Диссертация (Исследование влияния деформации, термической обработки и сварки на фазовый состав, текстуру и анизотропию механических свойств материалов авиационной техники из алюминий-литиевых сплавов 1441, 1461 и 1469)

На правах рукописиГОРДЕЕВА МАРГАРИТА ИГОРЕВНАИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДЕФОРМАЦИИ, ТЕРМИЧЕСКОЙОБРАБОТКИ И СВАРКИ НА ФАЗОВЫЙ СОСТАВ, ТЕКСТУРУ ИАНИЗОТРОПИЮ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВАВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ ИЗ АЛЮМИНИЙ-ЛИТИЕВЫХСПЛАВОВ 1441, 1461 И 1469Диссертация на соискание учёной степеникандидата технических наукпо специальности05.16.01 – Металловедение и термическая обработка металлов и сплавовМосква – 2017Введение…………………………………………………………………4ГЛАВА 1. Сплавы Al-Cu-Li: химический и фазовый состав,технологии, структура, свойства, (обзор литературы) .......................91.1 Сплавы системы Al-Cu-Li в авиационном материаловедении ..91.2 Влияние процессов выделения интерметаллидных фаз намеханические свойства сплавов с литием ………………………….…211.3 Слоистые алюмостеклопластики (СИАЛы) в авиации ………..281.4 Количественный фазовый анализ…………………………………341.5.Особенностиформированиятекстурыианизотропиимеханических свойств в сплавах Al-Li………………………………...401.6.

Структурные аспекты процесса сварки трением сперемешиванием сплавов Al-Li…………………………………..…….48ГЛАВА 2. Материалы и методы исследования ………………………572.1. Исследование клиновых образцов из сплава В-1461………….…572.2. Исследование листов сплавов 1441 В-1469…………………….…582.3 Исследование соединений из сплава В-1469, полученныхсваркой трением с перемешиванием (СТП) ……………………….….60ГЛАВА 3. Разработка метода количественного фазового анализадля сплавов Al-Сu-Li-Mg и метода оценки объемных эффектовпревращения в алюминиевых сплавах………………………………...633.1 Количественный фазовый анализ сплавов Al-Cu-Li-Mg…………633.2 Метод оценки объемных эффектов превращения валюминиевых сплавах…………………………………………….…….79Выводы по 3-ей главе………………………………………………..….89ГЛАВА4.Количественноеисследованиевлиянияинтерметаллидных фаз на упрочняющий эффект старения, текстуруи анизотропию механических свойств сплавов Al-Cu-Li……….......914.1.

Исследование влияния предварительной деформации наупрочняющий эффект старения сплавов системы Al-Cu-Li………….2914.2. Формирование фазового состава, текстуры и анизотропиисвойств в листах Al-Li сплавов В-1469 и 1441, используемых вслоистых алюмостеклопластиках типа СИАЛ………………………..108Выводы по 4-ой главе………………………………………………...…126ГЛАВА 5. Исследование фазового состава, текстуры и остаточныхнапряжений в соединениях сплава в-1469, полученных сваркойтрением с перемешиванием…………………………………………….1285.1 Влияние СТП на показатели твердости и фазовый состав вразличных участках сварного соединения из сплава В-1461………..1305.2.

Распределение остаточных напряжений по зонам СТПсоединений1375.3. Текстуры СТП соединений………………………………………..144Выводы по 5-ой главе………………………………………………..…151Общие выводы по работе………………………………………………152Список литературы……………………………………………………..1553Актуальность работыОдним из основных направлений снижения веса конструкций изделийавиакосмическойтехникиявляетсяприменениеалюминий-литиевыхсплавов, которые обладают уникальными характеристиками прочности,жесткостиивязкостиразрушения.Значительнуюперспективувиспользовании новых материалов в авиации связывают со слоистымиалюмостеклопластиками – СИАЛами (GLARE), которые отличает оталюминиевых сплавов пониженная на 10-15% плотность (2,4 г/см3), высокиепрочность (σВ>600 МПа) и уникальные показатели СРТУ и пожаростойкости.С целью повышения упругих свойств СИАЛов предложено использоватьсреднепрочный ресурсный сплав 1441 и высокопрочный сплав В-1469 вгибридных слоистых верхних и нижних панелях крыла.

