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Al-4.8Cu-0.5Mg-0.3Ag-0.15Zr合金组织性能及沉淀析出行为研究

张建波  
【摘要】:新型Al-Cu-Mg-Ag系合金由于具有优良的高温及损伤容限性能成为下一代超音速飞行器蒙皮的候选材料。本文在选择Al-4.8Cu-0.5Mg-0.3Ag-0.15Zr合金合理的单级固溶工艺的基础上,研究了单级时效对合金性能的影响,通过定性和半定量的分析方法研究了单级时效过程中沉淀相的析出行为,并进一步研究了多级断续时效对合金组织和性能的影响,最后评价了单级时效态合金的疲劳性能和高速冲击性能。主要工作及结果包括: 研究了固溶温度和时间对Al-4.8Cu-0.5Mg-0.3Ag-0.15Zr合金组织性能的影响。合金的合理的单级固溶温度为520℃-525℃之间,合理的单级固溶时间为2h左右。 研究了单级时效温度和时间对Al-4.8Cu-0.5Mg-0.3Ag-0.15Zr合金电导率、硬度和室温拉伸性能的影响。在自然时效时,合金的电导率先减小后趋于稳定,合金的硬度先增大后趋于稳定;在确定的人工时效温度下,随着时效时间的延长,合金的电导率先增大后趋于稳定,合金的硬度先增大后减小。时效温度为160℃左右时,合金的峰值硬度最高,约为HV=166。 重点研究了160℃和180℃单级时效对Al-4.8Cu-0.5Mg-0.3Ag-0.15Zr合金拉伸性能的影响。在两个温度下时效时,合金峰值力学性能无明显差异,峰值抗拉强度为510MPa左右,峰值屈服强度为475MPa左右,对应的延伸率在14%左右;两个温度下的时效强化响应速度具有明显的差异,温度越高,强度增加越快,在较高的时效温度下,峰时效后强度的下降速度加快。 定性研究了单级时效下Al-4.8Cu-0.5Mg-0.3Ag-0.15Zr合金沉淀相的析出行为。在较低温度(65℃)时效时,合金的主要沉淀相为θ'相,无明显的Ω相析出特征;在中等温度(160-180℃)时效时,合金的沉淀相为Ω相和少量的θ'相;在较高温度(200℃)时效时,合金的沉淀相与中等温度时效相同,但长大速度明显加快。重点研究了中等温度时效对合金组织的影响,在时效初期,沉淀相尺寸均匀细小,不发生交义;随着时效时间的延长,沉淀相的尺寸出现不均匀特征,且发生明显的交接和交义现象,在交接、交义区与基体的界面附近出现位错,说明沉淀相的交接和交义需要位错协调。 研究分析了固溶淬火态Al-4.8Cu-0.5Mg-0.3Ag-0.15Zr合金在差示扫描量热试验中的三个放热效应所对应的析出反应。三个放热峰的峰值温度分别约为Ⅰ:171℃,Ⅱ:230℃和Ⅲ:276℃,Ⅰ峰对应的反应是GP区的结构调整,Ⅱ峰对应的是Ω相的析出,Ⅲ峰对应的主要是θ'相的析出。 利用HREM半定量分析了中等温度时效Al-4.8Cu-0.5Mg-0.3Ag-0.15Zr合金Ω相的析出行为。时效温度越高,Ω相的厚度和径向尺寸越大,峰值面积分数基本一致,但达到峰值面积分数的时间不同,温度越高,时间越短。 利用小角度X散射研究了合金单级时效过程中沉淀相的析出行为。在160-200℃范围内,随着时效时间的延长,散射花样由同心圆过渡到枝权状花样,且时效温度越高,出现枝权的时间越短;枝权花样是盘状沉淀相在倒易空间中傅里叶变换引起的,通过测量枝权间的角度可以识别枝权在正空间中对应的沉淀相种类;此外,文章计算了沉淀相的回转半径和积分强度。 研究了多级断续时效制度对Al-4.8Cu-0.5Mg-0.3Ag-0.15Zr合金组织和性能的影响。断续时效在保持单级时效强度的条件下,可提高合金的断裂韧性。微观组织分析表明,断续时效与中等温度单级时效对组织影响的差异主要在于第二级低温时效时,合金的沉淀相为均质形核的θ'相,无明显的Ω相析出特征。 研究了时效制度对Al-4.8Cu-0.5Mg-0.3Ag-0.15Zr合金疲劳和高速冲击性能的影响。峰时效态合金具有良好的抗疲劳性能,疲劳极限为291MPa,且欠、峰、过时效态合金均具有较低的疲劳裂纹扩展速率,其中峰时效态合金的最低;霍普金森试验表明,160℃/2h、14h和50h处理后合金具有不同的应变强化效应,其中50h处理后的合金在低速和高速冲击下屈服强度差异最大,2h和14h时效后合金在高速和低速冲击下的屈服强度差异较小。


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