ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Развитие авиационной и аэрокосмической промышленности связанно с применением в конструкциях и изделиях современных высокопрочных алюминиевых сплавов. При этом предпочтение отдаётся алюминиево-литиевым сплавам системы Al-Mg-Li, Al-Cu-Mg-Li, Al-Cu-Li обладающие пониженной плотностью по сравнению с традиционными сплавами за счет применения Li. При создании пассажирских широкофюзеляжных самолетов применяется как технология заклепочного соединения деталей, при которой используется приблизительно миллион заклепок, так и прогрессивная технология лазерной сварки. Стоит отметить, что на данном этапе развития, технология заклёпочного соединения, уступает лазерной сварке, обеспечивающей большую эффективность и производительность процесса, полную автоматизацию, универсальность и экологическую чистоту. Однако прочность сварных соединений выполненных сваркой плавлением без дополнительной постобработки остается низкой. Целью работы является проведение сравнительных экспериментальных исследований лазерной сварки высокопрочных алюминиево-литиевых сплавов системы Al-Cu-Li, Al-Cu-Mg-Li и Al-Mg-Li, с последующей пост обработкой (закалка и закалка совместно со старением), для  получения высокопрочного сварного соединения. Установить влияние легирующих элементов входящих в состав алюминиевых сплавов на микроструктуру и механические характеристики. Результаты исследований. Проведен микроструктурный анализ и исследован химический состав сварных соединений алюминиево-литиевых сплавов. Показано существенное изменение свойств сварного шва при добавлении Mg или Cu в сплав. Установлено, что для сплавов 1420 и 1424 (системы Al-Mg-Li) термическая постобработка приводит к появлению четкой дендритной структуры, причем агрегаты присутствуют как внутри дендрита, так и явно выражена их локализация на границах дендритных зерен. Для сплавов 1441 система (Al-Cu-Mg-Li) и 1469 система (Al-Cu-Li), для которых характерно присутствие меди, такой локализации не наблюдается. С помощью электронной микроскопии обнаружены два типа агрегатов, имеющих принципиально различный химический состав. В одних, с относительно малой концентрацией и размерами до 10 мкм наблюдается существенное превышение количества редкоземельных элементов, прежде всего Zr и Sc. В других агрегатах, большое количество которых локализуется на границах дендритных зерен, для сплавов 1420 и 1424 химический состав близок к составу твердого раствора, тогда как для сплавов 1441 и 1469 (содержащих Cu) в темных агрегатах наблюдается повышенное содержание меди. Установлено, что применение комплексного метода для получения неразъемных соединений, включающего как лазерную сварку, так и термическую постобработку образцов позволило впервые выявить принципиальное отличие процессов кристаллизации систем Al-Mg-Li и Al-Cu-Li. Прочность сварных соединений выполненных лазерной сваркой, после полной термообработки, составила по отношению к основному сплаву: 0,91 для сплава 1420 (Al-Mg-Li); 0,95 для сплава 1424 (Al-Mg-Li); 0,94 для сплава 1441 (Al-Cu-Mg-Li); 0,8 для сплава 1469 (Al-Cu-Li).

1. Prasad N., Gokhale A., Wanhill R. Aluminum–lithium alloys: processing, properties, and applications. – Oxford: Butterworth-Heinemann, 2013. – 608 p.

2. Структура и свойства листов из высокопрочного алюминий-литиевого сплава В-1469 / Ю.Ю. Клочкова, Г.Г. Клочков, В.А. Романенко, В.И. Попов // Авиационные материалы и технологии. – 2015. – № 4. – С. 3–8. – doi: 10.18577/2071-9140-2015-0-4-3-8.

3. Thermally stable aluminum-lithium alloy 1424 for application in welded fuselage / I. Fridlyander, L. Khokhlatova, L. Khokhlatova, N. Kolobnev, K. Rendiks, G. Tempus // Metal Science and Heat Treatment. – 2002. – Vol. 44. – P. 3–8. – doi: 10.1023/A:1015359900319.

4. Rioja R.J., Liu J. The evolution of Al-Li base products for aerospace and space applications // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2012. – Vol. 43. – P. 3325–3337. – doi: 10.1007/s11661-012-1155-z.

5. Dursun T., Soutis C. Recent developments in advanced aircraft aluminium alloys // Materials and Design. – 2014. – Vol. 56. – P. 862–871. – doi: 10.1016/j.matdes.2013.12.002.

6. Ber L.B., Teleshov V.V., Ukolova O.G. Phase composition and mechanical properties of wrought aluminum alloys of the system Al-Cu-Mg-Ag-Xi // Metal Science and Heat Treatment. – 2008. – Vol. 50. – P. 220–227. – doi: 10.1007/s11041-008-9055-y.

