Изобретение относится к области цветной металлургии, а именно к сплавам на основе алюминия системы Al-Cu-Mg. Полуфабрикаты из этих сплавов используются в качестве конструкционных материалов для авиакосмической техники в виде обшивки и силового набора.
Известен алюминиевый сплав Д16ч, имеющий следующий химический состав (% по массе):
Медь 3,8-4,9
Магний 1,2-1,8
Марганец 0,3-0,9
Железо <0,3
Кремний <0,2
Цинк <0,1
Титан <0,1
Никель <0,05
Алюминий остальное [1].
Известны также американские сплавы системы Al-Cu-Mg серии 2000, например сплав, имеющий следующий химический состав (% по массе):
Медь 4,2-4,7
Магний 1,3-1,8
Марганец 0,8-1,3
Цирконий 0,08-0,15
Цинк <0,25
Титан <0,15
Хром <0,1
Железо <0,15
Кремний <0,12
Алюминий остальное [2].
и сплав следующего химического состава (% по массе):
Медь 3,8-4,5
Магний 1,2-1,8
Марганец 0,3-0,9
Железо <0,15
Кремний <0,15
Алюминий остальное [3].
Известные сплавы и изделия из них, имея высокую прочность, пластичность, долговечность, вязкость разрушения, малую скорость роста усталостной трещины, в ряде случаев обладают недостаточной коррозионной стойкости. Эта характеристика наряду с других для определенной группы изделий авиакосмической техники является определяющей.
Наиболее близким по химическому составу и назначению, принятым за прототип, является сплав на основе алюминия системы Al-Cu-Mg следующего химического состава (% по массе):
Медь 3,8-4,5
Магний 1,2-1,6
Марганец 0,4-0,8
Титан 0,01-0,07
Никель 0,01-0,05
Водород 2,7∙105-5,0∙105
Алюминий остальное [4].
Данный сплав обладает улучшенным сочетанием предела прочности, вязкости разрушения и скорости роста трещины. Лист, изготовленный из этого сплава, обладает следующими свойствами: 
=460 МПа, 
=55 МПа√м, d(2l)/dN=1,1 мм/кцикл. Однако сплав обладает недостаточной коррозионной стойкостью, что ограничивает его использование в качестве обшивки или силового набора в самолетах нового поколения.
Технической задачей настоящего изобретения является создание сплава, обладающего наряду с высокими характеристиками прочности, пластичности, трещиностойкости, долговечности, повышенной коррозионной стойкостью для конструкционного применения в авиакосмической технике в виде обшивки и силового набора.
Для решения поставленной технической задачи предложен сплав на основе алюминия, содержащий медь, магний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит по крайней мере один элемент из группы лантан, церий, празеодим, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Медь 3,8-4,5
Магний 1,2-1,6
По крайней мере один
элемент из группы
лантан, церий, празеодим 0,01 – 1,0
Алюминий и его примеси остальное.
Повышение коррозионностойкости как важной характеристики сплава достигается дополнительным легированием по крайней мере одним элементом из группы лантан, церий, празеодим.
Растворимость меди в твердом алюминий при эвтектической температуре 548ºС составляет 2,48 ат.% и уменьшается с понижением температуры. Плотность алюминия от добавки меди растёт. Удельная теплоёмкость сплавов системы Al-Cu повышается при увеличении содержания меди и в большей степени зависит от структуры, чем от состава сплава. Теплопроводность сплавов от содержания меди уменьшается. Удельное электросопротивление возрастает почти пропорционально количеству растворённой меди в алюминии.
При повышении содержания меди наблюдается непрерывное увеличение твердости, а прочность и особенно пластичность зависят от того, в каком виде находится медь в твердом растворе алюминия. Коррозионная стойкость сильно зависит от структуры сплавов.
Введение в алюминий магния в количествах до 6% в качестве легирующего компонента дает упрочнение твердого раствора сплава алюминия и высокую эффективность деформационного упрочнения. Это обеспечивает сплавам серии 5ххх свойства – выше, чем у сплавов серии 3ххх при сохранении хорошей формируемости у сплава.
Достижения высокой прочности за счет упрочнения твердого раствора магнием возможно потому, что магний в этой роли является очень эффективным. Кроме того, его высокая растворимость позволяет увеличивать его содержание до 5% в наиболее легированных сплавах.
