Разработка научных основ для получения сверхпластичных листов Al-Mg-Mn-Zr сплава большого размера с ультрамелкозернистой структурой

Термически неупрочняемые алюминиевые сплавы системы Al-Mg (15XX по отечественной классификации) получили широкое распространение в качестве листов благодаря сочетанию прочностных свойств, низкому весу и коррозионной стойкости. Основным недостатком этих сплавов является невысокий предел текучести. Повышение предела текучести достигается за счет упрочнения термомеханической обработкой, включающей холодную прокатку и последующий стабилизирующий отжигом. Другим способом повысить прочность листов из этих сплавов является формирование ультрамелкозернистой структуры. В настоящее время существует два способа получить такую структуру. Во первых, ультрамелкозернистая структура в листах Al-Mg сплава может быть получена методом РКУП с пересекающимися каналами, которые в поперечном сечении имеют прямоугольную форму, с последующей прокаткой. Ультрамелкозернистая структура получается при РКУП и сохраняется при прокатке. Размер зерен такой структуры составляет около 1 мкм. Другим способом получения листов с ультрамелкозернистой структурой являетсятермомеханическая обработку, основанную на сочетании холодной прокатки и рекристаллизационных отжигах. В стандартных сплавах системы Al-Mg типа AA5083 термомеханическая обработка обеспечивает получение структуры с размером зерен ≥10 мкм. Уменьшение размера зерен достигается совершенствованием режимов термомеханической обработки и применением новых сплавов системы Al-Mg, специально разработанных для получения в нихмелкозернистой структуры. Так в сплаве АА5182 удалось получить структуру с размером зерен 7 мкм, а авторы проекта разработали сплав Al-Mg-Mn-Zr, в котором удалось получить структуру размером 2.8 мкм. Кроме проблемы получения высокопрочных полуфабрикатов из сплавов системы Al-Mg, существует проблема изготовления из них высокопрочных неразъемных конструкций. Одним из таких способов является сверхпластическаяформовка, которая экономически оправдана для производства изделий от 100 до 10 000 в год в зависимости от размера и формы. Сверхпластическая деформация имеет место при определенных сочетаниях повышенной температуры и скорости деформирования, при которых наблюдается равномерное пластическое течение материала вплоть до удлинений 2000% и более без разрушения. Данный метод позволяет получать детали и элементы конструкций любых сложных форм и используется для изготовления элементов конструкций сложной формы из легких сплавов в транспортной и аэрокосмической промышленности. Низкие напряжения течения в процессе сверхпластической деформации позволяют осуществлять сверхпластическую формовку с использованием сжатого воздуха. Однако, данный метод выдвигает серьезные требования к зеренной структуре. Сверхпластическая деформация возможно лишь в материале с размером зерна меньше 10 мкм, причем эта структура должна быть устойчива к воздействию высоких температур и сверхпластической деформации. Наибольшие сверхпластичные удлинения получаются в листах с более однородной структурой и меньшим размером зерен, которая не склонна к росту при сверхпластической деформации. Использование традиционных методов термомеханической обработки полуфабрикатов и расплавных методов их соединения не позволяют получать в материале структуры с подобным размером зерна.Одним из ограничений для использования данного процесса является относительное небольшое количество сверхпластичных алюминиевых сплавов и небольшие размеры сверхпластичных листов. В рамках данного проекта планируется разработать научные основы для получения сверхпластичных листов, причем с ультрамелкозернистой структурой, которую планируется получить двумя вышеуказанными способами. Во-первых, РКУП с сечением каналов в форме с прямоугольным сечением с последующей прокаткой. Во вторых, традиционной термомеханической обработкой. В качестве материала исследования будет использован специально разработанный Al-Mg-Mn-Zr сплав и специальная технология его термической обработки, которые позволяют получать однородную структуру с размером зерен 1 мкм и 2,8 мкм, соответственно.Кроме того, Существует достаточно распространенный метод формирования мелкозернистой или ультрамелкозернистой структуры – интенсивная пластическая деформация (ИПД). Равноканальное угловое прессование (РКУП) является наиболее подходящим методом ИПД, позволяющим получать объемные заготовки с ультрамелкозернистой структурой. За счет значительного измельчения структуры вплоть до 1 мкм и ниже прочностные свойства полуфабрикатов возрастают до значений, недоступных при традиционной термомеханической обработки.При этом сохраняются высокая пластичность и отличные коррозионные свойства. Кроме того, измельчение структуры приводит к появлению отличных сверхпластических свойств в алюминиевых сплавах системы Al-Mg. К сожалению, соединение полуфабрикатов традиционными расплавными методами, например, аргонодуговой или лазерной сваркой с сохранением измельченной структуры и свойств невозможно из-за вышеописанных недостатков.