7. Gazizov M., Kaibyshev R. Effect of over-aging on the microstructural evolution in an Al–Cu–Mg–Ag alloy during ECAP at 300°C // Journal of Alloys and Compounds. – 2012. – Vol. 527. – P. 163–175. – doi: 10.1016/j.jallcom.2012.02.144.

8. Solidification behaviour and the effects of homogenisation on the structure of an Al–Cu–Mg–Ag–Sc alloy / M. Gazizov, V. Teleshov, V. Zakharov, R. Kaibyshev // Journal of Alloys and Compounds. – 2011. – Vol. 509. – P. 9497–9507. – doi: 10.1016/j.jallcom.2011.07.050.

9. Gazizov M., Kaibyshev R. Kinetics and fracture behavior under cycle loading of an Al–Cu–Mg–Ag alloy // The Physics of Metals and Metallography. – 2016. – Vol. 117. – P. 725–734. – doi: 10.1134/S0031918X16050069.

10. Double-sided laser beam welded T-joints for aluminum-lithium alloy aircraft fuselage panels: effects of filler elements on microstructure and mechanical properties / B. Han, W. Tao, Y. Chen, H. Li // Optics and Laser Technology. – 2017. – Vol. 93. – P. 99–108. – doi: 10.1016/j.optlastec.2017.02.004.

11. Zhang X., Yang W., Xiao R. Microstructure and mechanical properties of laser beam welded Al–Li alloy 2060 with Al–Mg filler wire // Materials and Design. – 2015. – Vol. 88. – P. 446–450. – doi: 10.1016/j.matdes.2015.08.144.

12. Effect of heat treatment of the mechanical properties and corrosion resistance of welded joints in high-strength aluminium–lithium alloys / V.I. Lukin, E.N. Ioda, M.D. Panteleev, A.A. Skupov, M.A. Fomina, V.V. Ovchinnikov // Welding International. – 2017. – Vol. 31. – P. 477–480. – doi: 10.1080/09507116.2016.1268767.

13. Rongshi X., Xinyi Z. Problems and issues in laser beam welding of aluminum-lithium alloys // Journal of Manufacturing Processes. – 2014. – Vol. 16. – P. 166–175. – doi: 10.1016/j.jmapro.2013.10.005.

14. Laser beam welding of hard to weld al alloys for a regional aircraft fuselage design – first results / D. Dittrich, J. Standfuss, J. Liebscher, B. Brenner, E. Beyer // Physics Procedia. – 2011. – Vol. 12. – P. 113–122. – doi: 10.1016/j.phpro.2011.03.015.

15. Drits A.M., Ovchinnikov V.V. Weldability and properties of welds of high-strength aluminum alloys of the Al-Cu-Li system // Metal Science and Heat Treatment. – 2012. – Vol. 53. – P. 445–449. – doi: 10.1007/s11041-012-9413-7.

16. Harpreet S., Rajiv S.M. Aging kinetics of friction stir welded Al-Cu-Li-Mg-Ag and Al-Cu-Li-Mg alloys // Materials and Design. – 2016. – Vol. 110. – P. 60–71. – doi: 10.1016/j.matdes.2016.07.126.

17. A weldability study of Al–Cu–Li 2198 alloy / V. Calogero, G. Costanza, S. Missori, A. Sili, M.E. Tata // Metallurgist. – 2014. – Vol. 57. – P. 1134–1141. – doi: 10.1007/s11015-014-9858-6.

18. Investigation of the technology of laser welding of aluminum alloy 1424 / B.D. Annin, V.M. Fomin, V.V. Antipov, E.N. Ioda, E.V. Karpov, A.G. Malikov, A.M. Orishich, A.N. Cherepanov // Doklady Physics. – 2015. – Vol. 60. – P. 533–538. – doi: 10.1134/S1028335815120010.

19. Комплексное исследование лазерной сварки. высокопрочного сплава В-1469 / Б.Д. Аннин, В.М. Фомин, Е.В. Карпов, А.Г. Маликов, А.М. Оришич // Авиационные материалы и технологии. – 2016. – № 3. – С. 9–16. – doi: 10.18577/2071-9140-2016-0-3-9-16.

20. Laser welding of high-strength aluminium–lithium alloys with a filler wire / I.N. Shiganov, A.A. Kholopov, A.V. Trushnikov, E.N. Ioda, M.D. Panteleev, A.A. Skupov // Welding International. – 2017. – Vol. 31. – P. 481–486. – doi: 10.1080/09507116.2016.1268768.