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 7

Так было бы чрезвычайно полезно выпускать51бифункциональный лонжерон, который в верхней своей части был быоптимизирован к нагрузкам сжатия, а в нижней части - к нагрузкамрастяжения. Такая оптимизация позволила бы снизить вес каждой израссматриваемых частей и тем самым снизить вес всего лонжерона, чтоявляетсяфундаментальнойзадачейсовременногосамолетостроения,поскольку дает возможность сократить затраты на эксплуатацию самолета.Кроме того, облегчение самолета реализуется за счет увеличениянагрузок, прикладываемых к нижней поверхности и верхней поверхности,которые ограничены в случае неоптимизированного лонжерона. Такойрезультат можно получить, осуществляя сборку двух частей из сплавов,соответствующихэксплуатационнымхарактеристикамэтихчастейлонжерона.

Такая сборка может быть получена механическим путем(например, болтовыми или клепаными соединениями). Однако такой типсборки занимает длительное время и является дорогостоящим, так какобязательно включает в себя сверление многочисленных отверстий и требуетсложного оборудования. Кроме того, выигрыш в весе, получаемый благодаряоптимизации деталей, частично теряется из-за необходимости соединениядеталей внахлест при их механической сборке. Другим способом сборкимогла бы быть сварка лонжерона.

Из известных способов сварки способом,предпочтительным для сборки деталей, выполненных из разных сплавов, вчастности, является СТП. Эта идея использована в патенте [113], гдепредлагается конструктивный элемент, предназначенный для изготовлениялонжерона крыла, содержащего перегородку и один или несколькоприлегающихкперегородкеэлементовстрингеров,чтопозволяетизготовлять бифункциональные или многофункциональные конструктивныеэлементы, содержащие несколько собранных вместе деталей методом СТП, вкоторых стрингеры обладают большой механической прочностью.ИзвестныметодысваркиСТП,вкоторыхвдополнениектепловложению за счет трения осуществляется подогрев свариваемыхдеталей лазерным лучом [114] или импульсом тока [115], а также52комплексным воздействием лазерного и полихроматического излучения[116].

Метод СТП характеризуется огромным разнообразием вариантоврабочего инструмента [117, 118]. Известны способы соединения методомСТП с использованием специфических конструктивных особенностейсоединяемых деталей [119].Следует указать, что наряду с большим количеством патентов,относящихсяконструктивныхкусовершенствованиюрабочегоинструментаиэлементов СТП предлагается очень мало способовоптимизации технологии получения полуфабрикатов или конструктивныхэлементов с регламентированным уровнем служебных свойств. Известенспособ [120] получения катаных, экструдированных или кованых изделий изAl-Cu-Li сплавов, а также элементов фюзеляжа летательного аппарата,которыйрегламентируетвсеметаллургическиестадии,начинаяотоптимизации состава в плане влияния легирующих элементов на вязкостьразрушения листов и их анизотропию, в особенности по отношению кпоказателям прочности в 450 направлении.

Предлагается сплав на основеалюминия,содержащий от 2,1 до 2,8 мас.% Сu, от 1,1 до 1,7мас.% Li, от 0,1 до0,8 мас.% Ag, от 0,2 до 0,6мас.% Mg, от 0,2 до 0,6 мас.% Мn, Отличительнымпризнаком является введение в сплав марганца и ограничение циркония, чтопротиворечит существующим тенденциям, согласно которым циркониемзаменялимарганецдляизмельчениязерна.Вероятно,ограничениесодержания циркония связано с тем, что дисперсные частицы триалюминидациркония эффективно тормозят рекристаллизацию, что привродит кусилению текстуры и соответственно анизотропии.

Способ изготовлениялиста включает отливку пластины, ее гомогенизацию, обработку на твердыйраствор листа, закалку, растяжку листа с остаточной деформацией от 1 до5%, старение при температуре от 140 до 170°С в течение от 5 до 80 часов. Вслучае использования листа для сварного соединения процедуру старенияразделяют на две части – до и после сварки.

