新型耐熱鋁合金al-cu-mg-ag擠壓棒材過燒溫度的研究

新型耐熱鋁合金al-cu-mg-ag擠壓棒材過燒溫度的研究

幾十年來，通過合金化設計和變形加熱法，人們在航空工具應用的領域開發出了一系列能夠用傳統的冶金精煉方法制備的高強度鋁合金。主要是通過在Al-Cu-Mg系合金中,添加Ag、Ti、Zr等微量過渡元素和稀土元素,改善合金的力學性能和抗腐蝕性能。尤其是國外提出的一種新型Al-Cu-Mg-Ag合金已經從強化機理的研究進入了實際應用的開發。英、法兩國為下一代超音速協和飛機聯合開發的Al-Cu-Mg-Ag系列合金,其耐熱性能要比現在使用的2618、2124等鋁合金優異得多,可以滿足下一代超音速飛機以及超音速巡航導彈的使用要求。該系列鋁合金有著廣闊的應用前景,美國、歐洲等國都在加緊開發。在國家“973”項目的資助下,經過大量的試驗研究,研究出了一種性能優異的Al-Cu-Mg-Ag合金,并對其組織和性能進行了詳細的研究,以期在實際生產中得以應用。熱處理制度是決定合金制品性能的關鍵工藝,而確定合金的過燒溫度,則是制定合理的合金半成品固溶處理溫度的重要依據。為此采用了顯微組織分析、DTA分析等方法,確定了合金的合理固溶溫度、過燒溫度,并分析了固溶溫度對組織性能的影響。1材料和分析方法的實驗1.1超導體器材料實驗材料為擠壓的《30mm×200mm的Al-Cu-Mg-Ag棒料合金,合金名義成分(質量百分數)為:4.3Cu,0.8Mg,0.6Ag,0.2Zr,0.2Ti,其余為Al。1.2固溶過程分析對于輕微的過燒,常規力學性能對其不敏感,而最敏感的腐蝕性能和疲勞性能在日常生產中檢驗又不方便,但顯微組織卻有十分明顯的變化,因此,國內外有關標準均規定,采用顯微組織分析是檢驗變形鋁合金過燒的唯一方法。本研究即采用該方法對Al-Cu-Mg-Ag合金擠壓棒材過燒溫度進行分析,從而確定合金半成品固溶處理溫度。DTA差熱分析用來分析研究合金中各種相的熔化溫度及合金的熔點。可以初步估計合金中低熔點相的熔化溫度,進而估計固溶溫度的范圍。棒料在鹽浴爐中進行固溶處理,加熱溫度分別為520、525、530、535℃。保溫時間為2h。到溫放入,到時取出,室溫水淬。處理后的擠壓棒材沿縱向切取10mm×10mm×3mm的金相試樣,試樣經拋光后,用混和酸(HF:1.0ml,HCl:1.5ml,HNO32.5ml,H2O:95ml)進行腐蝕。用NEOPHOT21金相顯微鏡觀察各試樣的金相組織。對于金相觀察后的試樣,進行SEM掃描分析。拉力試驗在島津AG-100KNA試驗機上進行,采用圓柱拉伸試樣,應變率1×10-4s-1,測試合金的抗拉強度(σb)、屈服強度(σ0.2)及延伸率δ,各個試樣采用3個樣品,取算術平均值。2結果與分析2.1低熔點相及熔噴碳的制備在進行固溶處理之前,切取少量棒料做DTA實驗,結果見圖1,以確定低熔點相熔化溫度范圍,從而大致估計固溶范圍510～535℃,同時測定合金的熔點為612℃。2.2固溶過程及分析對不同溫度固溶處理后的金相試樣觀察表明,低于515℃固溶處理后,可以觀察到典型的擠壓棒材組織結構,組織成纖維狀分布,晶粒呈現不規則擠壓碎裂狀態,同時存在大量的未固溶黑色物質,SEM分析表明主要為CuAl2、、Al2CuMg,見圖2a。合金525℃固溶處理后,其晶粒沿壓擠方向生長,化合物基本固溶,剩余化合物細小,并沿壓擠方向成行排列,具有較強的方向性,沒有發現過燒跡象,見圖2b。530℃固溶后,可以觀察到晶粒長大,CuAl2、Al2CuMg基本溶解與525℃處理狀態相似,見圖2c。同時在高倍下發現晶界局部粗化、變黑,這是由于在晶界與局部地區存在的低熔點共晶體熔化的結果,見圖2d。另外還可以找到少量的復熔共晶球,這是因為固溶溫度超過低熔點共晶體的熔點時形成液相,由于表面張力的作用使液相收縮成球狀,冷卻下來就在組織中形成小圓球,從這里可以判斷材料發生輕微過燒,見圖2e。535℃固溶后,可以明顯看到大量的復熔球及嚴重的晶界過燒,這是在嚴重的過燒時出現的特征。在三個晶粒交界處的局部熔化過燒連接起來,三角晶界內部亦存在復雜結構,見圖2f、g。2.3固溶溫度對晶粒長的影響合金淬火加熱溫度是影響固溶處理的主要因素之一,最佳的淬火加熱溫度是既能保證溶質元素盡可能的溶入基體,又不致引起過燒及晶粒長大,鑒于前面的實驗該合金的過燒溫度為530℃,固溶溫度定在515～525℃。選擇515、520、525℃進行驗證。2.4固溶溫度對合金力學性能的影響為進一步驗證合金的固溶處理溫度,取4C的擠壓棒材分別在515、520、525℃加熱,保溫2h固溶處理后進行室溫拉伸試驗。實驗結果見表1。當固溶溫度為515℃時,合金的力學指標偏低,達不到要求,當合金的處理溫度為520、525℃時,力學指標達標,且合金在525℃處理后力學性能略好于520℃處理后的力學性能。通過進一步驗證可以確定合金棒材的固溶處理溫度為520℃～525℃。3cumg-nfd的固溶增強(1)隨固溶溫度的升高,Al-Cu-Mg-Ag合金組織中的CuAl2及Al2CuMg