Модифицирующее влияние лантана, церия, празеодима на структуру эвтектики α-Al+CuAl2 в сплавах системы Al-Cu-Mg сводится к следующему: 1) сильное измельчение частиц интерметаллида Al2Cu в эвтектике и их сфероидизация; 2) состав эвтектики в система Al-Cu сдвигается в сторону повышенной концентрации меди и чем больше введено модификатора (лантана, церия, празеодима), тем выше скорость охлаждение расплава; 3) модифицирование редкоземельными металлами увеличивает вязкость и уменьшает жидкотекучесть расплава; 4) кристаллизация сплавов в присутствие модификатора протекает при заметном переохлаждении, величина, которой зависит от количества модификатора и скорости охлаждения.
Таким образом, механизм модифицирования эвтектики α-Al-Al2Cu в сплавах алюминия с медью объясняется следующим двумя основным концепциям: 1) подавление зародышеобразования при температуре кристаллизации немодифицированной эвтектики; 2) ограничение роста кристаллов интерметаллида Al2Cu при распаде эвтектической жидкости.
Присутствие по крайней мере одного элемента из группы, включающей лантан, церий, празеодим обеспечивает повышение наряду с коррозионностойкости, также прочностных характеристик сплава - предела прочности и предела текучести.
Предложенный сплав по сравнению с известным сплавом обладает практически одинаковыми характеристиками прочности, пластичности, трещиностойкости, долговечности. Однако по коррозионностойкости, определяемой потенциостатическим методом, предложенный сплав по сравнению с известным сплавом имеет превосходство на 10-15%.
Пример осуществления
Синтез сплавов проводилось в шахтном лабораторном печи сопротивления типа СШОЛ при температуре 750 - 800 0С. В качестве шихты при получении дюралюминиевого сплава AlCu4.5Mг1 использовали алюминий марки А6 с суммарным содержанием примесей, который дополнительно легировалось расчётным количеством меди и магния. При легировании алюминия использовалось лигатура алюминия с 50 мас.% меди. Магний, завернутый в алюминиевой фольге, вводилось в расплав алюминия с помощью колокольчика. Металлический лантан, церий, празеодим вводились в расплав в завернутом в алюминиевой фольге виде. Химический анализ полученных сплавов на содержание меди и магния проводилось в Центральной заводской лаборатории ОАО “Таджикская алюминиевая компания”. Состав сплавов также контролировалось взвешиванием шихты и полученных сплавов. При отклонении массы сплавов более чем на 1-2% отн. синтез сплавов проводился заново. Далее из расплава удалялось шлак и производилось литьё образцов для коррозионно-электрохимических исследований, в графитовую изложницу. Образцы цилиндрической формы имели диаметр 10мм и длину 140мм.
Исследования проводили в среде нейтрального водного раствора, 3,0-ного NaCl, согласно рекомендациям, ГОСТ 9.017 - 74, т.е. в иммитате морской воды, с целью определения влияния хлорид-иона на коррозионно-электрохимическое поведение дюралюминиевого сплава AlCu4.5Mг1 с лантаном, церием, празеодимом.
Исследования коррозионностойкости сплавов проводили на потенциостате ПИ-50-1.1 потенциостатическом методом в потенциодинамическом режиме при скорости развертки потенциала 2 мВ/с, с помощью программатора ПР-8 и самозаписа ЛКД-4. Температура раствора поддерживалась постоянно 20°С, с помощью термостата МЛШ-8. Электродом сравнения служил хлоридсеребряный, а вспомогательным - платиновый.
Результаты исследования коррозионно-электрохимических свойств сплавов, в среде 3%-ного NaCl обобщены в таблице.
Из приведённых в таблице электрохимических характеристик и скорости коррозии алюминиевого сплава AlCu4.5Mg1 с лантаном, церием, празеодимом следует, что добавки по крайней мере одного элемента из группы лантан, церий, празеодим в пределах 0,05÷1,0 мас. % способствуют смещению в область положительных значений потенциалов свободной коррозии (Есв.кор.), питингообразования (Еп.о.) и репассивации (Ерп.) сплавов, результатом чего является снижение скорости коррозии и плотности тока коррозии сплавов на 10-15%.
Механизм действия по крайней мере одного элемента из группы лантан, церий, празеодим на рост коррозионностойкости исходного алюминиевого сплава AlCu4.5Mg1 заключается в сдвиге всех электрохимических потенциалов в область положительных значений.
Таким образом, применение предлагаемого сплава в качестве конструкционного материала для авиакосмической техники в виде обшивки и силового набора из листов обеспечивает значительное повышение коррозионностойкости и соответственно продлению срока службы указанных изделий из него. Рост коррозионностойкости заявляемого сплава на 10-15% позволяет на столько же снизить единицу материалоёмкости изделий из него и получить экономический эффект. При стоимости 1 тн. сплава 3000$ США 10%-е снижение массы изделий при объеме производства 1000 тн. сплава составляет.
