Алюминиево-литиевые сплавы и сплавы с криоупрочнением

[Дмитрий В.]

Наперстянка пишет:

Литиевые сплавы используются при температуре не ниже -70 градусов.

Есть сплавы и для криогенных температур, серии 0146Х

[freinir]

Salo пишет:
Вот интересно, в авиации у нас алюминий-литиевые сплавы активно используются, а в ракетостроении кроме криоупрочняемого 1201 (Al-Cu-Mn) в баках третьей ступени Протона-М ничего не слышно.

В 1201 нет лития

[Salo]

Я его состав в своём сообщении указал.

[Наперстянка]

Дмитрий В. пишет:

Наперстянка пишет:

Литиевые сплавы используются при температуре не ниже -70 градусов.

Есть сплавы и для криогенных температур, серии 0146Х

   Это все с 2-х ступенчатой термообработкой, которую легко нарушить, скажем, лазерным лучом. А если добавлять медь, то получается сплав с сомнительным массовым-прочностным эффектом.

[Salo]

http://e.lanbook.com/journal/issue.php?p_f_journal=2072&p_f_year=2014&p_f_issue=5

Алюминий-литиевый сплав В-1461 системы Al-Cu-Li для криогенных температур
Колобнев Николай Иванович, Хохлатова Лариса Багратовна, Яковлев Николай Олегович, Оглодков Михаил Сергеевич

Исследованы механические свойства катаных полуфабрикатов из Al-Li-сплава В-1461 последнего поколения системы Al-Cu-Li и сварных образцов из них при температурах −196°C и +175°C. Сплав В-1461 и его сварные соединения обладают достаточно высоким уровнем механических свойств в широком температурном интервале. Сплав В-1461 превосходит по прочностным характеристикам криогенные сплавы АМг6, 1201 и сплав 1460 по ударной вязкости при комнатной и криогенной температурах.

[Salo]

http://www.findpatent.ru/patent/237/2371511.html

[Salo]

http://aluminium-guide.ru/alyuminievye-splavy-dlya-nizkix-temperatur/

Алюминиевый сплав 2090
Этот сплав относится к алюминиево-литиевым сплавам. Его формула (по средним значениям содержания): Al-2,7Cu-2,2Li-0,12Zr. Содержание лития – от 1,9 до 2,6 %. Криогенные свойства таких облегченных сплавов (плотность 2,59 г/см3) имеют большое значение для космической техники. Например, при изготовлении топливных баков для жидкого водорода. Наиболее выдающимся свойством алюминиевого сплава 2090 в состоянии Т81 является то, что предел текучести и временное сопротивление и относительное удлинение, а также вязкость разрушения с понижением температуры увеличиваются, причем независимо от продольной или поперечной ориентации образца для испытаний. Это свойство характерно и для некоторых других алюминиевых сплавов, например, 2219-Т87, но у сплава 2090-Т81 повышение механических свойств особенно велико.

[Наперстянка]

http://viam.ru/public/files/2010/2010-205673.pdf ВИ АМ/2010 -205673
 
 
Особенности структуры и свойств сварных
соединений алюминиевого сплава В 1469,
выполненных электронно - лучевой сваркой
 
 
Р.В. Егоров
 
В.В. Овчинников
 
доктор технических наук
 
В.С. Магнитов
 
кандидат технических наук
 
В.И. Лукин
 
доктор технических наук
 
Октябрь 2010  ....... В рамках данной работы исследовали микроструктуру сварных соединений
сплава В1469 на растровом электронном микроскопе при измерении
содержания легирующих элементов в исследуемой зоне. Микроструктура
основного металла имеет ярко выраженную слоистость с вытянутыми зернами в
направлении прокатки полосы. Содержание легирующих элементов в
исследуемой зоне сплава В1469 (%): 0,59 Mg; 0,45 Аg; 4,20 Сu и 0,12 Sc.
На рис. 5, а приведена микроструктура металла сварного шва,
содержащего в своем составе (%): 3,12 Сu; 0,40 Аg и 0,10 Sc. На расстоянии,
равном половине расстояния между центральной областью шва и линией
сплавления, содержание основных легирующих элементов практически не
изменяется (%): 3,13 Сu; 0,47 Аg и 0,14 Sc. Дополнительно в этой зоне
присутствует цирконий в количестве 0,33%. В обоих случаях литий методом
растровой электронной микроскопии не обнаруживается.
В металле шва вблизи линии сплавления наблюдается укрупнение зерен
(рис. 5, б) при увеличении содержания меди до 3,93%. Содержание
остальных элементов следующее (%): 95,44 Al; 0,11 Sc и 0,52 Аg.
На рис. 5, в приведена микроструктура зоны сплавления и
высокотемпературной области ЗТВ сварного соединения сплава В1469 (1–4 –
точки измерения содержания легирующих элементов). В табл. 4 приведено
содержание элементов в данных точках.
Таблица 4.
Точка замера Содержание элементов, %
Al Sc Cu Ag
1 98,10 0,15 1,54 0,30
2 93,46 0,18 5,75 0,61
3 96,95 0,11 2,51 0,43
4 96,31 0,03 3,17 0,52     ......  Механические свойства сварного соединения сплава В1469, полученного
ЭЛС при температуре испытаний -253°С: σ
в
=416 ÷ 462 (436) МПа;
α=25 ÷ 28 (26) град; KC U=46 ÷ 68 (59) Дж/см
2
 (в скобках указаны наиболее
вероятные значения).
Так как прочность полученного сварного соединения ниже прочности
сплава В1469, то для обеспечения равнопрочности в зоне сварного соединения
необходимо предусматривать увеличение сечения детали, аналогично тому, как
это делается в случае изготовления конструкций из сплава 1201.
Применение сплава В1469 вместо сплава 1201 позволит снизить массу
 
