Кушнарьова Ольга Сергіївна. Особливості структури та конструктивна міцність зварних з'єднань алюмінієвих сплавів системи легування Cu-Li-Sc

Короткий опис

Кушнарьова Ольга Сергіївна. Особливості структури та конструктивна міцність зварних з'єднань алюмінієвих сплавів системи легування Cu-Li-Sc.- Дис. канд. техн. наук: 05.02.01, НАН України, Ін-т електрозварювання ім. Є. О. Патона НАН України. - Київ, 2014.- 189 с.

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ
Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины

На правах рукописи

КУШНАРЕВА
Ольга Сергеевна

УДК 620.22:620.187.3:621.791:669

ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ И КОНСТРУКТИВНАЯ ПРОЧНОСТЬ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ ЛЕГИРОВАНИЯ Cu–Li–Sc

Специальность 05.02.01 – материаловедение

Диссертация
на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:
Маркашова Людмила Ивановна
доктор технических наук,
профессор

Киев – 2014

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
РАЗДЕЛ 1. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О СТРУКТУРНЫХ ОСОБЕННОСТЯХ И СВОЙСТВАХ СЛОЖНОЛЕГИРОВАННЫХ АЛЮМИНИЕВО-ЛИТИЕВЫХ СПЛАВОВ И ИХ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
1.1. Структурно-фазовые превращения в алюминиево-литиевых сплавах при технологических нагревах
1.2. Особенности влияния легирующих элементов на структуру и фазовый состав многокомпонентных алюминиево-литиевых сплавов
1.2.1. Влияние меди на структуру и фазовый состав алюминиево-литиевых сплавов
1.2.2. Легирование алюминиево-литиевых сплавов переходными металлами (Zr, Sc)
1.3. Роль температурно-деформационного воздействия на структуру и свойства алюминиево-литиевых сплавов
1.4. Сварка алюминиево-литиевых сплавов
1.5. Взаимосвязь структуры и механических свойств алюминиево-литиевых сплавов
1.6. Факторы, определяющие надежность сварных соединений
1.6.1. Дисперсионное упрочнение (твердение) алюминиевых сплавов
1.6.2. Характеристики разрушения сложнолегированных алюминиево-литиевых сплавов
1.6.3.Оценка внутренних напряжений при определении склонности алюминиевых сплавов к разрушению
1.7. Постановка задачи исследования
РАЗДЕЛ 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1. Краткая характеристика материалов
2.2. Технология аргонодуговой сварки алюминиевого сплава
2.3. Механические испытания исследуемых образцов
2.4. Методы исследования
2.4.1. Подготовка образцов для исследования
2.4.2. Световая микроскопия (металлография)
2.4.3. Аналитическая растровая электронная микроскопия
2.4.4. Трансмиссионная электронная микроскопия
РАЗДЕЛ 3. СТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ АЛЮМИНИЕВО-ЛИТИЕВОГО СПЛАВА 1460, ПОЛУЧЕННЫХ СВАРКОЙ С ПРИСАДОЧНОЙ ПРОВОЛОКОЙ Св1201 ПРИ ДОПОЛНИТЕЛЬНОМ ЛЕГИРОВАНИИ СКАНДИЕМ
3.1. Структурные изменения, распределение легирующих элементов и характер фазовых выделений в металле шва и ЗТВ сварных соединений алюминиево-литиевого сплава
3.2. Тонкая структура, формирующаяся в сварном соединении алюминиевого сплава 1460
Выводы
РАЗДЕЛ 4. ВЛИЯНИЕ ТЕРМООБРАБОТКИ НА СТРУКТУРУ И ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В МЕТАЛЛЕ ШВА И ЗТВ СОЕДИНЕНИЙ АЛЮМИНИЕВО-ЛИТИЕВОГО СПЛАВА ЛЕГИРОВАНЫХ СКАНДИЕМ
4.1. Структурные изменения в сварном соединении в зависимости от термообработки в результате легирования
4.2. Влияние термообработки на характер распределения легирующих элементов и морфологию фаз в металле шва и ЗТВ сварных соединений
4.3. Тонкая структура сварных соединений различного легирования после термообработки
Выводы
РАЗДЕЛ 5. АНАЛИТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ СТРУКТУРЫ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ АЛЮМИНИЕВО-ЛИТИЕВОГО СПЛАВА 1460 ЛЕГИРОВАНЫХ СКАНДИЕМ
5.1. Подходы, положенные в основу оценки величины упрочнения с учетом структурных факторов
5.2. Количественная аналитическая оценка предела текучести сварных соединений алюминиево-литиевого сплава
5.3. Аналитическая оценка изменения предела текучести сварного соединения сплава 1460
5.4. Оценка предела прочности
5.5. Аналитическая оценка коэффициента интенсивности напряжений
5.6. Оценка уровня локальных внутренних напряжений для определения трещиностойкости сварных соединений алюминиево-литиевого сплава
Выводы
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
Существует постоянная востребованность в сверхлегких материалах, используемых в авиационной и аэрокосмической технике, где необходимо иметь сплавы с высоким уровнем удельной прочности, пластичности и трещиностойкости в сложных эксплуатационных условиях. К таким материалам относятся алюминиево-литиевые сплавы, обладающие, помимо отмеченных характеристик, высокими свойствами при криогенных температурах.