Сварка трением с перемешиванием (СТП) лишена всех этих недостатков. По сути СТП является методом интенсивной пластической деформации. В результате в сварном шве формируется мелкозернистая или ультрамелкозернистаяструктура. За счет относительно низких действующих температур процесса и небольшого времени воздействия влияние СТП на частицы вторых фаз минимально. Варьирование режимов СТП позволяет контролировать размеры зерна в шве и размеры частиц вторых фаз, что позволяет получать сварное соединение с заданными свойствами и требуемым уровнем прочностных свойств в очень широком диапазоне.Сочетание РКУП с последующей прокаткой для получения высокопрочных листов, а также специальной термомеханической обработки для получения таких листов с несколько большим размером зерен сов СТП для создания практически равнопрочных соединений с однородной структурой во всех зонах этих полуфабрикатов позволит изготавливать высокопрочные неразъемные конструкции в различных областях промышленности, включая судо- и авиастроение, строительство и транспортную промышленность. Благодаря измельчению структуры сварное соединение может демонстрировать сверхпластические свойства при определенных условиях. Это открывает новые возможности получения сложных деталей и элементов конструкций со сложной геометрией и поверхностью. Несмотря на преимущества, которые открываются при использовании материалов с ультрамелкозернистой структурой, процессы формирования структуры и фазовых превращений в сплавах системы Al-Mg с ультрамелкозернистой структурой является слабо изученной областью. Не изучено также и термическая стабильность структуры в сварном соединении. Особенно это касается зоны термомеханического воздействия. Слабо изучено сверхпластическое поведение шва, полученного методом сварки трением с перемешиванием, сплавов системы Al-Mg и полностью отсутствуют исследования по сверхпластическому поведению сварного соединения, включающего в себя все зоны сварного шва. Почти нет данных по влиянию сверхпластической деформации листов, соединенных СТП, на механические свойства после сверхпластической деформации. Крупногабаритные листы с ультрамелкозернистой структурой будут получены соединением сваркой трением с перемешиванием (СТП) листов меньшего размера, полученных по рассмотренным выше технологиям. СТП приводит к образованию ультрамелкозернистой структуры в сварном шве, параметры которой несколько отличаются от параметров аналогичной структуры, формирующейся при РКУП. Размер зерен оказывается большим, а плотность дислокаций меньше. СТП может приводить к росту размера дисперсных частиц вторых фаз, что критически важно для целого ряда Al-Mg сплавов, не содержащих Sc. Кроме того, в зоне термомеханического воздействия в определенных местах сварного шва могут формироваться частично рекристаллизованные структуры. Сверхпластическая деформация образцов, вырезанных поперек сварного шва, так же будет иметь свои особенности поскольку деформироваться будет структурно неоднородный материал. При сверхпластической деформации всегда происходит рост зерен. Распределение дисперсных частиц Al-Mg-Mn-Zr сплава будет подобрана таким образом за счет термической обработки, чтобы подавить его. Сохранение мелкого размера зерна важно для получения высоких прочностных свойств после сверхпластической формовки. В то же время, распределение дисперсных частиц в этом сплаве не эффективно против аномального роста зерен при рекристаллизационных отжигов. Это явление можно устранить только за счет недопущения формирования сильно неоднородных структур при СТП. Актуальность проекта обусловлена разработкой научных основ производства листов большого размера из Al-Mg-Mn-Zr сплава с ультрамелкозернистой структурой. Научная новизна будет следующая.1. Будет изучено структурообразование в листах с ультрамелкозернистой структурой при СТП. Сравнение СТП листа с размером зерна ~1 мкм с листом с размером зерна ~2.8 мкм позволит получить понять как формируется структура в зоне термомеханического воздействия в том случае, когда СТП, которая обеспечивает формирование структуры в шве с размером зерен около 1.4 мкм, приводит к формированию более крупного и меньшего размера зерна.2. Будут установлены механизмы пост-динамической и статической рекристаллизации в зонах сварного шва, термомеханического воздействия и основного материала. Применение двухсторонней СТП позволит избежать аномального роста зерен в нижней части сварного шва. Соответственно, ожидается, что в зоне сварного шва и основного материала ожидается непрерывный (нормальный) рост зерен (собирательная рекристаллизация), а в зоне термомеханического воздействия прерывистый (аномальный) рост зерен (вторичная рекристаллизация). Последний феномен наблюдается редко в алюминиевых сплавах и его исследование имеет самостоятельное научное значение.3. Будут выявлены особенности и механизмы сверхпластической деформации структурно неоднородных материалов при низких температурах. В предыдущих работах было установлено, что максимальные сверхпластические удлинения разработанный Al-Mg-Mn-Zr сплав демонстрирует при температуре 350оС. Существенно превышать эту температуру не планируется, поскольку это приведет к сильному росту зерен. Дисперсные частицы разработанного сплава эффективны в подавлении непрерывного роста при Т≤400оС.4. Будут установлены механические свойства листов сплава Al-Mg-Mn-Zr до и после сверхпластической структуры. Будут определены механизмы, ответственные за 2-х кратное повышение предела текучести в этом сплаве с ультрамелкозернистой структуры.