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(shè)計(jì)和變形加熱法，人們?cè)诤娇展ぞ邞?yīng)用的領(lǐng)域開發(fā)出了一系列能夠用傳統(tǒng)的冶金精煉方法制備的高強(qiáng)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(xué)性能和抗腐蝕性能。尤其是國(guó)外提出的一種新型Al-Cu-Mg-Ag合金已經(jīng)從強(qiáng)化機(jī)理的研究進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用的開發(fā)。英、法兩國(guó)為下一代超音速協(xié)和飛機(jī)聯(lián)合開發(fā)的Al-Cu-Mg-Ag系列合金,其耐熱性能要比現(xiàn)在使用的2618、2124等鋁合金優(yōu)異得多,可以滿足下一代超音速飛機(jī)以及超音速巡航導(dǎo)彈的使用要求。該系列鋁合金有著廣闊的應(yīng)用前景,美國(guó)、歐洲等國(guó)都在加緊開發(fā)。在國(guó)家“973”項(xiàng)目的資助下,經(jīng)過大量的試驗(yàn)研究,研究出了一種性能優(yōu)異的Al-Cu-Mg-Ag合金,并對(duì)其組織和性能進(jìn)行了詳細(xì)的研究,以期在實(shí)際生產(chǎn)中得以應(yīng)用。熱處理制度是決定合金制品性能的關(guān)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(jù)。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(duì)組織性能的影響。1材料和分析方法的實(shí)驗(yàn)1.1超導(dǎo)體器材料實(shí)驗(yàn)材料為擠壓的《30mm×200mm的Al-Cu-Mg-Ag棒料合金,合金名義成分(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))為:4.3Cu,0.8Mg,0.6Ag,0.2Zr,0.2Ti,其余為Al。1.2固溶過程分析對(duì)于輕微的過燒,常規(guī)力學(xué)性能對(duì)其不敏感,而最敏感的腐蝕性能和疲勞性能在日常生產(chǎn)中檢驗(yàn)又不方便,但顯微組織卻有十分明顯的變化,因此,國(guó)內(nèi)外有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定,采用顯微組織分析是檢驗(yàn)變形鋁合金過燒的唯一方法。本研究即采用該方法對(duì)Al-Cu-Mg-Ag合金擠壓棒材過燒溫度進(jìn)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(diǎn)?？梢猿醪焦烙?jì)合金中低熔點(diǎn)相的熔化溫度,進(jìn)而估計(jì)固溶溫度的范圍。棒料在鹽浴爐中進(jìn)行固溶處理,加熱溫度分別為520、525、530、535℃。保溫時(shí)間為2h。到溫放入,到時(shí)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(jīng)拋光后,用混和酸(HF:1.0ml,HCl:1.5ml,HNO32.5ml,H2O:95ml)進(jìn)行腐蝕。用NEOPHOT21金相顯微鏡觀察各試樣的金相組織。對(duì)于金相觀察后的試樣,進(jìn)行SEM掃描分析。拉力試驗(yàn)在島津AG-100KNA試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,采用圓柱拉伸試樣,應(yīng)變率1×10-4s-1,測(cè)試合金的抗拉強(qiáng)度(σb)、屈服強(qiáng)度(σ0.2)及延伸率δ,各個(gè)試樣采用3個(gè)樣品,取算術(shù)平均值。2結(jié)果與分析2.1低熔點(diǎn)相及熔噴碳的制備在進(jìn)行固溶處理之前,切取少量棒料做DTA實(shí)驗(yàn),結(jié)果見圖1,以確定低熔點(diǎn)相熔化溫度范圍,從而大致估計(jì)固溶范圍510～535℃,同時(shí)測(cè)定合金的熔點(diǎn)為612℃。2.2固溶過程及分析對(duì)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(jié)構(gòu),組織成纖維狀分布,晶粒呈現(xiàn)不規(guī)則擠壓碎裂狀態(tài),同時(shí)存在大量的未固溶黑色物質(zhì),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(zhǎng),化合物基本固溶,剩余化合物細(xì)小,并沿壓擠方向成行排列,具有較強(qiáng)的方向性,沒有發(fā)現(xiàn)過燒跡象,見圖2b。530℃固溶后,可以觀察到晶粒長(zhǎng)大,CuAl2、Al2CuMg基本溶解與525℃處理狀態(tài)相似,見圖2c。同時(shí)在高倍下發(fā)現(xiàn)晶界局部粗化、變黑,這是由于在晶界與局部地區(qū)存在的低熔點(diǎn)共晶體熔化的結(jié)果,見圖2d。另外還可以找到少量的復(fù)熔共晶球,這是因?yàn)楣倘軠囟瘸^低熔點(diǎn)共晶體的熔點(diǎn)時(shí)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(fā)生輕微過燒,見圖2e。535℃固溶后,可以明顯看到大量的復(fù)熔球及嚴(yán)重的晶界過燒,這是在嚴(yán)重的過燒時(shí)出現(xiàn)的特征。在三個(gè)晶粒交界處的局部熔化過燒連接起來,三角晶界內(nèi)部亦存在復(fù)雜結(jié)構(gòu),見圖2f、g。2.3固溶溫度對(duì)晶粒長(zhǎng)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(zhì)元素盡可能的溶入基體,又不致引起過燒及晶粒長(zhǎng)大,鑒于前面的實(shí)驗(yàn)該合金的過燒溫度為530℃,固溶溫度定在515～525℃。選擇515、520、525℃進(jìn)行驗(yàn)證。2.4固溶溫度對(duì)合金力學(xué)性能的影響為進(jìn)一步驗(yàn)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(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。當(dāng)固溶溫度為515℃時(shí),合金的力學(xué)指標(biāo)偏低,達(dá)不到要求,當(dāng)合金的處理溫度為520、525℃時(shí),力學(xué)指標(biāo)達(dá)標(biāo),且合金在525℃處理后力學(xué)性能略好于520℃處理后的力學(xué)性能。通過進(jìn)一步驗(yàn)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(qiáng)(1)隨固溶溫度的升高,Al-Cu-Mg-Ag合金組織中的CuAl2及Al2CuMg