Литий является самым легким элементом (удельная масса 536 кг/м3), каждый процент которого снижает плотность алюминия на 3% и повышает модуль упругости на 6%. Однако, ряд функциональных свойств сложнолегированных алюминиево-литиевых сплавов (прочностные характеристики, вязкость разрушения, трещиностойкость, сопротивление внешним нагрузкам) резко изменяются в процессе изготовления конструкций и при их эксплуатации, что в основном связывают с особыми структурными и фазовыми превращениями этих материалов в условиях различных технологических операций, в том числе при сварке.
Наиболее перспективным, с точки зрения повышения прочностных свойств и улучшения свариваемости материалов на алюминиевой основе, является легирование их скандием, который выступает в качестве модификатора структуры и упрочнителя металла.
Основное практическое преимущество алюминиевых сплавов со скандием – заключается в высокой прочности, пластичности, коррозионной стойкости, трещиностойкости и надежности сварных узлов и деталей в сочетании с малой массой. Изделия из алюминиевых сплавов со скандием нашли применение в ответственных конструкциях, работающих в условиях значительных нагрузок, колебаний температуры, в агрессивных средах.
Основной вклад в разработку и исследование изменения свойств сложнолегированных алюминиевых сплавов, в том числе легированных переходными металлами, а также подходы к решению проблем свариваемости плавлением данных сплавов внесли М.Е. Дриц, В.Е. Елагин, И.Н. Фридляндер, В.В. Захаров, Ю.А. Филатов, В.И. Добаткин, Д.М. Рабкин, А.Я. Ищенко, Е.Н. Каблов, В.И. Лукин, А.В. Лозовская, Л.И. Маркашова и др.
Высокопрочные свариваемые алюминиево-литиевые сплавы являются перспективными для использования в сварных конструкциях при изготовлении баков для криогенного топлива в аэрокосмической технике. Баки больших ракет для жидкого кислорода и жидкого водорода изготавливаются в основном из сплава 1201 (американский аналог – сплав 2219). Сплав 1201 длительное время был единственным свариваемым сплавом, удовлетворительно работающим при криогенных температурах. Но у него существуют свои недостатки - низкая удельная прочность и низкое сопротивление усталости, которые не позволяют использовать его в новейших авиакосмических системах. Этот сплав имеет средний уровень прочности и не отвечает требованиям широкой востребованности. Поэтому в последние годы в мировой космонавтике возник повышенный интерес (переход) к алюминиево-литиевым сплавам.
Перспективным является использование вместо сплава 1201 (система Al-Cu) – 1460 (система Al-Cu-Li), который является одним из самых технологичных среди существующих алюминиево-литиевых сплавов. Алюминиевый сплав 1460 разрабатывался как высокопрочный свариваемый сплав для криогенной техники. Он технологичен в условиях горячей деформации (прокатке, прессовании, штамповке, ковке) в широком диапазоне температур и в этом он мало чем отличается от сплава 1201. Рассматриваемый сплав имеет значительно более высокий (на 20-30%) уровень прочностных свойств, чем сплав 1201, при практически равных значениях пластичности. Сплав 1460 обладает высокой прочностью при комнатной и криогенной температуре. При температуре жидкого водорода (20 К) прочностные свойства и пластичность всех видов полуфабрикатов из данного сплава одновременно повышаются. Сплав 1460 хорошо сваривается со сплавом 1201, обеспечивая возможность совместного использования обоих сплавов в одной конструкции. Применение высокопрочного свариваемого сплава 1460 вместо 1201 или в сочетании с ним позволяет снизить массу сварных конструкций на 20-25%, а масса самого бака снижается при этом на 37%.
Следует отметить, что при сварке алюминиево-литиевых сплавов сталкиваются с рядом технологических трудностей: повышенной склонностью сварного соединения к порообразованию, низкой сопротивляемостью образованию трещин в зоне сплавления, зависимостью пластичности сварного соединения от условий его использования. Все выше упомянутое связывают со структурно-фазовыми превращениями, которые происходят под влиянием технологических условий сварочного процесса, что обусловлено неравновесными условиями кристаллизации, металла шва и превращениями в зоне термического влияния. В сложнолегированном алюминиево-литиевом сплаве следует ожидать усложнения фазового состава, поскольку подобного типа сплавы относятся к стареющим материалам, которые, как правило, отличаются особой сложностью фазовых и структурных превращений в процессе термического воздействия при различных режимах термообработки. Требуемые свойства сварных соединений обеспечиваются получением необходимой микроструктуры в процессе различных технологических операций.
