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新型高强铝合金的强韧化研究

杨守杰  
【摘要】: 本文对两种可用普通铸锭法生产的新型高强度铝合金进行了较为系统的研究。根据两种合金的目前发展情况,对Al-Zn-Mg-Cu系合金重点研究了微合金化元素Zr的影响机理与合适添加量,而对Al-Cu-Li系合金进行了比较全面的研究,目的是为发展我国的新型高强铝锂合金奠定理论基础和试验基础。 本文对微量Zr元素在合金凝固与退火过程中行为的研究表明,当合金中的Zr含量超过0.06%时,Zr元素可以对铸态晶粒带来约30%的细化效果,但是,Zr元素含量稍高,约0.16%时,就有可能析出一次初生Al_3Zr,这限制了Zr元素的有效添加量。均匀化退火是亚稳Al_3Zr相析出的主要工艺过程,对Al-Zn-Mg-Cu-(Zr)合金的研究发现,亚稳Al_3Zr在该超高强铝合金中的析出较在Al-Zr二元合金中提前。随Zr含量的增加,亚稳Al_3Zr相的数量增加,合金中析出的η平衡相的数量也增加而尺寸减小。 含Zr量不同的合金在锻压后的组织有所不同,这主要表现在亚晶粒的大小方面,Zr含量越高,合金的亚晶粒越细小。固溶处理后,合金的组织差别会更明显,不含Zr或Zr含量低于0.06%的合金都表现出了以再结晶晶粒为主的组织,而Zr含量高于0.06%的合金都呈现出了以未再结晶晶粒为主的组织。理论分析表明,要想获得稳定的未再结晶组织,保证W(Zr)≥0.10%是必须的。 Zr元素会对超高强铝合金的时效动力学产生明显的影响,主要表现在抑制GP(Ⅰ)区的形成和加速η′相的析出两个方面。究其原因,前者主要是因为固溶Zr与淬火空位易于结合,减缓了合金在时效过程中Zn、Mg等溶质原子的扩散所致,而后者与Al_3Zr相促进η′相的析出有关。虽然Zr元素可以改变Al-Zn-Mg-Cu合金的时效进程,但是,Zr元素对Al-Zn-Mg-Cu合金力学性能的影响主要受其对合金晶粒组织的改变,而因析出相变化所引起的性能改变要小一些。 综合考虑熔铸、成型、热处理以及力学性能等方面的因素,本文认为,Zr作为一种有效的组织、性能调整元素,必须精确地控制其含量,过低则起不到应有的作用,过高则有可能带来类似Fe、Si等杂质元素的不利影响。本研究中超高强铝合金的合适Zr元素添加量应在0.10%~0.14%之间。 本文对Al-Cu-Li三元合金的研究表明,Cu、Li含量是影响合金强塑性的重要因素,提高Cu含量往往可以提高合金的强度,而增加Li含量却会降低合金的强度。合金的强度、延伸率受合金饱和程度的影响也很大,并且在Li含量较高时更敏感。发展新型高强铝锂合金的一个较合适的基础成分范围是Cu:3.0%~5.0%,Li:1.0%~1.5%。 本文对铝锂合金的各向异性问题进行了比较系统的研究,结果发现,合金的平面内各向异性主要受材料的变形特点和织构控制,而与材料的晶粒结构关系不大。添加微合金化元素改变合金中的析出相,进而改变合金的变形行为,是降低材料各向异性的一条重要途径。此外,通过添加Mn元素改变铝锂合金的再结晶行为,控制合金中的织构组份和强度,也是减小材料各向异性的重要手段。 对Al-Cu-Li系合金的微合金化研究发现,Mg、Ag、Zn是提高铝锂合金强度的重要的微合金化元素,但是,单独添加这些元素的效果往往不明显,当以Mg+Ag、Mg+Zn或Mg+Ag+Zn的组合方式加入时,合金强度会得到大幅度提高。Mn元素的添加不仅对控制合金的各向异性具有重要意义,而且可以带来一定的强化效果,这与合金中的其它微合金化元素存在与否无关。但是,Mn元素的存在往往会引起Al-Cu-Li合金的淬火敏感性增加,这一点与Mn在7000系铝合金中的影响相似。 综合对Al-Cu-Li合金的研究,提出了发展新型高强铝锂合金的基本思路是:采用高Cu低Li的基础合金成分;添加微量的Mn元素改善合金的变形特点,控制合金的晶粒组织和织构,以降低铝锂合金的各向异性;采取多元微合金化的方法进一步提高合金的强韧性。提出了一个有发展前途的含有Mg、Zn、Mn等微合金化元素的新型超高强铝锂合金的合金原型,其屈服强度达635MPa,延伸率接近5%,而不含Ag元素,因此该合金在密度、成本等方面更具优势。


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