熱等靜壓工藝參數(shù)對2a12鋁合金粉末性能的影響

熱等靜壓工藝參數(shù)對2a12鋁合金粉末性能的影響

洛陽洛陽在密度低、強(qiáng)度高、冷熱加工性能好等方面都很好。它是航空航天、新鐵路和制造業(yè)中最常見、最重要的材料。傳統(tǒng)的鋁合金坯料制備方法包括鑄造、電磁攪拌、噴射成形等,再通過軋制、擠壓、鍛造等方式加工成形。20世紀(jì)70年代以來,通過傳統(tǒng)的制備方法來大幅度提高鋁合金的性能,所取得的效果越來越小,而將快速凝固技術(shù)與粉末冶金工藝相結(jié)合,通過鋁合金熔體霧化,快速凝固成粉末,再將粉末壓制、燒結(jié),壓力加工成鋁合金材料,卻能夠取得令人滿意的效果。熱等靜壓工藝?yán)^承和發(fā)展了粉末冶金和冷等靜壓工藝成形的優(yōu)點(diǎn),將粉末成形和燒結(jié)2步作業(yè)合并成為1步,克服了燒結(jié)過程中溫度高,冷等靜壓過程中壓力高的缺點(diǎn);并且充分結(jié)合了鍛造和鑄造的優(yōu)勢,在保證零件復(fù)雜性的前提下使其具有不低于鍛件的力學(xué)性能。目前熱等靜壓技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天、礦山開采、石油勘探、生物醫(yī)療等領(lǐng)域,具有廣闊的應(yīng)用前景和重大的科研價值。目前國內(nèi)外對于鋁合金粉末直接熱等靜壓成形的研究鮮有報道,絕大多數(shù)的研究主要集中在鋁合金粉末的擠壓成形、鑄件的熱等靜壓致密化處理等方面。本文針對2A12鋁合金粉末的直接熱等靜壓工藝做了初步的研究,對比了在現(xiàn)有熱等靜壓工藝參數(shù)下成形2A12粉末鋁合金材料的基本力學(xué)性能,為后續(xù)的研究工作奠定基礎(chǔ)。1銅鋁的溫度原材料為空氣霧化法制備的2A12鋁合金粉末,粒度為150~250μm(60~100目)。2A12鋁合金屬于Al-Cu-Mg系可熱處理強(qiáng)化的加工鋁合金,銅和鎂是主要的合金元素,其主要化學(xué)成分如表1所示。2A12鋁合金中,銅與鋁形成CuAl2相,以及鎂、銅、鋁互相結(jié)合形成S(CuMgAl2)相,二者是合金中的主要強(qiáng)化相,同時使合金具有一定的耐熱性。采用ABB公司的QIH-15熱等靜壓機(jī),其最高溫度可達(dá)2000℃,最高壓力可達(dá)200MPa。采用1060純鋁包套,內(nèi)徑?50.0mm,厚3.0mm,高120.0mm,如圖1所示。經(jīng)過裝粉-振動密實(shí)-高溫脫氣-封焊,最后按照以下3組工藝條件進(jìn)行熱等靜壓。工藝1:520℃×100MPa×保溫保壓2h;工藝2:490℃×120MPa×保溫保壓2h;工藝3:470℃×120MPa×保溫保壓2h。比較3組不同的熱等靜壓工藝制備的粉末鋁合金材料的基本力學(xué)性能,研究其微觀組織的變化,并進(jìn)行初步的熱處理研究。2結(jié)果與分析2.1軸向尺寸收縮熱等靜壓后的鋁合金試樣如圖2所示。壓制后試樣的基本尺寸為兩端?46.5~?48.8mm,中間?44.0~?45.0mm,長度為114.0~118.0mm。熱等靜壓后試樣的軸向尺寸收縮不高于5%,徑向尺寸收縮約為10%,其徑向尺寸收縮約為軸向尺寸收縮值的2倍,這主要由于包套軸向端蓋需要焊封在包套的筒體上,其添加的焊料對于包套的軸向收縮起到了一定的阻礙作用。DELO等指出,圓柱形零件在熱等靜壓的過程中,其徑向受力和軸向受力是不同的,分別為:式中:σt、σa分別為圓柱形試樣在徑向和軸向的應(yīng)力;P為外部施加壓力;r、L、t分別為包套的半徑、長度和厚度?？梢钥闯?徑向應(yīng)力為軸向應(yīng)力的2倍。所以在粉末熱等靜壓過程中,試樣徑向的收縮比軸向的收縮要大,這和本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。2.2熱等靜壓試驗(yàn)對試樣組織的影響在工藝1條件下,2A12鋁合金試樣的拉伸性能如表2所示,拉伸后的試樣如圖3所示。