Интересными для изучения являются изменения механических свойств сварных соединений из сложнолегированных алюминиевых сплавов (в случае введения скандия в присадочную проволоку), обусловленные термообработкой, которые связаны с влиянием морфологии основных структурных составляющих, в частности, с изменением фазового состава.
Учитывая сложность структуры и фазового состава рассмотренных алюминиевых сплавов, особенно – процессов фазообразования в различных условиях термодеформационного воздействия, представляется актуальным провести анализ вклада различных структурных и фазовых составляющих в механизм изменения наиболее значимых для эксплуатационных условий механических характеристик. Важно также исследование влияния структурных и фазовых характеристик сварных соединений на процессы накопления внутренних напряжений, поиск путей их пластической релаксации, что является показателем трещиностойкости деформированного материала особенно в сложных динамических условиях эксплуатации.
Связь работы с научными программами, планами, темами
Работа выполнена в отделе физико-химических методов исследования материалов Института электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины по планам научно-исследовательских работ: тема 7/33 «Разработка и исследование свариваемости новых конструкционных и функциональных материалов – высокопрочных алюминиевых сплавов, дисперсных и шарообразных алюмокомпозитов, технологий производства из них конструкций ответственного назначения», тема 22/13 «Усовершенствовать методики эксперимента, исследовать физико-химические процессы и изучить их влияние на структурно-фазовый состав и свойства при формировании слитков, сварных соединений и покрытий», тема 22/1 «Инструментальными методами физического металловедения и аналитической химии исследовать распределение и концентрацию легирующих элементов, добавок и газов, особенности структуры и структурных превращений, а также кинетику образования новых фаз в сварных швах, зоне термического влияния и газотермических покрытиях».
Цель исследования
Изучить особенности структурно-фазовых изменений в сварных соединениях алюминиево-литиевого сплава 1460 при дополнительном легировании скандием, выполненных аргонодуговой сваркой, и разработать рекомендации по управлению соотношением прочности и пластичности путем оптимизации структуры и фазового состава.
Задачи исследования
1. Проанализировать существующие представления о закономерностях формирования структуры, фазового состава сварных соединений алюминиево-литиевых сплавов при различном легировании.
2. Исследовать влияние легирования скандием присадочной проволоки на особенности структуры и фазового состава металла шва и зоны термического влияния сварных соединений алюминиевых сплавов системы легирования Cu-Li-Sc.
3. Рассмотреть фазовые превращения, протекающие в сварных соединениях алюминиевого сплава при различных режимах термообработки, установить факторы, ответственные за изменение структуры и их физико-механические свойства.
4. Выполнить аналитическую оценку прочностных характеристик (Т, В) и вязкости разрушения сварных соединений сплава 1460 в состоянии после сварки и термообработки с учетом влияния структурных факторов: химического состава, зеренной, субзеренной, дислокационной структуры, фазовых выделений (их размера и объемной доли) с использованием присадочной проволоки различного легирования.
5. Изучить особенности дислокационной структуры, характер распределения и уровень локализованной пластической деформации в металле шва и зоне термического влияния, а также формирование концентраторов локальных внутренних напряжений – очагов зарождения трещин.
Объект исследования
Сварные соединения алюминиево-литиевого сплава 1460, полученные аргонодуговой сваркой в зависимости от характера легирования присадочной проволоки (со скандием и без) в состоянии после сварки и термообработки (старения, отжига), а также в результате внешнего воздействия при нагрузке.
Предмет исследования
Процессы формирования структурных и субструктурных элементов, особенности образования фаз, дислокационная структура и их влияние на уровень прочности, локальные внутренние напряжения и сопротивление хрупкому разрушению сварных соединений алюминиево-литиевого сплава 1460 в зависимости от наличия скандия в присадочной проволоке (с введением скандия и без него) после различных технологических операций.
Методы исследования
Экспериментальные методы физического металловедения – световая, аналитическая растровая и просвечивающая электронная микроскопия; методы количественной металлографии для определения параметров структурных составляющих: размера зеренной, субзеренной структуры, фазовых образований и определение скалярной плотности дислокаций; распределения химических элементов в зоне сварки и идентификацию выделений проводили методами рентгеновского микроспектрального, рентгеноструктурного и микродифракционного анализа; методы статистической обработки результатов экспериментов.
