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), страница 3

LBW имеет наибольший потенциал для изготовления панелейфюзеляжа самолетов, поскольку эта технология сварки характеризуетсянизким уровнем тепловложения, узким сварным швом, высокой скоростьюпроцесса и может быть полностью автоматизирована [19-21]. С 2001 года сиспользованием LBW были изготовлены панели фюзеляжа из сплавов АА6ХХХ для самолетов А318, А340 и А380. Работа в этом направлении ведутсяна сплавах Al-Li третьего поколения AA 2196 и 2198 [20, 22] в рамкахЕвропейской программы исследований в области аэронавтики «Чистоенебо». Фирма Alcoa также изучает возможность использования LBW дляпанелей фюзеляжа сплава Al-Li.2.

FSW: Эта технология сварки предпочтительна для соединенийдеталей простой геометрии, особенно стыковых соединений, и требуетспециальных систем зажима [23]. Пионерская работа в этой области былавыполнена на больших криогенных баках из сплава Al-Li AA 2195 отLockheed Martin Michoud [24]. Кроме того [4], FSW использовалась для:(1) сварки интегральных жестких панелей в рамках всестороннегоисследовании инновационных структурных концепций [25] ,(2) продольных швах в панелях фюзеляжа из AA 2024 для деловогосамолета Eclipse 50017(3) для деталей Airbus и Embraer,(4) соединения компонентов Al-Li модуля Creon Orion, включаяфинальный кольцевой сварной шов 11,3 м, соединяющий узел переднегоконуса и туннель экипажа с кормовой сборкой,(5) изготовления из Al-Li сплава AA 2198 корпусов первой и второйступени SpaceX Falcon 9 [26, 27] .3. SPF: Al-Li и другие алюминиевые сплавы могут пройти специальнуюобработку для измельчения микроструктуры и за этот счет приобрестисверхпластичные свойства.

Однако процесс SPF требует низких скоростейформования и лучше всего подходит для производства деталей сложнойформы из листового металла и поэтому имеет достаточно узкую областьприменения.В заключение раздела следует подчеркнуть, что сплавы системы Al-Liнесмотря на более высокую цену и некоторые технологические сложностиимеют большие перспективы для изделий аэрокосмической техникиблагодаря своим явным преимуществам в плане весовой эффективности,прежде всего это относится к удельной жесткости на сжатие, табл.1.3.Интересно отметить, что сплавы системы 7ХХХ на протяжении последнихдесятилетийнеуклонноповышалисвоиудельныепрочностныехарактеристики (рис.1.4), однако при этом удельная жесткость не росла, адаже несколько снижалась.

Объяснить это легко, поскольку упрочнениедостигается за счет модифицирования технологии и состава, при этомтехнология влияет только на структурный фактор, который не меняет модульупругости, а состав, судя по результату увеличивал плотность, что снижалоудельный модуль. Только использование сплава Al-Li позволило заметноповысить удельную прочность за счет снижения плотности и сильноповысить величину удельного модуля, рис.1.4, за счет одновременногоснижения плотности и повышения самого модуля упругости.18Рисунок 1.4 Удельные величины предела текучести и модуля упругости длявысокопрочных листовых изделий полуфабрикатов AA 7XXX и нового сплава Al-Li AA2055-T8X [28].Таблица 1.3 Сопоставление характеристик плотности и жесткости сплавов 3-го поколенияи традиционного сплава 2219СплавТекущееилипредполагаемое ПлотносприменениеМодульУдельныйть,Юнгапри модульг/см3сжатии,Юнга,ГПаГПа/(г/см3)2219-T851Ariane V, SLS2.8574.526.12050-T84Толстая плита: Orion, SLS2.7077.928.852098-T82Листы и тонкие пластины: Falcon 92.7079.029.32195-T82Пластины сечения от тонкого до2.7178.629.0среднего2297-T87Толстые плиты, SLS2.6577.229.12055-T8X-2.7078.529.12099-T86-2.6379.330.1519На рис.1.5 показаны конструктивные элементы планера и указаныиспользованные при этом материалы.

Видно, что доля сплавов Al-Liдостаточно весома, при этом нужно учитывать, что в ближайшейперспективе эти сплавы могут заменить традиционные сплавы 2024 и 2219 вкачестве основного металлического компонента GLARE опять же с цельюповышения величины модуля Юнга, низкая величина которого являетсяодним их немногих недостатков этого перспективного слоистого композита.Подвесныепанелифюзеляжа изGLAREКонструкция пола из AI-Li2099-T83, 2196-T8511 иCFRPХвостовое оперение изCFRPПерегородкадавления из CFRPПанели нижней частифюзеляжа из AA 6XXX cиспользованием LBWВерхняя часть крыла из AA 7XXX, нижняячасть крыла из AA 2XXX, внутренняяконструкция крыла из Al-Li 2050 – Т84нервюры из CFRPЦентральнаявставка крылаиз CFRPРисунок 1.5 Современные материалы и технологии в основных зонах конструкции AirbusA380: LBW – сварка лазерным лучом; CFRP – углепластик; GLAR – слоистыйалюмостеклопластик (СИАЛ) [4]201.2.Влияниепроцессоввыделенияинтерметаллидныхфазнамеханические свойства сплавов с литиемВобзорах[1,5,29,30]рассмотренывопросывыделенияинтерметаддидных фаз в процессах термической и термомеханическойобработок, а также влияние этих процессов на свойства сплавов Al-Li.

