Алюминий 2117: состав, свойства, состояние термообработки и области применения

Полный обзор

Сплав 2117 относится к алюминиево-медным сплавам серии 2xxx и классифицируется как термически упрочняемый Al-Cu сплав. Его химический состав основан на меди в качестве основного легирующего элемента для повышения прочности, дополненного контролируемым количеством марганца, магния и микроэлементов для регулирования прочности, обрабатываемости и поведения при рекристаллизации.

Укрепление 2117 происходит преимущественно за счёт растворяющего отжига с последующим старением (возрастным упрочнением), формируя мелкие осадки Al2Cu (θ-фаза) и связанные с ними фазы; также сплав демонстрирует некоторую способность к наклёпу в состояниях с неполным старением. Сплав обеспечивает баланс умеренной и высокой прочности, приемлемой коррозионной стойкости при правильной отделке или облицовке, а также ограниченную свариваемость по сравнению с чистым алюминием; пластичность хорошая в отожжённом состоянии и при лёгкой деформации.

Типичные отрасли применения 2117 включают аэрокосмическую (второстепенные конструкции и крепёж), оборонную (конструкционные элементы), автомобилестроение (элементы с прочностью выше, чем у сплавов 5xxx/3xxx серий) и специализированные коммерческие применения, такие как заклёпки, крепёж и фасонные экструзии, где требуется сочетание термического упрочнения и достаточно хорошей формуемости. Инженеры выбирают 2117, когда необходим усиленный Al-Cu сплав, но не требуется максимальная прочность премиальных сплавов серии 2xxx (например, 2024), либо когда нужна лучшая формуемость или более низкая стоимость по сравнению с высокопрочными термообработанными марками.

Варианты состояния

Состояние	Уровень прочности	Относительное удлинение	Формуемость	Свариваемость	Примечания
O	Низкий	20–35%	Отличная	Отличная	Полностью отожжённое состояние для максимальной пластичности и формирования.
H12 / H14	Средний	8–18%	Хорошая	Удовлетворительная	Наклёпанное до промежуточной прочности; используется для вытянутых/формованных деталей.
T3	Средне-высокий	8–15%	Хорошая	Ограниченная	Растворно термообработанное, холоднодеформированное и естественно состаренное; баланс прочности и формуемости.
T4 / T5	Средне-высокий	10–18%	Хорошая	Ограниченная	Растворное отжиг и естественное старение (T4) либо искусственное старение (T5) для стабилизации свойств.
T6 / T651	Высокий	6–12%	Удовлетворительная	Ограниченная	Растворно обработанное и искусственно состаренное до максимальной или близкой к ней прочности; T651 включает снятие остаточных напряжений растяжением.

Выбор состояния существенно влияет на соотношение прочности и пластичности в 2117; отожжённый материал предпочтителен для интенсивной формовки, тогда как T6/T651 применяется там, где требуется повышенная статическая прочность и жёсткость. Свариваемость и сохранение свойств после сварки обычно ухудшаются с увеличением степени искусственного старения, поэтому разработчикам рекомендуется планировать формовку и соединение в отожженном или слабо деформированном состоянии с последующей необходимой термообработкой.

Химический состав

Элемент	Диапазон, %	Примечания
Si	макс. 0,20	Контролируемое низкое содержание кремния для ограничения хрупких интерметаллических соединений и сохранения обрабатываемости.
Fe	макс. 0,50	Примесь; повышенное содержание ухудшает пластичность и способствует образованию интерметаллидов.
Mn	0,30–0,9	Улучшает прочность, контроль структуры зерна и придаёт некоторую стойкость к рекристаллизации.
Mg	0,10–0,6	Малые добавки усиливают реакцию старения и способствуют увеличению прочности.
Cu	3,0–4,0	Основной упрочняющий элемент, образующий осадки Al2Cu при старении.
Zn	макс. 0,25	Малое содержание; удерживается на низком уровне для предотвращения нежелательных взаимодействий с медью, снижающих коррозионную стойкость.
Cr	0,05–0,25	Микродобавка для контроля структуры зерна и уменьшения коэрения осадков на границах зерен.
Ti	0,05–0,15	Рефинер зерна, улучшающий равномерность структуры при прокатке и литье.
Прочие (каждый)	макс. 0,05	Остаточные элементы; остальное — алюминий до 100%

