RU2804669C1 - HIGH-STRENGTH ALUMINIUM ALLOY OF Al-Zn-Mg-Cu SYSTEM AND PRODUCTS MADE OF IT - Google Patents
HIGH-STRENGTH ALUMINIUM ALLOY OF Al-Zn-Mg-Cu SYSTEM AND PRODUCTS MADE OF IT Download PDFInfo
- Publication number
- RU2804669C1 RU2804669C1 RU2022132831A RU2022132831A RU2804669C1 RU 2804669 C1 RU2804669 C1 RU 2804669C1 RU 2022132831 A RU2022132831 A RU 2022132831A RU 2022132831 A RU2022132831 A RU 2022132831A RU 2804669 C1 RU2804669 C1 RU 2804669C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- strength
- alloy
- scandium
- magnesium
- zinc
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к области металлургии, а именно к деформируемым термически упрочняемым высокопрочным алюминиевым сплавам системы Al-Zn-Mg-Cu, предназначенным для применения в машиностроении и других отраслях промышленности в качестве конструкционного материала для высоконагруженных элементов, в частности для изделий атомной техники, в том числе деталей газовых центрифуг. The invention relates to the field of metallurgy, namely to deformable thermally strengthened high-strength aluminum alloys of the Al-Zn-Mg-Cu system, intended for use in mechanical engineering and other industries as a structural material for highly loaded elements, in particular for nuclear engineering products, including number of gas centrifuge parts.
Известна серия современных распространенных высокопрочных алюминиевых сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu различного назначения, дополнительно легированных микродобавками различных переходных металлов для повышения прочности, пластичности, технологичности.There is a known series of modern common high-strength aluminum alloys of the Al-Zn-Mg-Cu system for various purposes, additionally alloyed with microadditives of various transition metals to increase strength, ductility, and manufacturability.
К ним относится алюминиевый сплав системы Al-Zn-Mg-Cu (RU 2553781 С1, 20.06.2015), имеющий следующий состав, масс.%:These include the aluminum alloy of the Al-Zn-Mg-Cu system (RU 2553781 C1, 06/20/2015), having the following composition, wt.%:
при этом отношение содержания цинка к содержанию магния находится в пределах 3,1-4,1.while the ratio of zinc content to magnesium content is in the range of 3.1-4.1.
Сплав имеет недостаточно высокие характеристики конструкционной прочности и надежности, которые необходимы для высоконагруженных деталей газовых центрифуг, работающих длительно при постоянно действующих высоких напряжениях.The alloy does not have high enough structural strength and reliability characteristics, which are necessary for highly loaded parts of gas centrifuges operating for a long time at constantly operating high voltages.
Известен алюминиевый сплав системы Al-Zn-Mg-Cu (RU 2514748 С1, 10.05.2014), имеющий следующий состав, масс.%:An aluminum alloy of the Al-Zn-Mg-Cu system is known (RU 2514748 C1, 05/10/2014), having the following composition, wt.%:
неизбежные примеси из группы Mn, Cr, V, Mo, Li, Ag, K, Na, О не более 0,1 алюминий остальное, при этом соотношение между содержанием магния и цинка составляет от 0,53 до 0,57.inevitable impurities from the group Mn, Cr, V, Mo, Li, Ag, K, Na, O not more than 0.1 aluminum the rest, while the ratio between the content of magnesium and zinc is from 0.53 to 0.57.
Недостатком данного сплава является существенное снижение уровня механических свойств при повышенных температурах.The disadvantage of this alloy is a significant decrease in the level of mechanical properties at elevated temperatures.
Известен деформируемый сплав на основе алюминия (RU 2394113 С1, 10.07.2010), содержащий, масс.%:A wrought aluminum-based alloy is known (RU 2394113 C1, 07/10/2010), containing, wt.%:
по крайней мере один элемент из группы:at least one element from the group:
причем отношение содержания Mg к содержанию Zn больше или равно 1,1.wherein the ratio of Mg content to Zn content is greater than or equal to 1.1.
