Алюмінієвий сплав

Винахід відноситься до галузі порошкової металургії, зокрема до алюмінієвих сплавів, і може бути використаний при одержанні сплавів для зварних конструкцій. Відомий сплав на основі алюмінію з консолідованого газорозпиленого порошку, що містить в % за масою: 5¸13 цинку, 1¸3,5 магнію, 0,5¸3,5 міді, не більше 0,5 заліза, не більше 0,5 кремнію, 0,75¸1 принаймні одного елементу з групи, яка включає нікель та кобальт, або разом обох елементів, решта - алюміній (патент США №4732610). Механічні властивості цього сплаву в стані Т7 за стандартами США (витримка після загартування при +121°С 24год., при +163°С від 1 до 2год.) наступні: границя міцності sв=545¸614МПа, границя плинності s02=476¸579МПа, залишкове подовження d=7¸19%. Проте напівфабрикати з цього сплаву погано зварюються. Найбільш близьким за технічним рішенням та досягнутим ефектом є алюмінієвий сплав, одержаний з консолідованих гранул розміром 1¸2мм, що вміщують в % по масі: 4,0¸8,0 цинку, 2,0¸5,0 магнію, 0,5¸1,2 цирконію, 0,0005¸0,2 берилію, оксиду алюмінію 0,01¸0,5, оксиду чи нітриду тугоплавкого перехідного металу 0,01¸0,1, принаймні один метал з групи, яка включає титан, хром, мідь, церій, залізо, кобальт та нікель, решта алюміній (патент Росії №2001153). Оксиди та нітриди тугоплавких перехідних металів вводять в сплав для створення нерозчинних в матриці дисперсних інтерметалідних виділень, котрі при тривалому технологічному нагріванні запобігають рекристалізації, яка призводить до зменшення міцності сплаву. Структура такого сплаву, одержаного з 1¸2мм гранул, характеризується середнім розміром недендритного зерна близько 10мкм, величина якого відповідає дендритному параметру. Швидкість охолодження алюмінієвих сплавів визначається за величиною дендритного параметра [В.И. Добаткин, В.И. Елагин, В.М. Федоров. Быстрозакристаллизованные алюминиевые сплавы, М.: ВИЛС, 1995, 341с.]. Швидкість охолодження розплаву, яка відповідає вказаному розміру недендритного зерна, складає близько 103К/с. За такої швидкості охолодження розплаву обмежуються подальше збільшення вмісту легуючих елементів та підвищення ступеня подрібнення зерна сплаву і, отже, неможливе підвищення досягнутого в теперішній час рівня міцності напівфабрикатів та зварних з'єднань сплаву базового складу Al-Zn-Mg відповідно 653 та 471МПа. Недоліком даного сплаву є також складність складу, в якому налічується до 22 елементів та сполук, в тому числі токсичний берилій. Метою винаходу, що заявляється, є створення сплаву на основі алюмінію, в якому за рахунок підбору складу, використання вихідних порошків певної структури та певної структури сплаву забезпечуються підвищення міцності сплаву, підвищення міцності зварних з'єднань, технологічності одержання сплаву, а також покращення екології при його використанні. Поставлене завдання вирішується запропонованим алюмінієвим сплавом, що містить: Аl, Zn, Mg, Zr, (AI2O3) з елементним складом, представленим формулою AlaZnbMgcZrd(Al2O3)eMf, де Mf один чи декілька елементів з групи, яка включає Scg, Мnh, Tii, Nij, Cok, Crl и Cum, індекси a, b, с, d, e, f, g, h, i, j, k, l, m означають атомні проценти, а - інтервал від 92,0 до 94,5, b - інтервал від 2,1 до 3,2, с - інтервал від 3,4 до 4,7, d - інтервал від 0,09 до 0,26, e - інтервал від 0,01 до 0,2, f - інтервал від 0,42 до 1,0, g - інтервал від 0,18 до 0,4, h - інтервал від 0,15 до 0,28, і - інтервал від 0,08 до 0,15, j - інтервал від 0,07 до 0,1, k інтервал від 0,07 до 0,2,1 - інтервал від 0,05 до 0,3, m - інтервал від 0,1 до 0,7. При цьому сплав, отриманий зі скомпактованих та консолідованих водорозпилених швидко закристалізованих порошків, що мають неправильну форму зі складним рельєфом поверхні та нерівномірною товщиною окисної плівки від декількох до 30¸40 мономолекулярних шарів, та середній розмір не дендритного зерна від 0,5 до 3,0мкм для часток з розмірами від 10 до 100мкм, має високодисперсну структуру з середнім розміром комірок від 50 до 150нм і містить зміцнюючі фази метастабільних інтерметалідних сполук h'-фази Mg4Zn13Al2 та Al3(Sc1-xZrx) з розмірами вторинних дисперсоїдів від 1нм до 4-5нм. У випадку використання вторинного алюмінію сплав вміщує також залізо до 0,45 та кремній до 0,2атом.