при возможности изготовления из них широкой номенклатуры полуфабрикатов [12, С. 13–14; 13].
В связи с этим была поставлена задача разработать свариваемый сплав типа 1201 с повышенными характеристиками прочности. Специалистами ВИАМ разработан новый свариваемый деформируемый термоупрочняемый сплав В-1208 на базе системы Al–Cu–Mn
с микродобавками Ag, Sc, Zr и др. К настоящему времени на серийном оборудовании ОАО «КУМЗ» освоено опытно-промышленное производство листов, а также поковок и прессованных профилей.

Основной упрочняющей фазой в сплавах этой системы является Al₂Cu. Повышение механических характеристик, улучшение свариваемости, жаропрочности и коррозионной стойкости достигается путем выбора оптимального состава и комплексного легирования (Ag, Zr, Sc), а также за счет режимов деформации и термической обработки [14–16]. Добавки серебра в небольших количествах способствуют упрочнению при искусственном старении алюминиевых сплавов, воздействуя на состав и кристаллографические ориентировки упрочняющих фаз, выделяющихся в процессе искусственного старения. Кроме того, введение серебра позволяет повысить коррозионную стойкость [17]. Комплексное легирование серебром, цирконием и скандием алюминиевых сплавов приводит к улучшению их свариваемости, повышая прочность основного материала и сварного соединения, оказывая положительное влияние на трещиностойкость [18–23], при этом цирконий и скандий являются модификаторами литой структуры [24–28].

 

Материалы и методы

В данной статье представлены результаты комплексных исследований структуры и свойств листов из сплава В-1208, изготовленных на промышленном металлургическом оборудовании ОАО «КУМЗ», а также свойства сварных соединений из них.

При выборе химического состава нового сплава руководствовались данными, полученными при использовании программного комплекса Thermo-Calc (версия 4.0, база данных TТAL8). Для входных данных максимальные и минимальные значения концентраций легирующих компонентов выбирали по результатам патентных исследований, литературных научных данных и ранее проведенных исследований.

Микроструктуру листов исследовали на шлифах размером 15×15 мм при помощи металлографического микроскопа Neophot 30, оснащенного цифровой камерой фирмы Olympus. Микрошлифы протравливали на установке для электролитической полировки и травления с использованием 2%-ного водного раствора борофторводородной кислоты (HBF) с одновременным пропусканием электрического тока (U =15–20 В,продолжительность от 3 до 6 мин, катод – свинец). Размер зерна определяли методом секущих.

Исследования механических свойств при статических и динамических нагрузках, усталостных характеристик, вязкости разрушения, коррозионных свойств листов из сплава В-1208-Т1, оценка их свариваемости проведены в соответствии с действующими стандартами и методиками РФ.

 

Результаты и обсуждение

Известно, что, для получения высоких механических свойств при комнатной температуре, жаропрочности, а также высокой сопротивляемости образованию кристаллизационных трещин при охлаждении, содержание меди в сплавах системы Al–Cu должно быть близким к предельной ее растворимости в алюминии. Марганец в пределах от 0,2 до 0,8% (по массе) повышает жаропрочность и тормозит рост зерна, однако присутствие его в количестве ˃0,4% (по массе) ухудшает свариваемость материала. На свариваемость материала сильное влияние оказывает примесь магния. Присутствие ее в сплаве ˃0,02% (по массе) резко снижает сопротивляемость материала кристаллизационным трещинам при сварке [29, С. 125–135].

Для оценки влияния добавки Sc на механические свойства при растяжении при комнатной температуре проведены исследования листов двух партий – со скандием и без него (табл. 1). Значительный эффект повышения прочностных свойств наблюдается при использовании правки растяжением после закалки. В связи с этим проведена правка растяжением листов со степенью остаточной деформации от 2 до 3%, далее – искусственное старение, а затем определены механические свойства при растяжении в продольном направлении, минимальные значения которых приведены в табл. 1. Термическая обработка и правка растяжением листов проводились в лабораторных условиях.

 

Таблица 1

Заключение

Разработан новый сплав В-1208-Т1 системы Al–Cu–Mn. Отмечена его высокая технологическая пластичность при промышленном изготовлении полуфабрикатов. К настоящему времени на серийном оборудовании ОАО «КУМЗ» освоено опытно-промышленное производство листов, а также поковок и прессованных профилей.

Листы из сплава В-1208-Т1, дополнительно легированного Ag, Sc и Zr, имеют повышенные прочностные характеристики как основного материала, так и сварного соединения, по сравнению с серийными сплавами-аналогами (1201-Т1, 2219-Т8). Правка растяжением после закалки способствует повышению прочностных характеристик, практически не снижая пластичности.