可以看到,2A12鋁合金粉末按照工藝1的參數(shù)進(jìn)行熱等靜壓壓制,拉伸試樣沒有明顯的頸縮現(xiàn)象,其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長率等均低于擠壓件。試樣的微觀組織照片如圖4所示。可以看出,鋁合金粉末在經(jīng)過高溫高壓處理后,內(nèi)部產(chǎn)生了過燒現(xiàn)象,其典型的特征是出現(xiàn)共晶復(fù)融球、晶界局部加粗發(fā)毛,在3個晶粒的交界處出現(xiàn)局部熔化,形成三角晶界區(qū)。在2A12鋁合金中,銅、鎂是主要的合金化元素,由平衡相圖可知合金的主要相有α(Al)、CuAl2、S(CuMgAl2)相,主要發(fā)生以下共晶反應(yīng),其中,二元相的共晶溫度為548℃,三元相的共晶溫度為507℃。工藝1的熱等靜壓溫度為520℃,超過了2A12合金中三元相的共晶溫度,使鋁合金粉末在熱等靜壓的過程中出現(xiàn)了過燒組織。過燒溫度較低時,晶界處富集的低熔點(diǎn)化合物形成極小的復(fù)熔球團(tuán);隨著溫度的升高,在晶粒內(nèi)部形成復(fù)熔球,并在晶界上析出共晶體;當(dāng)過燒溫度達(dá)到一定的界面能條件時,過燒組織以三角形晶界區(qū)的形式出現(xiàn)。特別是在鋁合金粉末的熱等靜壓過程中,由于粉末表面氧化物的影響,使得2A12鋁合金粉末熱等靜壓試樣在微觀組織上存在原始粉末顆粒邊界(PPB),這樣就為粉末表層的低熔點(diǎn)化合物和共晶相提供了天然的富集區(qū),大量的低熔點(diǎn)化合物在PPB處聚集;在較高的過燒溫度下,低熔點(diǎn)的共晶組織在此復(fù)熔后再凝固,使得試樣呈現(xiàn)出較低的力學(xué)性能。在其后的熱處理過程中,可以更加明顯地看到過燒組織帶來的影響。圖5、6分別是采用工藝1制備的鋁合金試樣在T4熱處理后的微觀組織和拉伸試樣宏觀形貌照片。通過固溶強(qiáng)化,鋁合金在晶界未普遍受到破壞前,晶界強(qiáng)度大于晶內(nèi)強(qiáng)度,材料的斷裂方式主要是穿晶斷裂。由于過燒組織的存在,使得晶界粗化發(fā)毛,存在較大的應(yīng)力集中,在熱處理內(nèi)應(yīng)力的作用下,晶界處的有效接觸面積減少,對基體產(chǎn)生嚴(yán)重的削弱作用,微觀組織上存在裂紋,宏觀上表現(xiàn)為沿晶斷裂。對于粉末鋁合金熱等靜壓工藝,由于顆粒間界面受到雙重作用的影響,是最薄弱的區(qū)域,優(yōu)先在此處形成裂紋,并進(jìn)一步擴(kuò)展導(dǎo)致試樣斷裂。在工藝1的基礎(chǔ)上,對熱等靜壓的工藝參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整和優(yōu)化,即工藝2和工藝3。采用工藝2和工藝3制備試樣的基本力學(xué)性能如表3所示,微觀組織照片分別如圖7、8所示。工藝2、工藝3降低了壓制溫度,提高了壓制壓力,從基本力學(xué)性能的結(jié)果看,試樣的力學(xué)性能有了相應(yīng)的提高,相比于工藝1,工藝2制備的試樣在抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長率、斷面收縮率上分別提高了7.2%、6.2%、24.5%、35.6%,工藝3則分別提高了9.2%、6.4%、37.7%、103.4%。工藝2比工藝3的熱等靜壓溫度高,在較低的溫度下能獲得更高的力學(xué)性能,原因可能是由于較高的溫度使合金中的彌散相粗化,導(dǎo)致合金的力學(xué)性能降低。從微觀組織上觀察,工藝2和工藝3制備試樣的微觀組織相差不大,過燒現(xiàn)象基本消失,但仍存在較為明顯的原始粉末顆粒邊界,阻礙了粉末與粉末之間的冶金結(jié)合,這在鋁合金粉末后期的熱等靜壓成形中需要注意。3軸向尺寸收縮(1)采用熱等靜壓技術(shù)成形2A12鋁合金粉末,對于圓柱形試樣,由于包套和焊料的作用,其徑向尺寸收縮大約為軸向尺寸收縮的2倍。(2)2A12鋁合