Нарис.1.6 приведена двойная диаграмма состояния Al-Li и обобщенные в [31]данные о границе растворимости лития в алюминии.Рисунок 1.6 Двойная диаграмма Al-Li (А) и (В) α-δ' линия ограниченной растворимости поданным нескольких исследователей, обобщенными в [31].Следует подчеркнуть, что в двойных и многокомпонентных сплавах наоснове системы Al-Li основной литий содержащей фазой являетсяметастабильная δ'-фаза, имеющая кубическую L12 структуру (a = 0.401 нм).Ориентационные соотношения с Al матрицей: (100)δ'//(100)A1, [100]δ'//(100)A1.На рис.1.7, показана схема выделения интерметаллидных фаз в сплавахAl-Cu-Li-X [5], а на рис.1.8 электронномикроскопические снимки этих фаз.Особенно много исследований посвящено системе Al-Cu-Li [32-41].

В этихсплавах присутствуют две медьсодержащие фазы T1 и θ'-фаза. Фаза Т1 имеет21гексагональную решетку (Пр.гр. P6/mmm, a = 0.496 нм, c = 0.935 нм),ориентационныесоотношения:(001)T1//(111)A1,[110]T1//[110]Al.Метастабильная θ'-фаза имеет тетрагональную решетку (а=0,404; с=0,58 нм),ориентационныесоотношения:(001)θ'//(001)A1,[100]θ'//[100]Al.Могутприсутствовать также T2 (Al6CuLi) фаза с кубической (а=1,3914 нм) решеткойи в магнийсодержащих сплавах S' (Al2CuMg) фаза с орторомбическойрешеткой (а=0,401; b=0,925 и с=0,715 нм).Рисунок 1.7 Схема фазовых превращений в сплавах Al-Li-X: указанные выше фазыявляются типичными фазами, обнаруженными при различных режимах термообработки;М=основная фаза; S = второстепенная фаза [5]22Рисунок 1.8 Микрофотографии, демонстрирующие сложный характер выделений всплавах Al-Cu-Li-X сплавах: (А) δ'-фаза; (В) Θ'-фаза; (С и D) Т1-фаза [5]Упрочняющий эффект упрочняемых старением сплавов Al-Li-Cu-Xзависит от способности различных выделений противостоять движениюдислокаций в процессе деформации.

Все вышеупомянутые упрочняемыестарением частицы оказывают сопротивление определенного вида наскользящие дислокации и, таким образом, способствует упрочнению.Эффективность этих выделений при упрочнении зависит от типа, размера,морфология, расстояния между частицами, распределения в объеме,когерентности, наличия порядка, объемной доли и величины плотности, атакже от способа преодоления их дислокациями (перерезание или огибание).Скользящие дислокации либо перерезают, либо обходят упрочняемые23старением частицы, которые играют критическую роль в общем поведениисплавов при деформации. Перерезаемые частицы способствует грубомупланарномускольжениюиз-залокальногоразупрочненияиз-зауменьшенного поперечного сечения частиц.Моделирование [42] показало, что упрочняющий эффект выделений изматрицы усиливается за счет наличия двух типов пластинчатых выделений с{111} и {100} плоскостями габитуса.

В количественных экспериментах повлиянию растяжки на объемные доли T1 и θ''/θ' (выделения в сплаве Al-2.7Cu1.8Li-0.6Zr-0.3Mg-0.3Mn-0.08Zn) [43] показано, что величина деформацииперед старением существенно влияет на конкуренцию выделений изматрицы. Разница в ΔGv для двух выделяющихся фаз и аккомодация {111} –сдвиговой деформации для T1 по сравнению с аналогичной величиной для Θ'способствует преимущественному зарождению T1 на дислокациях.На рис. 1.9 и 1.10 показано влияние предварительной деформации наупрочняющий эффект старения сплавов системы Al-Cu-Li.

Эти результатыобобщены в табл. 1.4 , где приведены данные об относительной плотности,диаметрах частиц и объемных долях T1 до θ' для различных степенейдеформации перед старением, а в табл.1.5 приведены соответствующиезначения механических свойств. Таким образом, для данной обработкистарением на сплаве Al-Cu-Li-X относительные количества двух Cuсодержащих упрочняющих фаз могут варьироваться с помощью изменениястепени деформации перед старением.24Рисунок 1.9.

Влияние растяжки и времени старения на соотношение прочности и вязкостисплава 2090: Предел текучести в долевом направлении, МПа; L-T Ударная вязкостьШарпи, кДж/м225КоличествоТ1-фазы вотносительных единицахРастяжка (%)время старенияРисунок 1.10 Влияние холодной деформации перед старением (растяжки) наколичество и прочность сплава Al-2.4Li-2.4Cu-0.18ZrТаблица 1.4 Количество фаз в сплаве Al-Cu-Li-X, выделившихся при старении 1500С, 24час.Вид%анализахол.деф.Т1Станд.Θ'Откл.Станд.δ'Откл.Станд.Откл.Число02865062771023150305677частиц,491628049438315691866мкм38303518417610612585638Размер0652,2340,9122,0частиц,4805638,4121,7нм8504,6383,9121,9Объемная00,520,171,140,14112,25фракция,42,230,230,540,27111,63%82,841,00,070,04101,526Таблица 1.5 Свойства на растяжение сплава Al-Cu-Li-X после старения 1500С, 24 час.Закалкав%σ0,2хол.деф.МПаСтанд.откл.