Сплав В-1208-Т1 сваривается основными методами сварки ААрДЭС и СТП. Прочность сварных соединений при 20°С составляет 0,7–0,8 от прочности основного металла.

Листы из сплава В-1208-Т1 обладают высокими прочностными характеристиками при комнатной, повышенных и отрицательных температурах и рекомендуются к применению для сварных и несварных конструкций (топливные баки) изделий космической техники, работающих длительно в интервале температур от -196 до +150°С, кратковременно – до +175°С, взамен аналогичных полуфабрикатов из сплава 1201-Т1, что позволит повысить прочность и надежность конструкции.

Авторы статьи выражают благодарность ведущему инженеру ВИАМ Е.Н. Иоде, а также специалистам ОАО «КУМЗ» Б.В. Овсянникову и В.И. Попову, которые внесли неоценимый вклад в проведенную работу.

 

ЛИТЕРАТУРА REFERENCE LIST

1. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7–17.
2. Сплав на основе алюминия: пат. 2447173 Рос. Федерация; опубл. 05.04.2011.
3. Антипов В.В., Сенаторова О.Г., Ткаченко Е.А., Вахромов Р.О. Алюминиевые деформируемые сплавы //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 167–182.
4. Клочков Г.Г., Плотников А.Д. Применение новых сплавов в ракетно-космической технике //Цветные металлы. 2013. №9. С. 54–57.
5. Фридляндер И.Н., Антипов В.В., Колобнев Н.И., Якимова Е.Г. Конструкционные жаропрочные алюминиевые сплавы /В кн. 75 лет. Авиационные материалы. Избранные труды «ВИАМ» 1932–2007: Юбилейный. науч.-технич. сб. М.: ВИАМ. 2007. С. 172–180.
6. Rioja R.J., Denzer D.K., Mooy D., Venema G. Lighter and Stiffer Materials for Use in Space Vehicles /Proceedings of the 13-th International Conference on Aluminum Alloys (ICAA-13). 2012. P. 593–598.
7. Polmear I.J. Light Alloys: From Traditional Alloys to Nanocrystals //Elsevier Butterworth-Heinemann. U.K. 2006. 132 p.
8. Сенаторова О.Г., Колобнев Н.И., Ткаченко Е.А. И.Н. Фридляндер и его сплавы //Цветные металлы. 2013. №9. С. 28–30.
9. Каблов Е.Н. Материалы для изделия «Буран» – инновационные решения формирования шестого технологического уклада //Авиационные материалы и технологии. 2013. №S1. С. 3–9.
10. Доспехи для «Бурана». Материалы и технологии ВИАМ для МКС «Энергия–Буран» /Под общ. ред. Е.Н. Каблова. М.: Фонд «Наука и жизнь». 2013. С. 127.
11. Мохов В. Модуль для Бурана //Новости космонавтики. 1998. №23/24.
12. Фридляндер И.Н. Воспоминания о создании авиакосмической и атомной техники из алюминиевых сплавов. М.: Наука. 2005. 277 с.
13. Anil K.S., Raja K.M., Anirban M., Ahmet A. Vehicle lightweighting: challenges and opportu-nities with aluminum /Proceedings of the 13-th International Conference on Aluminum Alloys (ICAA-13). 2012. P. 609–622.
14. Елагин В.И. Легирование деформируемых алюминиевых сплавов переходными металлами. М.: Металлургия. 1975. 248 с.
15. Чирков Е.Ф. Темп разупрочнения при нагревах – критерий оценки жаропрочности кон-струкционных сплавов систем Al‒Cu‒Mg и Al‒Cu //Труды ВИАМ. 2013. №2. Ст. 02
(viam-works.ru).
16. Григорьев М.В., Антипов В.В., Вахромов Р.О. и др. Структура и свойства слитков из сплава системы Al‒Cu‒Mg с микродобавками серебра //Авиационные материалы и технологии. 2013. №3. С. 3–6.
17. Иванова А.О., Вахромов Р.О., Григорьев М.В., Сенаторова О.Г. Исследование влияния малых добавок серебра на структуру и свойства ресурсных сплавов системы Al–Cu–Mg //Труды ВИАМ. 2014. №10. Ст. 01 (viam-works.ru).
18. Davydov V.G., Rostova T.D., Zakharov V.V. Scientific principles of making an alloying addition of scandium to aluminium alloys //Material Science and Engineering. A 280. 2000. P. 30–36.
19. Royset J., Ryum N. Scandium in aluminium alloys //International Material Reviews. 2005. V. 50. №1. P. 19–44.
20. Sawtell R.R., Jensen C.L. Mechanical properties and microstructures of Al–Mg–Sc alloys //Metallurgical and Material Transactions A. 1990. V. 21. №1. P. 421–430.
21. Ocenasek V., Slamova M. Effect of Sc and Zr on the structure and properties of Al–Mn1.5 alloy //Material Characteristics. 2001. V. 47. P. 157–162.
22. Fuller C.B., Seidman D.N., Dunand D.C. Evolution of nanoscale precipitates in Al microal-loyed with Sc and Er //Acta Materialia. 2003. V. 51. P. 4803–4814.
23. Mondol S., Praveen G., Kumar S. et al. Effect of Addition of Sc and Mg on 2219 Al Alloy /Proceedings of the 12-th International Conference on Aluminum Alloys (ICAA-12). 2010.
P. 447–452.
24. Lee Y.Y. Scandium Effect on Mechanical and Physical Properties for 2x19 Al Alloy /Proceedings of the 12-th International Conference on Aluminum Alloys (ICAA-12). 2010. P. 2281–2286.
25. Nikulin I., Kipelova A., Gazizov M. et al. Novel Al–Cu–Mg–Ag Alloy for High Temperature Applications /Proceedings of the 12-th International Conference on Aluminum Alloys (ICAA-12). 2010. P. 2303–2308.
26. Vural M., Caro J. Experimental analysis and constitutive modeling for the newly developed
2139-T8 alloy //J. Material Sci. Eng. 2009. V. 520. №1–2. P. 56–65.
27. Pouget G., Sigli C. Thermal Stability of Al–Cu–Mg Alloys /Proceedings of the 14-th ICAA. 2014. P. 691–696.
28. Захаров В.В. Особенности кристаллизации алюминиевых сплавов, легированных скан-дием //МиТОМ. 2011. №9. С. 12–18.
29. Фридляндер И.Н. Алюминиевые деформируемые конструкционные сплавы. М.: Металлургия. 1979. 208 с.