Недостатком данного сплава является невысокий уровень прочностных характеристик (временное сопротивление σв не выше 580 МПа, условный предел текучести σ0,1 не выше 520 МПа), что обусловлено выбранным диапазоном содержания таких элементов, как магний, цинк, медь. Также, в составе содержится бор, который не допускается в материалах для газовых центрифуг.The disadvantage of this alloy is the low level of strength characteristics (tensile strength σ in not higher than 580 MPa, proof strength σ 0.1 not higher than 520 MPa), which is due to the selected range of content of elements such as magnesium, zinc, copper. Also, the composition contains boron, which is not allowed in materials for gas centrifuges.
Наиболее близким аналогом является высокопрочный алюминиевый сплав системы Al-Zn-Mg-Cu (RU 2164541 С2, 27.03.2001), имеющий следующий состав, масс.%: цинк 8,0-9,0The closest analogue is a high-strength aluminum alloy of the Al-Zn-Mg-Cu system (RU 2164541 C2, 03/27/2001), having the following composition, wt.%: zinc 8.0-9.0
при соотношении Fe/Si≥0,5.with Fe/Si ratio≥0.5.
Сплав имеет высокие прочностные характеристики, высокое сопротивление ползучести при умеренно повышенных температурах и многие годы успешно использовался в газовых центрифугах, однако имеет ограничения по характеристикам сопротивления ползучести и длительной прочности при температурах выше 40°С, что не позволяет применять его в деталях газовых центрифуг нового поколения (9+).The alloy has high strength characteristics, high creep resistance at moderately elevated temperatures and has been successfully used in gas centrifuges for many years, however, it has limitations in terms of creep resistance and long-term strength at temperatures above 40°C, which does not allow its use in parts of new generation gas centrifuges (9+).
Задачей предложенного изобретения является разработка нового высокопрочного алюминиевого сплава системы Al-Zn-Mg-Cu для высоконагруженных элементов конструкций изделий атомной техники, в том числе деталей газовых центрифуг, обеспечивающего увеличение их производительности и надежности в процессе длительной эксплуатации.The objective of the proposed invention is to develop a new high-strength aluminum alloy of the Al-Zn-Mg-Cu system for highly loaded structural elements of nuclear engineering products, including parts of gas centrifuges, ensuring an increase in their productivity and reliability during long-term operation.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение кратковременной прочности (временного сопротивления σВ, условного предела текучести σ0,2) при температурах 20-70°С, а также длительной прочности сплава при температуре 60°С при высоких напряжениях (560-600 МПа).The technical result of the claimed invention is an increase in short-term strength (temporary strength σ B , proof strength σ 0.2 ) at temperatures of 20-70°C, as well as long-term strength of the alloy at a temperature of 60°C at high stresses (560-600 MPa).
Технический результат достигается за счет того, что предлагаемый деформируемый и термически упрочняемый высокопрочный сплав на основе алюминия содержит цинк, магний, медь, цирконий, железо, кремний, марганец, по меньшей мере один элемент из группы, содержащей никель, ниобий и кобальт, при необходимости, по меньшей мере один элемент из группы, включающей скандий, титан и бериллий, при следующем соотношении компонентов, масс.%:The technical result is achieved due to the fact that the proposed deformable and thermally hardenable high-strength aluminum-based alloy contains zinc, magnesium, copper, zirconium, iron, silicon, manganese, at least one element from the group containing nickel, niobium and cobalt, if necessary , at least one element from the group including scandium, titanium and beryllium, with the following component ratio, wt.%:
по меньшей мере один элемент из группы:at least one element from the group:
при необходимости, по меньшей мере один элемент из группы, включающей скандий, титан и бериллий:if necessary, at least one element from the group consisting of scandium, titanium and beryllium:
Предпочтительное соотношение содержания цинка к магнию составляет >2,5. Предпочтительное соотношение содержания железа к кремнию составляет ≥1,5. Предпочтительно, чтобы сплав одновременно содержал ниобий и кобальт, предпочтительное суммарное содержание которых составляет не менее 0,15 масс.%. Предпочтительно, чтобы сплав одновременно содержал никель и скандий.The preferred zinc to magnesium ratio is >2.5. The preferred iron to silicon ratio is ≥1.5. Preferably, the alloy contains both niobium and cobalt, the preferred total content of which is not less than 0.15 wt.%. Preferably, the alloy contains both nickel and scandium.