Содержание меди является доминирующим фактором, определяющим временное и предельное сопротивление при растяжении благодаря упрочнению за счёт осадков. Марганец и хром контролируют структуру зерна и ограничивают рекристаллизацию, повышая прочность при повышенных температурах и деформациях. Небольшие добавки магния и микроэлементов регулируют кинетику старения и могут незначительно усиливать упрочнение; низкий уровень кремния и железа сохраняет пластичность и предотвращает образование крупных хрупких интерметаллидов, снижающих вязкость и формуемость.

Механические свойства

Механические характеристики растяжения 2117 типичны для Al-Cu сплавов: относительно высокая прочность при растяжении и предел текучести после соответствующего растворного отжига и искусственного старения с уменьшением пластичности по мере роста прочности. Отожжённый материал демонстрирует хорошее равномерное удлинение и предсказуемый наклёп; состояния максимального старения показывают более высокий коэффициент предела текучести к прочности и сниженное общее удлинение, что необходимо учитывать при формовке или проектировании на ударную нагрузку.

Твёрдость сильно зависит от состояния; она значительно повышается от O до T6/T651 по мере формирования мелкодисперсных осадков в матрице. Усталостные характеристики умеренные или хорошие для Al-Cu сплавов при контроле качества поверхности и остаточных напряжений; инициирование усталостных трещин чувствительно к дефектам поверхности, коррозионным язвам и крупным интерметаллическим включениям, поэтому методы отделки и защиты от коррозии существенно влияют на ресурс усталости.

Толщина влияет на достижимые свойства, так как скорость охлаждения по толщине при закалке влияет на пересыщение и распределение осадков; толстые сечения имеют тенденцию к недовариванию или снижению пиковой прочности по сравнению с тонким листом без адаптивных термообработок. Следует ожидать некоторую вариабельность свойств с изменением толщины и задавать режимы термообработки, согласованные с геометрией детали.

Свойство	O / Отожжённое	Основное состояние (T6/T651)	Примечания
Прочность при растяжении	180–260 MPa	350–450 MPa	Широкий диапазон в зависимости от старения, толщины сечения и точного состава.
Предел текучести	70–150 MPa	300–380 MPa	Предел текучести значительно повышается в состоянии T6; варианты T651 со снятием напряжений обеспечивают улучшенную размерную стабильность.
Относительное удлинение	20–35%	6–12%	Пластичность снижается с увеличением степени искусственного старения и прочности.
Твёрдость (HB)	40–70 HB	100–150 HB	Твёрдость по Бринеллю возрастает с формированием осадков; при необходимости пересчитывается в HRC или Виккерс.

Физические свойства

Свойство	Значение	Примечания
Плотность	~2,78 г/см³	Слегка выше, чем у чистого алюминия за счёт содержания меди; важна для расчёта массы.
Температура плавления	~500–640 °C	Легирование расширяет интервал плавления; солидус и ликвидус зависят от состава.
Теплопроводность	~120–150 Вт/(м·К)	Ниже, чем у чистого алюминия (≈235 Вт/(м·К)) из-за меди и добавок.
Электропроводность	~25–40% IACS	Снижена по сравнению с серией 1xxx из-за содержания меди и осадков.
Удельная теплоёмкость	~0,9 Дж/г·К	Типична для алюминиевых сплавов; полезна для расчёта тепловых масс.
Коэффициент линейного теплового расширения	~22–24 ×10⁻⁶ /К (20–100 °C)	Похож на другие алюминиевые сплавы; важен при соединении с разнородными материалами.

Тепловые и электрические проводимости 2117 находятся на среднем уровне для алюминиевых сплавов и отражают компромисс между механическими свойствами и параметрами теплопередачи, характерный для систем Al-Cu. Увеличение плотности за счёт меди следует учитывать в конструкциях с ограничением массы, а коэффициент теплового расширения важно учитывать при соединении с разнородными материалами, чтобы избежать концентраций тепловых напряжений.