 

 

НОВЫЙ СПЛАВ СИСТЕМЫ Al–Cu–Mn ДЛЯ ИЗДЕЛИЙ КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ

Приведены результаты исследований листов из нового свариваемого деформируемого сплава марки В-1208 (типа 1201) на основе системы Al–Cu–Mn, дополнительно легированного микродобавками Sc, Ag и Zr. Листы изготовлены в условиях промышленного производства ОАО «КУМЗ». Показано, что комплексное легирование серебром, скандием и цирконием приводит к повышению прочностных и ресурсных характеристик, коррозионной стойкости и свариваемости. Исследовано влияние режимов термической обработки на механические свойства листов. Проведены комплексные исследования механических, коррозионных и эксплуатационных свойств. Оценена свариваемость с помощью аргоно-дуговой сварки (ААрДЭС) и сварки трением с перемешиванием (СТП). Проведено сравнение со сплавами-аналогами 1201 и 2219.

 

Введение

С развитием ракетно-космической техники к выбору материала предъявляются следующие требования:

– сплав должен иметь достаточный уровень прочностных и ресурсных характеристик;

– высокая технологичность и энергосбережение при металлургическом производстве – возможность получения различных видов полуфабрикатов;

– технологичность при изготовлении деталей и сборке различных узлов конструкции, в том числе с применением сварки – один из наиболее высокопроизводительных и экономичных методов создания неразъемных соединений, который позволяет производить элементы конструкций, наиболее рациональные по формам и размерам, что делает их ремонтопригодными;

– сплав не должен содержать высокотоксичных компонентов (кадмий, свинец, ртуть, бериллий), которые испаряются при сварке [1–3].

На протяжении многих лет как в России, так и за рубежом, в конструкции изделий космической техники, где необходимо сочетание повышенных прочностных характеристик как при комнатной, повышенных, так и при криогенных температурах, успешно применяются полуфабрикаты из сплавов системы Al–Cu–Mn с дополнительными микродобавками. Эти сплавы хорошо свариваются всеми видами сварки и имеют достаточно высокий уровень прочностных характеристик при температуре жидкого водорода, что позволяет использовать их в изделиях, работающих при криогенных температурах [4–7]. В отечественном производстве для этих целей традиционно применяется сплав 1201, из которого изготовлены сварные топливные баки ракеты «Протон-М» и сварная кабина пилотов корабля «Буран». За рубежом применяется сплав-аналог марки 2219. Эти сплавы при понижении температуры вплоть до температуры жидкого водорода или гелия не только не охрупчиваются, а, наоборот, упрочняются [8; 9; 10, С. 12; 11; 12; С. 175‒183] (рис. 1).