%. Відміна запропонованого сплаву від відомого полягає в більш дисперсній мікроструктурі вихідних порошків у порівнянні з гранулами, яка характеризується зменшенням середнього розміру недендритного зерна за приблизною оцінкою на один порядок величини відповідно з 10мкм до 1мкм. Відміна полягає також в тому, що в сплав додатково введено скандій, а берилій, нітриди та оксиди тугоплавких перехідних металів виведено з його складу. При цьому границі вмісту алюмінію нормують, а не приймають як "решта" в прототипі після визначення сумарного вмісту всіх легуючих елементів. Порівняння з відомими технічними рішеннями рішення, що заявляється, спрямованого на підвищення властивостей міцності зварюваного алюмінієвого сплаву та зварних з'єднань, показує, що у відомих технічних рішеннях вказані відмінні ознаки не зустрічаються. Дрібнозерниста структура сплаву, виділення метастабільних інтерметалідних сполук у вигляді високодисперсних вторинних дисперсоїдів, які зберігаються при технологічних нагріваннях без рекристалізації в напівфабрикатах пропонованих сплавів, забезпечують підвищення міцності сплаву та зварних з'єднань і дозволяють одночасно вивести зі складу сплаву токсичний берилій, нітриди та оксиди тугоплавких перехідних металів. Введення до сплаву скандію сприяє підвищенню міцності сплаву за рахунок виділення зміцнюючої інтерметалідної метастабільної фази у вигляді дисперсоїдів Al3(Sc1-xZrx). Одночасно наявність скандію в сплаві поліпшує зварюваність, підвищує міцність зварних з'єднань та підвищує температуру рекристалізації при тривалому технологічному нагріванні. Неправильна форма часток зі складним рельєфом поверхні та нерівномірною товщиною оксидної плівки на ній, притаманні водорозпиленим порошкам, сприяють консолідації порошків та диспергуванню оксидної плівки в процесі компактування. Дисперсні частки тугоплавкої плівки оксиду алюмінію, які створюються при компактуванні, не розчиняються в матриці сплаву, рівномірно розподіляються в ній та не коагулюють при нагріванні, і таким чином вносять свій вклад в зміцнення сплаву та підвищення стабільності властивостей при тривалому нагріванні до підвищених температур. Виключення берилію, нітридів і оксидів тугоплавких перехідних металів зі складу сплаву сприяє підвищенню технологічності процесу його виготовлення. Завдяки тому, що домішки заліза до 0,45 і кремнію до 0,2 в атомних процентах помітно не знижують міцності сплаву та його зварних з'єднань при заявленому складі сплаву, для його виготовлення може бути використаний вторинний алюміній, що дозволяє підвищити економічність виробництва. Винахід ілюструється рисунками, які пояснюють, але не обмежують об'єм винаходу. На фігурах зображені: Фіг.1 - Мікроструктура часток водорозпилених порошків, морфологія окремих часток, знімок в растровому електронному мікроскопі; Фіг.2 - Мікроструктура часток водорозпилених порошків, мікротоми часток, знімок в просвічувальному електронному мікроскопі (ПЕМ); Фіг.3 - Мікроструктура напівфабрикату - штаби в поздовжньому перетині, знімок ПЕМ; Фіг.4 - Мікроструктура напівфабрикату - прутка в поздовжньому перетині, знімок ПЕМ; Фіг.5 - Вторинні дисперсоїди h'-фази Mg4Zn13Al2 в напівфабрикаті в стані ТІ, знімок ПЕМ в темному полі з використанням рефлексу h'-фази; Фіг.6 - Вторинні дисперсоїди фази Al3(Sc1-xZrx) в напівфабрикаті в стані ТІ, знімок ПЕМ в темному полі з використанням рефлексу (001) фази Al3(Sc1-xZrx); Фіг.7 - Оптична мікрофотографія структури екструдованого прутка діаметром 6мм в стані ТІ в поздовжньому перетині; Фіг.8 - Оптична мікрофотографія структури екструдованої штаби 40´12мм2 в стані ТІ в поздовжньому перетині; Фіг.9 - Мікроструктура листового зразка після проби на зварюваність, оптична мікрофотографія; Фіг.10 - Мікроструктура звареного шва, оптична мікрофотографія. Приклади виготовлення сплаву Сплави з 1 по 9, склади яких наведені в Таблиці 1, одержані на основі водорозпилених порошків з медіанним діаметром часток 40¸50мкм. Приклади з 1 до 7 відповідають складові, який заявляється, приклади 8 та 9 - складу з позаграничними значеннями параметрів, що заявляються, склади 10 та 11 відомі за прототипом з середнім (10) та максимальним (11) вмістом компонентів. В Таблицю 1 включено також один з кращих зварюваних сплавів 1911, одержаний зі злитка (ГОСТ 4784-97). Водорозпилені порошки, отримані за способом, представленим в патенті Росії №2078427 та патентом України №9505, служили вихідним продуктом для виготовлення напівфабрикатів. Частки водорозпилених порошків мають неправильну форму зі складним рельєфом поверхні (Фіг.1) та вкриті оксидною плівкою (Фіг.2), товщина якої змінюється від декількох до 30-40 мономолекулярних шарів. Дегазацію висушеного порошку, попередньо скомпактованого в сирі пресовки з пористістю 30¸40%, здійснювали при температурі 350¸450°С під вакуумом 10-3мм. рт. ст. По закінченні дегазації сирі пресовки компактували при тих самих температурах до щільності 99,0¸99,6%. Потім консолідовані заготовки піддавали гарячій екструзії і одержували напівфабрикати у вигляді прутка і штаби. Штаби зварювали аргоно-дуговим зварюванням. Прутки загартовували після витримки 1год. при температурі 465°С і піддавали старінню протягом 24 годин при 120°С (стан Т1). Штаби загартовували після витримки 1год. при температурі 470°С та піддавали старінню протягом 20 годин при температурі 120°С. Таблиця 1 Сплав 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Склад мас.% 90,5Al-5Zn-3Mg-0,7Zr-0,3Sc0,5Mn 88,9Al-7Zn-3Mg-0,3Zr-0,3Sc0,5Mn 88,9Al-6Zn-4Mg-0,3Zr-0,3Sc0,5Mn 90,4Al-5,5Zn-3Mg-0,3Zr-0,3Sc0,5Mn 89,07Al-5,5Zn-3Mg-0,8Zr0,15Ti-0,15Co-0,15Ni-0,6Cu0,5Mn-0,08(Al2O3) 89,55Al-5,5Zn-3Mg-0,85Zr0,15Ti-0,2Cr-0,15Ni-0,6Cu 89,1Al-6Zn-4Mg-0,3Zr-0,3Cr0,3Ti 91,5Al-5Zn-3Mg-0,5Fe 87,3Al-7,5Zn-4Mg-0,3Zr-0,3Sc0,5Mn 6Zn-3,5Mg-0,5Zr-0,3Cr-0,3Ti0,3Cu-03Ce-0,01Be-0,3NiO0,3Fe2O3-0,3CoO-0,01Al2O30,05ZrO2-0,01TiO2-0,02Cr2O3решта Al 6Zn-3,5Mg-0,5Zr-0,3Cr-0,3Ti Склад атом.% Al93,75Zn2,14Mg3,4545Zr0,21SC0,19Mn0,26 Al92,95Zn3,02Mg3,48Zr0,09SC0,2Mn0,26 Al92,26Zn2,57Mg4,6Zr0,09SC0,19Mn0,25 Al93,67Zn2,35Mg3,45Zr0,09SC0,19Mn0,25 Al93,04Zn2,37Mg3,48Zr0,25Ti0,09Co0,07Ni0,07Сu0,26Мn0,26(Аl2O3)0,11 Al93,38Zn2;36Mg3,47Zr0,26Ti0,09Cr0,11Ni0,07Cu0,26 Al92,4Zn2,57Mg4,6Zr0,09Cr0,16Тi0,18 Al94,2Zn2,12Mg3,43Fe0,25 Al91,57Zn3,24Mg4,65Zr0,09SC0,19Mn0,26(Al2O3)0,14 AI91,83Zn2,59Mg4,06Zr0,16Тi0,18Cr0,16Сe0,06Вe0,03Cu0,13(Al2O3)0,01 (Fe2O3)0,27(CoO)0,23(NiO)0,23(ZrO2)0,03(TiO2)0,01(Cr2O3)0,02 AI91,76Zn2,56Mg4,07Zr0,15Сr0,16Тi0,18Cu0,13Ce0,06Be0,03(NiO)0,23(Fe2O3)0,27 0,3Cu-0,3Ce-0,01Be-0,3NiO0,3Fe2O3-0,05ZrO2-0,01TiO20,01Cr2O3-0,3CoO-0,1Al2O30,05ZrN-0,01TiN-0,01CrN0,01FeN-0,01CoN-0,01NiNрешта Al (4,0¸5,0)Zn-(1,0¸1,8)Mg-(0,20,7)Mn-(0,06¸0,2)Cr1911 (0,08¸0,2)Zr-(0,01¸0,06)Ti0,1Cu-0,4Fe-0,35Si-решта Al (ZrO2)0,03(ТіO2)0,01(Сr2O3)0,02(СоО)0,23(АІ2O3)0,01(ZrN)0,02(TiN)0,01(CrN)0,02 (FeN)0,01(CoO)0,01(NiN)0,01 Екструдовані напівфабрикати після термообробки в стані ТІ мають комірчасту дислокаційну мікроструктуру з розмірами комірок близько 150нм (Фіг.3 та Фіг.4). При цьому високий ступінь розорієнтації комірок також сприяє підвищенню міцності напівфабрикатів. Напівфабрикати в стані ТІ містять вторинні дисперсоїди основних зміцнюючих фаз метастабільних інтерметалідних сполук: дисперсоїди розміром від 1 до 2нм h'-фази Mg4Zn13AI2 (Фіг.5) та дисперсоїди розміром до 4¸5нм фази Al3(Sc1-xZr x) (Фіг.6). Напівфабрикати, як екструдовані прутки (Фіг.7), так і екструдовані штаби (Фіг.8), мають смугасту структуру повздовж напряму деформації з характерним розміром смужок до 10мкм. Зварені шви мають щільну безпористу структуру (Фіг.9). У зоні термічного впливу до лінії зварювання зберігається нерекристалізована структура. Структура шва дрібнокристалічна, рівновісна (Фіг.10). У периферійній зоні шва відсутні стовпчасті кристаліти, характерні для зварених з'єднань алюмінієвих сплавів, які послаблюють зварні з'єднання. Механічні випробування напівфабрикатів на розтягування включали визначення границі міцності sв, границі плинності s02, залишкового подовження d, а також границі міцності звареного з'єднання. Результати досліджень при кімнатній температурі представлені в Таблиці 2. Представлені дані показують, що зварене з'єднання зберігає високу міцність: значення коефіцієнту знеміцнення КПР (відношення границі міцності звареного з'єднання до границі міцності основного металу) сплаву запропонованого складу знаходяться на рівні 0,8¸0,85. Таблиця 2 Механічні властивості Сплав Границя міцності sв, Границя плинності s02, МПа МПа 1 670 620 2 679 638 3 660 615 4 700 656 5 655 620 6 681 625 7 719 652 8 590 490 9 732 707 10 624 592 11 653 611 1911 435 380 Міцність звареного з'єднання Залишкове подовження d,% 7,7 7,3 7,0 7,1 8,8 10 9,43 9,5 1,6 10,6 9,4 12 sв, МПа КПР 550 573 561 581 557 572 575 478 505 454 471 348 0,82 0,84 0,85 0,83 0,85 0,84 0,80 0,81 0,69 0,73 0,72 0,8 За характеристиками міцності запропонований сплав як в основній своїй частині, так і в звареному з'єднанні істотно перевершує сплав-прототип. Так, границя міцності та границя плинності сплаву 4 запропонованого складу перевершують характеристики сплаву-прототипу на 47¸76МПа і 45¸64МПа відповідно, а границя міцності звареного з'єднання - на 110¸127МПа. Ще значнішою є перевага заявленого сплаву над сплавами, отриманими зі злитків. Так, у порівнянні з кращим у теперішній час зварюваним сплавом 1911, який одержують зі злитка, границя міцності та границя плинності сплаву 4 запропонованого складу більші на 265МПа і 276МПа відповідно, а границя міцності звареного з'єднання на 233МПа. Відхилення вмісту легуючих компонентів за границі запропонованого складу в сплавах 8, 9 призводить до різкого падіння характеристик міцності напівфабрикатів. Матеріал втрачає пластичність з підвищенням вмісту цинку (сплав 9). Заявлений сплав у порівнянні з прототипом містить меншу кількість легуючих компонентів: так, їх всього 6 в сплаві 4, а в сплаві 11 (прототип) - 21, включаючи токсичний берилій, що сприяє підвищенню економічності заявленого винаходу в порівнянні с аналогами заявленого винаходу. Економічність може бути також підвищена в результаті використання вторинного алюмінію, завдяки тому, що домішки заліза до 0,45 і кремнію до 0,2 в атомних процентах не знижують міцність сплаву і зварених з'єднань сплаву заявленого складу. Таким чином заявлений сплав в порівнянні з аналогами забезпечує рішення поставленої задачі підвищення міцності напівфабрикатів і зварених з'єднань з цього сплаву і підвищення економічності.