Формы продукции

Форма	Типичная толщина/размер	Механические характеристики	Распространённые состояния	Примечания
Лист	0,3–6,0 мм	Отличная прочность по толщине	O, H14, T4, T6	Широко используется для вытянутых или штампованных панелей и мелких конструкционных деталей.
Плита	6–100 мм	Сниженная закаливаемость в толстых сечениях	O, T3, T6 (корректируемые)	Толстые плиты требуют специализированных режимов закалки и термообработки для достижения равномерных свойств.
Экструзия	Толщина стенки 1–20 мм	Направленные свойства; хорошо подходит для сложных сечений	O, T6 (возраст после экструзии)	Экструзия требует контролируемой закалки и искусственного старения для получения заданных tempers T.
Труба	Внешний диаметр 6–200 мм	Похожие свойства с экструзиями; толщина стенки влияет на прочность	O, T6	Используется для конструкционных труб и сборок с элементами крепления.
Пруток/штанга	Диаметры 3–100 мм	Обрабатываемость и стабильность зависят от диаметра	O, T6	Прутковый материал для токарных деталей и крепежа; выбор состояния влияет на обрабатываемость.

Технологические маршруты существенно различаются: производство тонколистового проката позволяет быструю закалку и равномерное старение, что обеспечивает более высокие предельные прочностные характеристики, тогда как толстые плиты и крупные экструзии требуют индивидуальных режимов термообработки для предотвращения областей с пониженной твёрдостью. Для штампованных или вытянутых деталей предпочтительна поставка в состоянии O или с лёгкой механической обработкой, с последующим старением до требуемой твёрдости; для сварных конструкций типичны предварительная и последующая термообработка либо переработка конструкции с целью избегания сварных соединений.

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	2117	США	Основное обозначение в системах ASTM/AA для деформируемого 2117.
EN AW	—	Европа	Нет прямого одноимённого эквивалента EN AW; проектирование основано на номерах AA и аналогичных сплавах серии 2xxx.
JIS	A2117 (неофициально)	Япония	Некоторые поставщики используют обозначение A2117, но заказчикам необходимо проверять состав в соответствии со спецификациями AA.
GB/T	2A17 или подобное	Китай	Местные стандарты часто используют числовые коды, близкие к обозначениям AA; необходимо подтверждать химический состав и состояния.

Прямые перекрестные ссылки для 2117 ограничены, так как региональные стандарты иногда не перечисляют 2117 явно; производители и технологи обычно ориентируются на химический состав и механические характеристики AA/ASTM. При закупках из разных регионов необходимо проверять сертификаты с указанием элементов и состояния для обеспечения взаимозаменяемости, особенно для критичных аэрокосмических и оборонных применений.

Коррозионная стойкость

Атмосферная стойкость 2117 умеренная и типична для сплавов Al-Cu: приемлемая работа в промышленной атмосфере, но более подвержен локальной коррозии по сравнению с алюминиевыми сплавами Al-Mg или Al-Mn. Поверхностные обработки — анодирование, конверсионные покрытия или клэдирование — значительно продлевают срок службы; необработанный 2117 при эксплуатации в агрессивной среде может образовывать точечную коррозию в зонах межметаллических включений.

Поведение в морской среде требует осторожности; среды с хлорид-ионами ускоряют образование питтинговой и щелевой коррозии в сплавах Al-Cu по сравнению с серией 5xxx. Для длительной работы в морской воде рекомендовано использование жертвенных анодов, покрытий или изоляция от разнородных металлов.

Подверженность межкристаллитной коррозии под напряжением (SCC) выше в некоторых термообработанных Al-Cu сплавах при растягивающих напряжениях и повышенных температурах; состояния T6 чувствительны, поэтому инженерам следует избегать сочетаний растягивающих остаточных напряжений, агрессивных сред и повышенной температуры. Гальванические взаимодействия важны: 2117 является анодным по отношению к нержавеющей стали и катодным по отношению ко многим магниевым сплавам; правильная изоляция соединений, крепежа и выбор совместимых материалов снижает гальванически индуцированную коррозию.