 

Рис. 1. Металлические материалы в конструкции корабля «Буран»

 

Совершенствование изделий космической техники и расширение диапазона выполняемых ими задач влекут за собой необходимость создания новых сплавов, имеющих наилучшее сочетание повышенной прочности с хорошей свариваемостью, при возможности изготовления из них широкой номенклатуры полуфабрикатов [12, С. 13–14; 13].
В связи с этим была поставлена задача разработать свариваемый сплав типа 1201 с повышенными характеристиками прочности. Специалистами ВИАМ разработан новый свариваемый деформируемый термоупрочняемый сплав В-1208 на базе системы Al–Cu–Mn
с микродобавками Ag, Sc, Zr и др. К настоящему времени на серийном оборудовании ОАО «КУМЗ» освоено опытно-промышленное производство листов, а также поковок и прессованных профилей.

Основной упрочняющей фазой в сплавах этой системы является Al₂Cu. Повышение механических характеристик, улучшение свариваемости, жаропрочности и коррозионной стойкости достигается путем выбора оптимального состава и комплексного легирования (Ag, Zr, Sc), а также за счет режимов деформации и термической обработки [14–16]. Добавки серебра в небольших количествах способствуют упрочнению при искусственном старении алюминиевых сплавов, воздействуя на состав и кристаллографические ориентировки упрочняющих фаз, выделяющихся в процессе искусственного старения. Кроме того, введение серебра позволяет повысить коррозионную стойкость [17]. Комплексное легирование серебром, цирконием и скандием алюминиевых сплавов приводит к улучшению их свариваемости, повышая прочность основного материала и сварного соединения, оказывая положительное влияние на трещиностойкость [18–23], при этом цирконий и скандий являются модификаторами литой структуры [24–28].

 

Материалы и методы

В данной статье представлены результаты комплексных исследований структуры и свойств листов из сплава В-1208, изготовленных на промышленном металлургическом оборудовании ОАО «КУМЗ», а также свойства сварных соединений из них.

При выборе химического состава нового сплава руководствовались данными, полученными при использовании программного комплекса Thermo-Calc (версия 4.0, база данных TТAL8). Для входных данных максимальные и минимальные значения концентраций легирующих компонентов выбирали по результатам патентных исследований, литературных научных данных и ранее проведенных исследований.

Микроструктуру листов исследовали на шлифах размером 15×15 мм при помощи металлографического микроскопа Neophot 30, оснащенного цифровой камерой фирмы Olympus. Микрошлифы протравливали на установке для электролитической полировки и травления с использованием 2%-ного водного раствора борофторводородной кислоты (HBF) с одновременным пропусканием электрического тока (U =15–20 В,продолжительность от 3 до 6 мин, катод – свинец). Размер зерна определяли методом секущих.

Исследования механических свойств при статических и динамических нагрузках, усталостных характеристик, вязкости разрушения, коррозионных свойств листов из сплава В-1208-Т1, оценка их свариваемости проведены в соответствии с действующими стандартами и методиками РФ.

 

Результаты и обсуждение

Известно, что, для получения высоких механических свойств при комнатной температуре, жаропрочности, а также высокой сопротивляемости образованию кристаллизационных трещин при охлаждении, содержание меди в сплавах системы Al–Cu должно быть близким к предельной ее растворимости в алюминии. Марганец в пределах от 0,2 до 0,8% (по массе) повышает жаропрочность и тормозит рост зерна, однако присутствие его в количестве ˃0,4% (по массе) ухудшает свариваемость материала. На свариваемость материала сильное влияние оказывает примесь магния. Присутствие ее в сплаве ˃0,02% (по массе) резко снижает сопротивляемость материала кристаллизационным трещинам при сварке [29, С. 125–135].

Для оценки влияния добавки Sc на механические свойства при растяжении при комнатной температуре проведены исследования листов двух партий – со скандием и без него (табл. 1). Значительный эффект повышения прочностных свойств наблюдается при использовании правки растяжением после закалки. В связи с этим проведена правка растяжением листов со степенью остаточной деформации от 2 до 3%, далее – искусственное старение, а затем определены механические свойства при растяжении в продольном направлении, минимальные значения которых приведены в табл. 1. Термическая обработка и правка растяжением листов проводились в лабораторных условиях.

 

Таблица 1