Одной из серьезныхпроблем применения алюминий-литиевых сплавов в СИАЛах являетсявыраженная анизотропия свойств, которую связывают с особенностямиформирования текстуры и фазового состава в листах этих сплавов.В плитах из высокопрочного сплава В-1461, которые используются вкачестве заготовок для фрезерования изделий авиационной техникиобнаружена значительная неоднородность и анизотропия механическихсвойств, которая проявляется как в различии свойств в различныхнаправлениях полуфабрикатов, так и в заметной разнице свойств по сечениюплиты.

Одной из причин такой неоднородности может являться различия вэффективной деформации различных слоев и участков плит при процедурепредварительной деформации (ПД) растяжением на 2-3% после закалки иперед старением.Сварные соединения листов из сплавов с литием, выполненные СТП,позволяют повысить коэффициент прочности соединения от 55-60%,характерных для сварки плавлением до 70-75%.

Вместе с тем СТПхарактеризуется сочетанием процессов деформационного и термическоговоздействия, которые формируют сложное структурно-фазовое состояние,4стабильность свойств которого могут быть обеспечены за счет проведенияисследований закономерностей формирования при СТП микроструктуры,текстуры, фазового состава и остаточных напряжений.Целью работы являлось совершенствование количественных методовфазовогоанализапромышленныхалюминий-литиевыхсплавовиисследование закономерностей влияния деформации, термической обработкии сварки на фазовый состав, текстуру и анизотропию механических свойствсплавов этой системы легирования для повышения надежности эксплуатацииизделий авиационной техники из этих сплавов.Для достижения указанной цели в работе решались следующиеосновные задачи:1)Cкорректировать методику рентгеновского количественного фазовогоанализа сплавов системы Al-Cu-Li применительно к промышленным сплавамAl-Cu-Li-Mg на основе измерения параметров решетки твердого раствора,рассчитатьобъемныеэффектыпривыделении(растворении)интерметаллидных фаз в сплавах разных систем легирования.2)Исследовать влияние степени предварительной деформации (ПД) передстарением сплава системы Al-Cu-Li В-1461 на фазовый состав имеханические свойства плит сплава толщиной 80 мм на различных стадияхтрехступенчатого старения.3)Выявить закономерности формирования текстуры и анизотропиимеханических свойств в сплавах Al-Cu-Li с различным соотношением Cu/Li исоответственно δ'- и Т1-фаз на тонких листах сплавов 1441 и В-1469,предназначенных для использования в слоистых алюмостеклопластиках(СИАЛах).4)Исследовать распределение твердости, текстуры, фазового состава иостаточных напряжений в различных зонах соединения листов сплава В1469, полученных сваркой трением с перемешиванием СТП.5Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:1.Разработана методика количественного фазового анализа для сплавовсистемы Al-Cu-Li-Mg, с помощью которой установлено, что легирование 1масс.% магния на 0,4% увеличивает долю интерметаллидных фаз, а такжесущественно увеличивает концентрацию магния в твердом растворе и периодрешетки (на ~0,004 Å), эквивалентное снижению концентрации меди в немна ~2%, что необходимо учитывать при оптимизации составов современныхалюминий-литиевых сплавов, которые в основном относятся к этой системелегирования.2.Исследование влияния степени предварительной деформации (СПД) наупрочняющий эффект старения плит из сплава В-1461 показало, чтоупрочнение практически отсутствует при СПД в 1% и усиливается состепенью деформации, при этом максимальная интенсивность упрочнениясоответствует CПД 4-10%, при которой количество Т1-фазы увеличилось от~2 до ~4%, количество δ'-фазы при этом практически не изменилось (~18%),но увеличился размер ее частиц (от 7 до 19 нм), что обеспечиваетдополнительный к увеличению Т1-фазы упрочняющий эффект.3.