В сравнении с другими группами сплавов, 2117 обладает лучшими механическими свойствами, чем серии 1xxx/3xxx/5xxx, но с более высокой коррозионной восприимчивостью; по сравнению с серией 6xxx прочность сопоставима, но поведение при коррозии и анодировании отличается из-за содержания меди.

Свойства обработки

Свариваемость

Сварка 2117 сложнее по сравнению с Al-Mg или Al-Mn сплавами из-за повышения склонности к горячей трещинообразованию и снижения пластичности в зоне сплавления при повышенном содержании меди. Для сварки TIG и MIG применяются специализированные методики с низким тепловложением и подходящими присадочными материалами (Al-Cu присадки, такие как 2319 или другие совместимые системы Al-Cu), однако сварные соединения часто демонстрируют пониженную прочность и локальное размягчение в зоне термического влияния (ЗТВ). После сварки рекомендуется термообработка, но она часто непрактична для сборных конструкций; поэтому проектировщики стремятся избегать ответственных сварных соединений, заменяя их на механическое крепление или клеевое скрепление.

Обрабатываемость

2117 характеризуется удовлетворительной обрабатываемостью для термообрабатываемого сплава и может обрабатываться быстрее многих высокопрочных аэрокосмических сплавов; ресурс инструмента и качество поверхности зависят от состояния и термообработки. Рекомендуется твердосплавный инструмент с положительным углом режущей кромки и хорошим отводом стружки, при умеренных подачах и скоростях резания для предотвращения налипания материала; сплав склонен вырезать относительно длинную стружку, которую необходимо контролировать ради безопасности и качества поверхности. Выбор состояния перед и после обработки (например, обработка в более мягком состоянии O или H12 с последующим старением) позволяет оптимизировать ресурс инструмента и конечную прочность деталей.

Обрабатываемость (формуемость)

Характеристики формообразования благоприятны в состояниях O и с лёгким упрочнением (H), что позволяет глубокую вытяжку, гибку и растяжение для сложных геометрий. Минимальные радиусы гиба и отскок регулируются состоянием и толщиной; отожжённый лист допускает малые радиусы и большие деформации при вытяжке, в то время как материалы в состоянии T6 требуют больших радиусов и более консервативных ограничений формообразования. Для деталей, требующих и формования, и высокой прочности, обычно применяют формовку в состоянии O или T4 с последующим искусственным старением до требуемых механических свойств.

Поведение при термообработке

Как термообрабатываемый алюминиево-медный сплав, 2117 реагирует на растворяющее отжигание, закалку и искусственное старение. Типичные режимы растворяющей отжига выполняются около температуры солюс (обычно в диапазоне 500–540 °C, в зависимости от размера сечения), с последующей быстрой закалкой для сохранения меди и магния в пересыщенном твёрдом растворе. Последующее искусственное старение (например, 150–200 °C в течение нескольких часов в зависимости от толщины и целевого состояния T) вызывает выделение мелкодисперсных фаз Al2Cu и связанных соединений, обеспечивая свойства T5/T6.

Переходы состояний T обратимы в пределах технологических ограничений: T4 (растворяющая термообработка с естественным старением) может быть преобразовано в T6 (искусственное старение) с контролируемым протоколом; T651 включает снятие напряжений растягиванием с последующим старением. Перестаривание снижает прочность, но улучшает вязкость и снижает чувствительность к SCC, поэтому режимы старения выбираются с учётом баланса между пиковыми свойствами и устойчивостью к окружающей среде. Для негермообработаемых технологических маршрутов холодное деформирование с последующим частичным отжигом применяется для создания состояний H с предсказуемым повышением прочности за счёт наклёпа.