Научная новизна полученных результатов
1. Впервые установлено, что увеличение уровня служебных свойств сварных соединений дисперсионно твердеющего алюминиевого сплава 1460, полученных аргонодуговой сваркой с использованием присадочной проволоки, содержащей 0,5% скандия, достигается выделением упрочняющих фаз со скандием, их соотношением и морфологией.
2. Показано, что в сварных соединениях сплава 1460, легированных скандием, после отжига (350 С, 1 ч) увеличение предела текучести обеспечивается механизмами дисперсионного и субзеренного упрочнения, которые определяются выделением дисперсных частиц со скандием Al3Sc, Al3(Sc,Zr) и двухслойных частиц, состоящих из ядра Al3Sc и оболочки Al3Li.
3. Впервые обнаружено, что повышение трещиностойкости в процессе отжига сварных соединений сплава 1460 обусловлено фрагментацией структуры за счет формирования в металле шва дисперсных композитных выделений пластинчатого типа на основе фазы Al2Cu со скандием
4. Установлено, что в сварных соединениях сплава 1460, легированного скандием, после отжига вдоль межзеренных границ образуются дисперсные фазы Al3Sc, которые подавляют образование в приграничных областях так называемых «зон свободных от выделений», что положительно влияет на их механические свойства.
Практическое значение полученных результатов
1. Предложенная аналитическая оценка позволяет выявить вклад отдельных структурных составляющих в упрочнение металла шва и ЗТВ и прогнозировать повышение прочностных характеристик сварных соединений алюминиево-литиевого сплава 1460 при использовании присадочной проволоки, легированной скандием.
2. Использование скандия в качестве легирующего элемента сварных соединений сплава 1460, полученных аргонодуговой сваркой, после отжига (Т=350 С, 1 ч) позволяет повысить прочностные характеристики за счет дисперсионного и субзеренного упрочнения.
3. Рекомендованная термообработка позволяет повысить механические свойства сварных соединений, легированных до 0,5% скандием, и предложить данный конструкционный сплав для изготовления баков криогенного топлива.
Личный вклад соискателя
Все основные результаты экспериментальных исследований и аналитических оценок получены лично автором или при его непосредственном участии. Совместно с руководителем соискатель принимал участие в постановке цели работы, изучении способов ее достижения, планировании и проведении экспериментов, подготовке материалов для публикаций.
При непосредственном участии автора были проведены:
- металлографические исследования и концентрационные изменения металла сварных соединений алюминиевых сплавов в зависимости от степени легирования скандием присадочной проволоки как после сварки, так и после термообработок;
- исследование структурно-фазового состава и дислокационных изменений в сварных соединениях сплава 1460 при различном легировании после разных технологических операций;
- на основе экспериментальных данных о структурных параметрах выполнена аналитическая оценка предела текучести, прочности, вязкости разрушения в металле шва сварных соединений;
- исследование структурных изменений металла сварных соединений с разным легированием присадочной проволоки после воздействия внешних нагрузок и надана аналитическая оценка механических свойств и локальных внутренних напряжений.
Апробация результатов диссертации
Отдельные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: III-VI Всеукраинских научно-технических конференциях молодых ученых и специалистов «Сварка и родственные технологии» (г. Киев, ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, 2005 г., 2007 г., 2009 г., 2011 г.); на международной математической конференции «Математическое моделирование и информационные технологии в сварке и родственных процессах» (пос. Кацивели, Крым, ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, Киев, 2006 г., 2008 г., 2012 г.); на международной конференции «HighMatTech», (г. Киев, 2007 г.); на международной конференции «Сварка и родственные технологии – в третьем тысячелетии» (г. Киев, ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, 2008 г.), на 4-й международной конференции «Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій» (г. Львов, 2009 г.); на 51-й международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (г. Харьков, 2011 г.); на III международной конференции «Космические технологии: настоящее и будущее» (г. Днепропетровск, 2011 г.); на международной научно-технической конференции «Проблемы современного материаловедения» («Стародубовские чтения», г. Днепропетровск, 2012 г.); на международной конференции «Сварка и родственные технологии – настоящее и будущее» (г. Киев, ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ, 25-26 ноября 2013 г.).