баковых сварных конструкций примерно на 10–12% за счет снижения
плотности материала и увеличения значений его предела текучести.
Выводы
Применение электронно-лучевой сварки для получения стыковых
соединений высокопрочного алюминиевого сплава В1469 позволяет
обеспечить прочность сварных соединений на уровне 0,55–0,60 прочности
основного металла в термообработанном состоянии (закалка + искусственное
старение).
Для металла сварных швов характерна мелкозернистая равноосная
структура с размером зерна 5–10 мкм. В переходной зоне отсутствует
сплошная сетка избыточных фаз. Такая структура является более
благоприятной с точки зрения повышения стойкости против образования
горячих трещин при сварке.
В металле шва и зоне сплавления сварного соединения сплава В1469 при
ЭЛС наблюдается интенсивное перераспределение легирующих элементов
(меди, серебра, магния и скандия). В металле шва вблизи линии сплавления
наблюдается тонкий слой, содержащий 5,75 – 11,42% меди.

[Salo]

Наперстянка пишет:
Применение электронно-лучевой сварки для получения стыковых
соединений высокопрочного алюминиевого сплава В1469 позволяет
обеспечить прочность сварных соединений на уровне 0,55–0,60 прочности
основного металла в термообработанном состоянии (закалка + искусственное
старение).

А почему источник за 2010 год?
Вот посвежее за 2015:
http://viam-works.ru/plugins/content/journal/uploads/articles/pdf/801.pdf
 

[Salo]

СТП в сварке баков Ангары уже используют. осталось перейти на сплавы 1461,1208 или 1545.

[Наперстянка]

    "По данным отечественных и зарубежных источников уровень прочности сварных соединений высокопрочных алюминийлитиевых сплавов, выполненных сваркой трением с перемешиванием (СТП), составляет 0,75-0,8 от прочности самого сплава." Что и требовалось доказать. Другое дело - многоточечная электроимпульсная сварка под давлением с нанесением контактных зерен, легированных скандием. 

[Salo]

Только вот при сварке алюминийлитиевых баков F9 используют почему-то СТП.

[Salo]

Кстати, при изготовлении баков SLS от AL-Li сплава 2195 отказались в пользу более надёжного и экономичного AL-Cu-Mn 2219.
Но варят с помощью СТП.

[Salo]

http://www.spacesafetymagazine.com/aerospace-engineering/rocketry/sls-external-tank-reverts-hard-alloy/

SLS External Tank Reverts to Hard Alloy

NASA is reverting to hard aluminum-copper alloy Al 2219 for use in the core stage of America's next heavy-lift launch vehicle, the Space Launch System (SLS), reports NASASpaceflight.com. The change is a move away from more recent super lightweight aluminum-lithium alloy Al 2195 that the Agency used in manufacturing the lightest external tank design of the Space Shuttle, also known as the Super Light Weight Tank (SLWT).  NASA expects that building the SLS core with Al 2219 will reduce production cost, as well as improve stress-endurance strength capability during SLS vehicle take-off and climb to orbit.

"The core stage is the rocket's central propulsion element and will be an optimized blend of new and existing hardware design," SLS Program Manager Todd May said following a successful Preliminary Design Review of that component in December. "We're building it with longer tanks, longer feed lines, and advanced manufacturing processes."

The new tank will measure 61-meters tall and 8.4-meters in diameter. It will store liquid hydrogen and liquid oxygen at low and elevated temperatures, feeding the RS-25 engines. Prime contractor Boeing is developing the SLS core stage, which will be built at NASA's Michoud Assembly Facility in New Orleans.

Mass management, strength, and stiffness are highly relevant factors in developing the SLS ET,  as engineers endeavor to design a cost effective and improved performance component. The core stage is a modified Space Shuttle ET with the aft section adapted to accept the rocket's Main Propulsion System (MPS) and the top converted to host an intertank structure.

During the shuttle era, NASA experienced lower production costs for SWTs than for SLWTs because of the exceptional material properties of Al 2219.  In particular, the SWT offered excellent resistance to corrosion, maximum strength-to-weight ratio, ease of fabrication, and operation under room and cryogenic temperatures. Aluminum-copper alloy offered excellent weldability such that engineers reliably sealed joints with fewer weld passes and without distortions. As a result, NASA reduced weld repair and inspection costs. However, a reduced cost is only one of many key driving forces for material development. Mass reduction and application-specific performance improvement are two other factors.

