СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ

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 усталости. Лист, изготовленный из этого сплава, обладает следующими свойствами: =460 МПа, =55 МПа√м, d(2l)/dN=1,1 мм/к цикл. 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 кальций, стронций, барий, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Медь                                                 3,8-4,5

Магний                                            1,2-1,6

                 по крайней мере один

                 элемент из группы

кальций, стронций, барий              0,05 – 1,0

      Алюминий и примеси                   остальное.

Повышение коррозионностойкости как важной характеристики сплава достигается дополнительным легированием по крайней мере одним элементом из группы кальций, стронций, барий.

С увеличением содержания меди в алюминии зерно непрерывно измельчается. Показано, что увеличение прочности алюминия при легировании его медью сопровождается укрупнением зерна в центральной зоне слитка, а уменьшение прочности ведёт к обратному явлению. Плотность сплавов системы Al-Cu с ростом содержания меди растёт. Температурный коэффициент линейного расширения сплавов снижается пропорционально до значения, соответствующего коэффициенту для сплава Al₂Cu. Удельная теплоемкость плавно повышается при увеличении содержания меди.

Магний является поверхностно активным элементом по отношению к алюминию. С увеличением его содержания зерно алюминия измельчается и довольно интенсивно. Добавки магния к алюминию увеличивает, на сколько процентов коэффициент термического расширения и слегка уменьшает усадку при кристаллизации, вязкость расплавов увеличивается. Электросопротивление повышается почти линейно с ростом содержания магния в твердом растворе алюминия. С ростом содержания магния в алюминии твердость, прочность и усталостная прочность повышаются, а пластичность понижается.

Добавки кальция, стронция и бария к алюминиево-медным сплавам снижают поверхностное натяжение. Плотность по мере увеличения содержания щелочноземельных металлов в алюминии снижается линейно и находится в переделах ошибки расчета. Поверхностное натяжение жидкого алюминия заметно снижается; при добавке 1% Ca – примерно на 50%. Электросопротивление меняются линейно.

Щёлочноземельные металлы способствует небольшую повышению прочности алюминия.  

Таким образом, механизм модифицирования эвтектики 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 кальций, стронций, барий 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 гравиметрическим методом, предложенный сплав по сравнению с известным сплавом имеет превосходство на 10-12%.

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, 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 кальций, стронций, барий вводились в расплав в завернутом в алюминиевой фольге виде. Химический анализ полученных сплавов на содержание меди и магния проводилось в Центральной заводской лаборатории ГУП “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, содержащего NaCl различной концентрации, 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 кальцием, стронцием, барием.

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 кальцием, стронцием и барием следует, что добавка по крайней мере одного элемента из группы кальций, стронций, барий в пределах 0,05÷1,0 мас. % способствуют смешению в область положительных значений потенциалов свободной коррозии (Есв.кор.), питингообразования (Е_п.о.) и репассивации (Е_рп.) сплавов, результатом чего является снижение скорости коррозии и плотности тока коррозии сплавов на 10-12%.

Механизм действия, по крайней мере, одного элемента из группы кальций, стронций, барий на рост коррозионностойкости исходного алюминиевого сплава AlCu4.5Mg1 заключается в сдвиге всех электрохимических потенциалов сплавов 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 нового сплава на 10-12% позволяет на столько же снизить единицу материалоёмкости изделий из него и получить экономический эффект.