Работа при повышенных температурах

2117 начинает существенно терять прочность выше примерно 150–200 °C из-за коагуляции выделений и перестаривания; пределы эксплуатации при длительных нагрузках обычно находятся ниже этого диапазона. Устойчивость к ползучести умеренная; для длительных нагрузок при высоких температурах или термоциклирования следует рассматривать другие сплавы, предназначенные для работы в таких условиях. Окисление алюминия является самозамедляющим процессом и в целом не представляет значительной проблемы, но совмещение термического воздействия с коррозионными средами может ускорять коррозионное разрушение, особенно вблизи сварных швов или зон с высокими напряжениями.

Поведение ЗТВ под воздействием температуры критично: локальное размягчение и перестаривание вблизи сварных швов или термоактивированных зон создают механические слабые участки и снижают усталостную долговечность. Проектировщикам рекомендуется учитывать терморегулирование, контролировать тепловложение при сварке и применять постсварочные термообработки, где возможно, для минимизации потерь прочности.

Области применения

Отрасль	Пример изделия	Причины использования 2117
Авиакосмическая	Второстепенные конструкции и крепёж	Хорошее сочетание термообрабатываемой прочности, обрабатываемости и стабильности размеров.
Автомобильная	Конструкционные кронштейны и формованные детали	Более высокая прочность, чем у распространённых сплавов серий 1xxx/3xxx, при приемлемой пластичности и стоимости.
Морская	Крепёжные изделия и элементы крепления (с покрытием)	При правильной обработке и покрытии обеспечивает приемлемую коррозионную стойкость с хорошим соотношением прочности и массы.
Электроника	Малые корпусные детали и механические опоры	Баланс механических свойств и теплопроводности для компактичных компонентов.

2117 часто выбирают для средне- и высокопрочных применений, когда необходимы свойства стандартных сплавов серии 2xxx без жёстких ограничений, характерных для высокопроизводительных сплавов. Его использование типично там, где приемлемы умеренные меры антикоррозионной защиты (покрытия, анодирование, клэдирование) и где термообрабатываемая природа сплава позволяет достигать требуемой прочности после формования или механической обработки.

Рекомендации по выбору

Сплав 2117 является практичным выбором, когда инженерам требуется алюминий, поддающийся термообработке и обеспечивающий более высокую прочность по сравнению с коммерчески чистыми марками, сохраняя при этом хорошую обрабатываемость и пластичность в отожженном состоянии. По сравнению с коммерчески чистым алюминием (1100), 2117 жертвует электрической и теплопроводностью, а также некоторой пластичностью в обмен на значительное повышение предела текучести и временного сопротивления разрыву; используйте 2117, если необходима конструкционная прочность, а электропроводность не является приоритетом.

По сравнению с распространёнными упрочнёнными холодной обработкой сплавами, такими как 3003 или 5052, 2117 обеспечивает более высокую максимальную прочность после старения, но зачастую имеет меньшую коррозионную стойкость в средах с высоким содержанием хлоридов; выбирайте 2117, если приоритетом является прочность, а защита от коррозии (покрытие или анодирование) возможна. По сравнению с типичными термообрабатываемыми сплавами, такими как 6061 или 6063, 2117 может быть предпочтителен в случаях, когда специфические свойства алюминиево-медного сплава (например, характер осаждения фаз или обрабатываемость в определённых состояниях) являются преимуществом, несмотря на обычно более низкую максимальную прочность или отличающееся поведение по коррозии по сравнению с алюминиево-магниево-кремниевыми сплавами.

При выборе 2117 учитывайте стоимость и доступность относительно других материалов серии 2xxx, необходимость термообработки после формообработки, а также условия эксплуатации — если в конструкции важны воздействие морской среды или сварка, могут быть более подходящими альтернативные сплавы или защитные меры.

Итоговое резюме

Сплав 2117 остаётся актуальным инженерным материалом благодаря удачному сочетанию термообрабатываемой прочности, хорошей обрабатываемости и пластичности для конструкционных и сборных деталей средней массы; его выбор оправдан, когда проектировщикам требуется алюминиево-медное упрочнение осаждением с контролируемыми процессами обработки и стратегиями защиты от коррозии.