В результате получают сплав с53высокими характеристиками прочности, вязкости и коррозионной стойкости,низкой плотностью и в котором отсутствует анизотропия.Значительныйинтереспредставляеттакжеспособ[122].полученияизделия из сплавов алюминия используемыхв конструкцияхфюзеляжа, включающий приготовление металлического расплава на основеалюминия, отливку плиты, гомогенизацию при температуре от 490 до 530°Св течение от 5 до 60 часов, прокатку листа с конечной толщиной 0,8 - 12 мм,обработку на твердый раствор и закалку, растяжку с контролируемойостаточной деформацией от 1 до 5%, отпуск при температуре 140 -170°С втечение 5 - 30 часов.

Сплав кроме алюминия содержит от 3,0 до 3,4% помассе Сu, от 0,8 до 1,2% по массе Li, от 0,2 до 0,5% по массе Ag, от 0,2 до0,6% по массе Mg и по меньшей мере один элемент, выбранный из Zr, Mn,Cr, Sc, Hf и Ti. При этом содержание Си и Li соответствует соотношению Сu(% по массе) + 5/3 Li (% по массе) <5,2. Изготовленный таким способом листобладает высокой механической прочностью и вязкостью разрушения,большим раскрытием трещины перед нестабильным разрушением и высокойстойкостью к коррозии. Сварные соединения листов, выполненные СТП,обладают коэффициентом прочности соединения (отношение прочности швак прочности основного материала), превышающим 70%, а предпочтительно превышающим 75%.

Такой результат получают в том случае, когда отпускосуществляютдоилипослеоперациисварки.Приэтомсваркарасплавлением для сплавов с литием характеризуется величиной этогокоэффициента менее 60%. Последние пункты формулы изобретениярегламентируютполучениеконструктивногоэлемента,содержащегосварную конструкцию, полученную методом СТП, у которой коэффициентпрочности соединения выше 70%.Существует способ [121], трехступенчатого старения алюминиевыхсплавов, упрочняемых выделениями,в том числе и сплавов системы Al-Cu-Li.Первая стадия соответствует обычному старению сплава Т6, вторая приболее низкой температуре, а третья в интервале температур соответствующей54температуре первой стадии 500С.

Такая обработка может быть совмещена схолодной деформацией на различных стадиях старения и дает повышениетвердости и прочности на 10-15%.Последний способ интересен тем, что аналогичное многоступенчатоестарениепредлагаютвкачествеэффективногоспособаповышенияпрочности СТП соединений [122, 123] из стареющих алюминиевых сплавовдля улучшения прочностных характеристик в зоне термического влияния изоне шва, включающий в себя этапы, на которых обеспечивают свариваниеупрочняемых выделениями деталей из алюминиевого сплава и воздействиена указанные детали первого этапа старения в течение определенноговремени и температуры, которые обеспечивают образование упрочняющихвыделений. После этого состаренные элементы сваривают, чтобы получитьсварной узел, имеющий зону сварки.

Сварные элементы подвергают второйстадиистарениядляповторноговыделенияупрочняющихчастиц,растворенных во время нагрева в зоне сварки. Этот способ может бытьсущественноболееэффективным,еслиегодополнитьметодомколичественного фазового анализа.ЗАКЛЮЧЕНИЕ по литературному обзоруАнализ литературы и патентной информации в рамках поставленнойзадачи оптимизации служебных свойств полуфабрикатов и сварныхсоединений из сплавов системы Al-Cu-Li показал, что существующиеспособы повышения служебных свойств изделий из этих материаловнедостаточноэффективны,посколькунесодержатколичественныхкритериев достижения необходимого структурно-фазового состояния врезультате выполнения регламентированных характеристик химическогосостава сплавов и технологии их обработки. Это особенно критично длясварныхсоединений,полученныхСТП,посколькуэтанаиболееперспективная технология для высокопрочных алюминиевых сплавов55характеризуется очень сложным характером формирования структуры ифазового состава.Таким образом, разработка метода количественного фазового анализаможет придать количественный характер корреляциям между химическимсоставом и параметрами технологии с одной стороны и служебнымисвойствами с другой, что позволит выявить наиболее эффективные способыоптимизации служебных свойств сварных соединений из сплавов системыAl-Cu-Li.56ГЛАВА 2.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ2.1 Исследование клиновых образцов из сплава В-1461Исследования влияния степени предварительной деформации (1-11%)на формирование структурно-фазового состояния сплавов системы Al-Cu-Liпри последующем старении проводили на клиновых образцах 25х70 мм спеременной толщиной от 10 до 11 мм. Заготовки для прокатки клиновыхобразцов вырезали из средней части плит толщиной 80 мм из сплава В1461(Табл.2.1), которые получали поперечно-продольной (по отношению коси слитка) прокаткой при температурах 420-4700С на «КУМЗ». В этой плитеименно в средней части толщиной ~30 мм была обнаружена сильнаяоднокомпонентная текстура твердого раствора, которая характеризоваласьрасположением плоскостей {110} параллельно плоскости плиты [5].