Исследования различных зон сварного соединения из сплава В-1469,полученного СТП позволили найти объяснение эффекту разупрочненияматериала сварного шва, который обусловлен уменьшением количества T1фазы от ~5% до ~1%, при этом увеличение доли δ'-фазы от ~8% до ~12% неможет скомпенсировать снижение количества Т1-фазы, поскольку последняяявляется значительно более сильным упрочнителем по сравнению с δ'-фазой.4.Впервыеустановлено,чтодлясплавовAl-Cu-Liхарактернызначительно более высокие значения объемных эффектов при выделенииинтерметаллидных фаз (~1% для T1-фазы и ~0,1% для δ'-фазы), по сравнениюсо сплавами системы Al-Mg-Li (~0,12% для S1-фазы и ~0,01% для δ'-фазы),что необходимо учитывать при разработке новых сплавов.6Практическая значимость работы состоит в следующем:1.Разработана новая методика количественного фазового анализа и на ееоснове создана и зарегистрирована расчетная программа (№2016663886) дляопределения количества T1 и δ'-фаз в сплавах системы Al-Cu-Li-Mg, чтоможет быть эффективно использовано при разработке новых сплавов иоптимизации технологических режимов обработки уже существующихсплавов.2.Исследованиявлиянияхолоднойпрокатки,предваряющейтрехступенчатое старение плит из сплава В-1461 показали, что дляустранения неоднородности свойств в плитах из сплавов Al-Cu-Liнеобходимоповыситьстепеньпредварительнойдеформациииееоднородность, заменив растяжение на 2-3% холодной прокаткой с обжатиемне менее 5-6%.3.Впервые для сплавов системы Al-Cu-Li сделана количественная оценкавлияния отношения Cu/Li ( 2,9 для В-1469 и 0,8 для 1441) на фазовый состави прочностные свойства сплавов и показано, что ~6% T1-фазы в сплаве В1461, на которые он превосходит 1441, дают значительно большееупрочнение (на 160-200 МПа) по сравнению с ~10% δ'-фазы, на которыесплав 1441 превосходит сплав В-1469, что можно использовать дляпрогнозирования свойств Al-Cu-Li сплавов.4.Показано, что формирование в фиксированных зонах СТП соединенийпиковых остаточных напряжений обусловлено процессами выделения илирастворенияинтерметаллидныхфаз,чтопозволяетиспользоватьобнаруженные закономерности для выявления наиболее эффективныхспособов оптимизации служебных свойств сварных соединений из сплавовсистемы Al-Cu-Li.Апробация работы.Материалы диссертационной работы доложены на XV международнойнаучно-техническойконференция«Управление7качеством»,XLIIмеждународной молодёжной научной конференции, XLIII международноймолодёжнойнаучнойконференция,XVмеждународнойнаучнойконференции « Авиация и космонавтика».

The 15th International Conference onAluminum Alloys, China, Chongqing, 2016Публикации. Основное содержание работы изложено в 12 научныхработах, 5 из которых – в списке отечественных рецензируемых журналов,рекомендуемых ВАК, 3 зарегистрированные программы для ЭВМ. Списокосновных публикаций приведен в конце автореферата.Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,пяти глав, общих выводов, списка цитируемой литературы и приложения.Объем диссертации составляет 169 страниц, включая 77 рисунков, 22таблицы и список литературы из 141 наименования.8ГЛАВА 1. Сплавы al-cu-li: химический и фазовый состав, технологии,структура, свойства1.1 Алюминий-литиевые сплавы в авиационном материаловеденииВобзорах[1-6]рассмотреныобщиевопросы,связанныесиспользованием сплавов системы Al-Li в авиационном материаловедении В1950-х годах в Alcoa разработали высокопрочный сплав 2020 (Al 4.5Cu 1.1Li0.5Mn 0.2Cd) [7, 8].