Список літератури

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
1. Совокупность теоретических положений и практических разработок, представленных в диссертации, может быть квалифицирована как решение важной научно-технической задачи в области материаловедения, которая заключается в обеспечении надежного качества сварных соединений алюминиевых сплавов системы легирования Cu–Li–Sc.
2. Установлено, что для сварных соединений алюминиевого сплава 1460, в случае легирования скандием (0,5%) присадочной проволоки, после аргонодуговой сварки наблюдается измельчение зеренной структуры, а наиболее существенные структурно-фазовые изменения имеют место после отжига при Т=350 С, 1 ч, что проявляется в диспергировании субзеренной структуры, увеличении плотности дислокаций, активации процессов образования дисперсных фаз со скандием во внутренних объемах зерен.
3. Показано, что в сварном соединении, легированного скандием, в результате отжига внутри зерен формируются сложные по морфологии (глобулярные, пластинчатые) и составу фазовые образования композитного типа: двухслойные фазы (ядро – Al3Sc, оболочка – Al3Li), а также фазы на основе Al2Cu с 15…40% Al3Sc, которые способствуют фрагментации структуры и блокированию полос сдвига при внешнем динамическом нагружении и обеспечивают повышение трещиностойкости соединений.
4. Установлено, что отжиг сварного соединения, легированного скандием, при Т=350 С, 1 ч, способствует уменьшению объемной доли, размеров и дроблению зернограничных эвтектик, а также заполнению дисперсными фазами со скандием характерных и проблемных для алюминиево-литиевых сплавов областей вдоль межзеренных границ – зон свободных от выделений, что и предотвращает развитие трещин в соответствующих зонах.
5. Аналитическими оценками дифференцированного вклада структурно-фазовых параметров в изменение прочностных характеристик сварных соединений, легированных скандием, показано: после сварки наибольший вклад в повышение предела текучести вносит зеренное упрочнение, а после отжига – дисперсионное (в основном за счет частиц Al2Cu и Al3Sc) и субструктурное упрочнение.
6. Установлено, что при введении скандия для металла шва после отжига характерно равномерное распределение плотности дислокаций, общее измельчение субструктуры, что способствует снижению (в 4 раза) уровня локальных внутренних напряжений по сравнению с состоянием без скандия, и создает возможности пластической релаксации нарастающих внутренних напряжений в сложных эксплуатационных условиях.
7. Результаты выполненных исследований показали, что применение термообработки сварных соединений алюминиевого сплава системы легирования Cu–Li–Sc при Т=350 С, 1 ч позволяет получать наиболее оптимальные структурные параметры металла шва и ЗТВ (размер зерна и субструктуры, плотность дислокаций, размеры и объемную долю выделяющихся фаз и их состав) и обеспечивать наиболее надежную конструктивную прочность соединений.