Также предложено изделие из данного деформируемого и термически упрочняемого высокопрочного сплава на основе алюминия.A product made from this deformable and thermally hardenable high-strength aluminum-based alloy is also proposed.
За счет высокого содержания цинка и магния в структуре сплава в процессе искусственного старения выделяется основная упрочняющая фаза -η(MgZn2), что обеспечивает высокие прочностные характеристики (предел прочности и текучести), при этом предпочтительное соотношение цинка к магнию составляет более 2,5.Due to the high content of zinc and magnesium in the structure of the alloy, during artificial aging the main strengthening phase -η(MgZn 2 ) is released, which provides high strength characteristics (tensile strength and yield), while the preferred ratio of zinc to magnesium is more than 2.5.
Дополнительное упрочнение сплава достигается за счет легирования медью, которая входит как в твердый раствор, так и в состав фазы (Al2CuMg).Additional strengthening of the alloy is achieved by alloying with copper, which is included both in the solid solution and in the composition of the phase (Al 2 CuMg).
Цирконий вводится в качестве антирекристаллизатора и образует полукогерентные дисперсоиды ZrAb, тем самым обеспечивая повышение прочности, пластичности и циклической долговечности. Количество циркония должно быть ограничено (до 0,14 масс.%) ввиду появления нежелательных грубых частиц интерметаллидов.Zirconium is introduced as an anti-recrystallizer and forms semi-coherent ZrAb dispersoids, thereby providing increased strength, ductility and cyclic durability. The amount of zirconium should be limited (to 0.14 wt.%) due to the appearance of undesirable coarse particles of intermetallic compounds.
Легирование предлагаемого сплава марганцем обеспечивает дополнительное как твердорастворное упрочнение, так и дисперсионное (MgZr)Al6), что способствует повышению прочности.Alloying the proposed alloy with manganese provides additional both solid solution strengthening and dispersion (MgZr)Al 6 ), which helps to increase strength.
Присадка бериллия от 0,0001 до 0,002 масс.% обеспечивает повышенную технологичность при литье за счет образования защитной пленки, исключающей окисление и выгорание магния и других легкоплавких элементов в процессе плавки и литья слитков.A beryllium additive from 0.0001 to 0.002 wt.% provides increased manufacturability during casting due to the formation of a protective film that prevents oxidation and burnout of magnesium and other low-melting elements during the process of melting and casting ingots.
Введение по крайней мере одного элемента из группы, включающей кобальт, ниобий, никель, приводит к повышению характеристик кратковременной и длительной прочности при повышенной температуре. Совместное введение ниобия и кобальта при суммарном содержании не менее 0,15 масс. % позволяет обеспечить наилучшее сочетание высокой прочности при сохранении пластичности за счет твердорастворного упрочнения и формирования в структуре фаз Co2Al9. Кроме того, никель при наличии железа обеспечивает образование нерастворимых тугоплавких вторичных фаз FeNiAl2, а также при наличии марганца-образование фазы Mn3NiAl6, что приводит к повышению характеристик длительной прочности за счет торможения процессов движения дислокаций.The introduction of at least one element from the group including cobalt, niobium, nickel leads to an increase in short-term and long-term strength characteristics at elevated temperatures. Joint introduction of niobium and cobalt with a total content of at least 0.15 wt. % allows you to provide the best combination of high strength while maintaining ductility due to solid solution strengthening and the formation of Co 2 Al 9 phases in the structure. In addition, nickel, in the presence of iron, ensures the formation of insoluble refractory secondary phases FeNiAl 2 , and also in the presence of manganese, the formation of the Mn 3 NiAl 6 phase, which leads to an increase in long-term strength characteristics due to the inhibition of dislocation movement processes.
С целью модификации структуры слитков и обеспечения после деформации в полуфабрикатах нерекристаллизованной структуры в него может быть дополнительно введен скандий, который образует с алюминием соединения, являющиеся центрами кристаллизации при литье, обеспечивая мелкозернистую структуру в слитках.In order to modify the structure of the ingots and ensure a non-recrystallized structure in semi-finished products after deformation, scandium can be additionally introduced into it, which forms compounds with aluminum that are centers of crystallization during casting, providing a fine-grained structure in the ingots.