Comparison of SWT / LWT to SLWT LH2 Tank Barrels. Left: Standard Weight Tank (SWT) and Light Wight Tank (LWT) fabricated with Al 2219 alloy. Right: Super Light Weight Tank (SLWT) fabricated with Al 2219 alloy (Credits: NASA).

The original ET design had a 35,000 kg dry mass; six of the units were produced and flown between 1981 and 1983. Prior to its production, NASA had already identified a need for increased payload capability to meet additional performance requirements. The Agency issued a directive to lighten ET by at least 2,700 kg. NASA undertook a series of modifications and enhancements such as resizing structural membranes, eliminating hardware elements, and substituting materials to successfully reduce tank weight by nearly twice the targeted value. The resulting 30,000 kg ET design was known as the Light Weight Tank (LWT).  Still fabricated with Al 2219, NASA produced and flew 86 LWTs during 1981-1998.

The Agency identified the need for further increase in payload capability to support construction of the International Space Station (ISS) in a Russian-accessible orbit. However, further ET mass reduction without material change proved to be hard nut to crack. In order to achieve a target 25-percent weight reduction in ET and enable greater payload upmass, NASA undertook a lightweight efficient design approach in 1993 that became known as the SLWT program. The program focused on the development of a high-strength, low-density, lighter-weight alloy, aluminum-lithium alloy Al 2195, which replaced Al 2219 and reduced the ET to its target mass.  Aluminum-lithium alloy offers the benefit of improved yield strength, stiffness, and reduced density. The SLWT used Al 2195 in place of traditional Al 2219 at several locations on the LO2 and LH2 Tanks. During 1998-2011, the last decade of the Shuttle era, NASA produced and flew 43 SLWT tanks.

Welding Al 2195 during production of SLWT was more complex than welding Al 2219 during production of SWT. Most significantly, NASA used Al 2195 orthogrid barrel panels for the SLWT configuration in place of the Al 2219 T-stiffened panels used for SWT and LWT configurations. In addition, the use of orthogrid wall construction for the LH2 tank required development of new manufacturing process for machining, forming, and welding of barrel assemblies. The ET pressure vessels required more than 0.8 km of welding to join together the aluminum panels that form the LO2 and LH2 tanks. With the use of the new alloy, production and operation costs of the ET increased significantly.

Ultimately, NASA is dropping super lightweight aluminum-lithium alloy and taking up hard aluminum-copper alloy for production of the core stage of the SLS, America's next heavy lift vehicle, intended to launch astronauts and other payloads to Earth orbit and beyond. With that decision, NASA has come full circle of a material development journey that started more than 30 years ago with production of the original Space Shuttle ET.

[Salo]

Development of Aluminum-Lithium 2195 Gores by the Stretch Forming Process
http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20140011717.pdf

[Salo]

Наперстянка пишет:

многоточечная электроимпульсная сварка под давлением с нанесением контактных зерен, легированных скандием.

Интересно как Вы в этом случае получите герметичный стык.

[Salo]

http://www.nasaspaceflight.com/2013/02/sls-new-buckling-standards-drops-super-light-alloy/

[Наперстянка]

Salo пишет:
http://www.spacesafetymagazine.com/aerospace-engineering/rocketry/sls-external-tank-reverts-hard-alloy/

 ................................................................................................................................
Ultimately, NASA is dropping super lightweight aluminum-lithium alloy and taking up hard aluminum-copper alloy for production of the core stage of the SLS, America's next heavy lift vehicle, intended to launch astronauts and other payloads to Earth orbit and beyond. With that decision, NASA has come full circle of a material development journey that started more than 30 years ago with production of the original Space Shuttle ET.

   Если происходят такие недоразумения, то любая лаборатория может настаивать на своей истине в отношении криогенного сплава для баков. Да и просто любой человек может сочинить сплав, я, например, могу сказать, что оптимальным будет состав Cu - 4,2%, Mg - 1,2%, Mn - 0,3%, Sc - 0,25%, Zr - 0,05%, Ce - 0,05%, Ag - 0,05%, Au - 0,01%, (остальное - Al), и в ближайшие 10 лет никто научно не докажет, что это не есть самое то, что надо. Конечно, водородолюбящий Li тут совсем не при делах. Li - литий в сплавах явно не для сварок, а только для цельно литых сверхлегких деталей, к которым можно применить сложную многоступенчатую термообработку.

[Наперстянка]

Salo пишет:
Кстати, при изготовлении баков SLS от AL-Li сплава 2195 отказались в пользу более надёжного и экономичного AL-Cu-Mn 2219.
Но варят с помощью СТП.

Самый надежный ал. сплав, это примитивная система  Al-Mg без добавок. 

[Наперстянка]

Salo пишет:
Только вот при сварке алюминийлитиевых баков F9 используют почему-то СТП.

СТП - разогревает металл, нарушая термобработку, особенно у толстых листов - нет перспектив.