Приэтом все три интерметаллидные фазы (δ', ϴ' и Т1) выделялись когерентноматрице и давали заметные дифракционные пики в соответствии симеющимися ориентационными соотношениями именно в средней частиплиты, из которой вырезали образцы для исследования. Использование такихобразцов позволило рентгеновским методом непосредственно определятьвыделение интерметаллидных фаз на различных стадиях старения иоценивать их количество.

Для остальной части плиты, в которой текстурабыла многокомпонентной, не наблюдали даже следов ϴ' и Т1– фаз,количество которых не превышало 5%.Клиновыеобразцыпрокатывалидотолщины~10мм,чтосоответствовало деформации от ~1 до ~11% по длине клинового образца.Послепрокаткидвухклиновыхобразоводинсразуподвергалитрехступенчатому старению 1200С, 20 час., 1400С, 24 час.и 1500С, 24 час, авторой такой же обработке, но после естественного старения в течении ~6,5106 сек. После каждой ступени старения проводили измерения твердости ирентгеноструктурныеисследованияв5зонахклиновогообразца,отличающихся величиной деформации. Измерения твердости проводили на57приборе MacroMet 5100Tс нагрузкой 100 кгс и шкалой измерения HRB.Рентгеноструктурные исследования проводили на дифрактометре ДРОН-4.Измеренияпериодоврешеткиα-твердогораствораосуществляливфильтрованном CuKα-излучении и использованием рефлекса (511)/(333) суглом дифракции θ~80-810.Размер частиц δ'-фазы (D) определяли с помощью уравнения СеляковаШеррера [124] на основании величины физического уширения (β)сверхструктурного рефлекса (110) съемкой в СuKα-излучении:D=λ/(βcosθ)(2.1)Величину физического уширения определяли методом аппроксимацииформы дифракционной линии эталона, f(x) и исследуемого образца, F(x) cпомощью аналитических функций типа f(x)=(1+x2)-2 и F(x)=(1+x2)-2соответственно.Вычисление величины физического уширения () осуществляли в дваэтапа.

Сначала вводили поправку на немонохроматичность рентгеновскогоизлучения на основании зависимостей B0/B от /B, где  - величинамеждублетного расстояния. В случае съемки в СuKα-излучении с угломдифракциидлярефлекса(110)θ=15,50,=0,030/Затемпоправку нагеометрическое уширение, величину которого, b0, определяли съемкойэталона, в качестве которого использовали образец, величина физическогоуширения которого пренебрежимо мала. При этом использовали зависимости/B0 от b0/B0.Количество δ'- и Т1- фаз определяли на основании измерения параметрарешетки твердого раствора.2.2 Исследование листов сплавов 1441 В-1469В качестве материала использовали тонкие листы толщиной 0,3 мм изсплава 1441 и 1,5 мм из сплава 1469, составы которых приведены в табл.2.1.Листы получали поперечно-продольной (по отношению к оси слитка)прокаткой на ОАО «КУМЗ», затем их подвергали термообработке: закалке с58охлаждением в холодной воде, правке в свежезакаленном состоянии состаточнойдеформацией1,5-2,0 %прогладкойирастяжением, двухступенчатому искусственному старению.