При совместном введении скандия с цирконием при гомогенизации и закалке образуются дисперсные частицы Al3(ScZr) и за счет дисперсионного твердения, а также за счет получения нерекристаллизованной структуры происходит дополнительное упрочнение сплава, при этом повышаются предел прочности и текучести, увеличивается пластичность.With the joint introduction of scandium with zirconium during homogenization and hardening, dispersed particles of Al 3 (ScZr) are formed and due to dispersion hardening, as well as due to the formation of a non-recrystallized structure, additional strengthening of the alloy occurs, while the tensile strength and fluidity increase, and ductility increases.
Также в качестве модификатора структуры слитка в сплав может быть дополнительно введен титан (не более 0,05 масс.%) с целью повышения технологической пластичности слитка при деформации.Also, titanium (no more than 0.05 wt%) can be additionally introduced into the alloy as a modifier of the ingot structure in order to increase the technological ductility of the ingot during deformation.
Пример осуществленияImplementation example
В условиях опытного производства методом полунепрерывного литья были отлиты круглые слитки диаметром 110 мм различных химических составов (приведены в таблице 1), проведен их гомогенизационный отжиг. Затем была проведена резка, обточка и прессование слитков с коэффициентом вытяжки >15 на полосу размером 8×45 мм. После прессования проводили закалку и искусственное старение по режиму Т1.Under pilot production conditions, round ingots with a diameter of 110 mm of various chemical compositions (shown in Table 1) were cast using the semi-continuous casting method, and their homogenization annealing was carried out. Then the ingots were cut, turned and pressed with a draw ratio >15 onto a strip measuring 8x45 mm. After pressing, hardening and artificial aging were carried out according to the T1 mode.
Механические свойства при растяжении прессованных полос (минимальные и максимальные значения) в продольном и поперечном направлении при температурах испытаний 20°С, 60°С и 70°С приведены в таблице 2. Испытания на растяжение проводили на круглых образцах при температуре 20°С по ГОСТ 1497, а при повышенной температуре в соответствии с ГОСТ 9651. Длительную прочность сплавов определяли по ГОСТ 10145 на цилиндрических образцах №20К, вырезанных в поперечном направлении, при температуре 60°С при разных напряжениях в диапазоне 560-600 МПа (таблица 3).The tensile mechanical properties of pressed strips (minimum and maximum values) in the longitudinal and transverse directions at test temperatures of 20°C, 60°C and 70°C are given in Table 2. Tensile tests were carried out on round samples at a temperature of 20°C according to GOST 1497, and at elevated temperatures in accordance with GOST 9651. The long-term strength of the alloys was determined according to GOST 10145 on cylindrical samples No. 20K, cut in the transverse direction, at a temperature of 60 ° C at different stresses in the range of 560-600 MPa (Table 3).
Как видно из сравнения механических характеристик полос, представленных в таблице 2, предлагаемый сплав при температурах испытаний 20°С и 60-70°С обладает на -5-10% повышенным временным сопротивлением и пределом текучести в сравнении с прототипом. При дополнительном введении скандия в сплав прочностные характеристики при 20-70°С в поперечном направлении повышаются на 20-40 МПа.As can be seen from a comparison of the mechanical characteristics of the strips presented in Table 2, the proposed alloy at test temperatures of 20°C and 60-70°C has a -5-10% increased tensile strength and yield strength in comparison with the prototype. With the additional introduction of scandium into the alloy, the strength characteristics at 20-70°C in the transverse direction increase by 20-40 MPa.
Из таблицы 3 видно, что при испытаниях на длительную прочность при температуре 60°С образцы из предлагаемого сплава выдержали 1000 часов при напряжениях 580-590 МПа, в отличие от прототипа, длительная прочность которого составила 325-530 часов при данных напряжениях.From Table 3 it can be seen that when tested for long-term strength at a temperature of 60°C, samples from the proposed alloy withstood 1000 hours at stresses of 580-590 MPa, in contrast to the prototype, the long-term strength of which was 325-530 hours at these stresses.