ЛИТЕРАТУРА
1. Фридляндер И.Н. Алюминий – литиевые сплавы. Структура и свойства / И.Н. Фридляндер, К.В. Чуистов, А.Л. Березина, Н.Н. Колобнев – Киев: Наукова думка, 1992. – 192с.
2. Арзамасов Б.Н. Конструкционные материалы. Справочник / Б.Н. Арзамасов, В.А. Брострем, Н.А. Буше и др.. Под ред. Б.Н. Арзамасова – Москва: Машиностроение, 1990. – 688с.
3. Дюмолт С.Д. Влияние сварки на микроструктуру термически обрабатываемого сплава 2219 / С.Д. Дюмолт, Д.Е. Лафлин, Дж.К. Вильямс // Сварка алюминиевых сплавов криогенного и общего назначения: Материалы сов.-амер. семинара. – Киев: Наукова думка, 1984. – С. 58–62.
4. Дриц А.М. Результаты исследований свариваемости высокопрочных сплавов системы Al-Cu-Li-Mg, легированных серебром, скандием и цирконием / А.М. Дриц, В.В. Овчинников // Технология легких сплавов. – 2011. – №1. – С. 29–38.
5. Машиностроение. Энциклопедия. Цветные металлы и сплавы. Конструкционные металлические материалы / Под общ. ред. И.Н. Фридляндера – Москва: Машиностроение, 2001. – 880с.
6. Захаров В.В. Некоторые проблемы использования алюминиево-литиевых сплавов / В.В. Захаров // Металловедение и термическая обработка металлов. – 2003. – №2. – С. 8–14.
7. Давыдов В.Г. Исследования ВИЛСа в области повышения свойств качества и технологичности полуфабрикатов из алюминиевых сплавов / В.Г. Давыдов, В.И. Елагин, В.В. Захаров // Технология легких сплавов. – 2001. – №5–6. – С. 6–16.
8. Давыдов В.Г. Исследование ОАО ВИЛС в области алюминиево-литиевых и алюминиево-скандиевых сплавов / В.Г. Давыдов, В.И. Елагин, В.В. Захаров // Технология легких сплавов. –1997. – №5. – C. 41–44.
9. Фридляндер И.Н. Рентгенографическое исследование выделения δ-фазы при старении сплава 1430 / И.Н. Фридляндер, В.И. Комарова, Н.И. Колобнев и др. // Технология легких сплавов. – 1994. – №3/4. – С. 18–26.
10. Ищенко А.Я. Особенности применения алюминиевых высокопрочных сплавов для сварных конструкций / А.Я. Ищенко // Автоматическая сварка. – 2004. – №9. – С. 16–26.