Claims (12)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2804669C1 true RU2804669C1 (en) | 2023-10-03 |
Family
ID=
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2337986C2 (en) * | 2006-09-14 | 2008-11-10 | Региональный общественный фонд содействия защите интеллектуальной собственности | Alloy on aluminium basis and product made of it |
RU2553781C1 (en) * | 2014-03-07 | 2015-06-20 | Закрытое акционерное общество "Военно-промышленная инвестиционная группа "ВИЛС" | High-strength heat-treatable aluminium alloy and article made thereof |
CN104862556A (en) * | 2014-02-26 | 2015-08-26 | 成都智利达科技有限公司 | High-strength stress corrosion-resistant aluminum alloy for aviation and spaceflight and preparation method thereof |
WO2017077137A2 (en) * | 2015-11-06 | 2017-05-11 | Innomaq 21, S.L. | Method for the economic manufacturing of metallic parts |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2337986C2 (en) * | 2006-09-14 | 2008-11-10 | Региональный общественный фонд содействия защите интеллектуальной собственности | Alloy on aluminium basis and product made of it |
CN104862556A (en) * | 2014-02-26 | 2015-08-26 | 成都智利达科技有限公司 | High-strength stress corrosion-resistant aluminum alloy for aviation and spaceflight and preparation method thereof |
RU2553781C1 (en) * | 2014-03-07 | 2015-06-20 | Закрытое акционерное общество "Военно-промышленная инвестиционная группа "ВИЛС" | High-strength heat-treatable aluminium alloy and article made thereof |
WO2017077137A2 (en) * | 2015-11-06 | 2017-05-11 | Innomaq 21, S.L. | Method for the economic manufacturing of metallic parts |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20190040501A1 (en) | Nickel-cobalt alloy | |
AU2005205736B2 (en) | Ni-Cr-Co alloy for advanced gas turbine engines | |
US6918972B2 (en) | Ni-base alloy, heat-resistant spring made of the alloy, and process for producing the spring | |
US20140283958A1 (en) | High Fracture Toughness Aluminum-Copper-Lithium Sheet or Light-Gauge Plates Suitable for Fuselage Panels | |
WO2011090451A1 (en) | CASTING ALLOY OF THE AIMgSI TYPE | |
US3343950A (en) | Nickel-chromium alloys useful in the production of wrought articles for high temperature application | |
US20240035138A1 (en) | Thick plates made of al-cu-li alloy with improved fatigue properties | |
US4711761A (en) | Ductile aluminide alloys for high temperature applications | |
JPS6132380B2 (en) | ||
EP0104738B1 (en) | Controlled expansion alloy | |
RU2804669C1 (en) | HIGH-STRENGTH ALUMINIUM ALLOY OF Al-Zn-Mg-Cu SYSTEM AND PRODUCTS MADE OF IT | |
US20080089805A1 (en) | Aluminium-Based Alloy And Moulded Part Consisting Of Said Alloy | |
EP0476043B1 (en) | Improved nickel aluminide alloy for high temperature structural use | |
RU2749073C1 (en) | Heat-resistant cast deformable aluminum alloys based on al-cu-y and al-cu-er systems (options) | |
EP0092397A1 (en) | Nickel-chromium-molybdenum alloy | |
US3540881A (en) | High temperature ferrous alloy containing nickel,chromium and aluminum | |
JP2004516385A (en) | Non-age-hardening aluminum alloy used for structural materials | |
RU2745595C1 (en) | Cast aluminum alloy | |
JPH06287667A (en) | Heat resistant cast co-base alloy | |
RU2588949C1 (en) | ALLOY BASED ON INTERMETALLIC COMPOUND Ni3Al AND ARTICLE MADE THEREFROM | |
US3166406A (en) | Alloy for elevated temperatures | |
JP2017137534A (en) | Nickel-based alloy | |
US3005704A (en) | Nickel base alloy for service at high temperatures | |
RU2327757C2 (en) | Aluminium base alloy and product made out of it | |
JP4058398B2 (en) | Aluminum alloy forging with excellent high-temperature fatigue strength |