Zr、Cu对Al-Cu-Mg-Ag合金的蠕变性能和微观组织的影响

发布时间：2020-05-30 10:28

【摘要】：Al-Cu-Mg-Ag合金具有比强度高、耐热耐蚀性好、加工性优、来源广泛、性价比高等特点,相当契合未来超音速民航客机的需求,具有广阔的发展前景。高温蠕变试验可以很好模拟超音速客机飞行时合金的服役状态,稳态蠕变速率和蠕变断裂时间是衡量合金蠕变性能的重要参数。本试验以Al-5.3Cu-0.4Mg-0.4Ag-0.3Mn-0.1Ti为基础合金,通过熔铸的方法制备了两大类的试验合金:单独添加Zr元素(0、0.15、0.25、0.3、0.35wt.%)的Al-Cu-Mg-Ag-Mn-Ti-xZr试验合金,研究了欠时效态(180℃/8 h)下试验合金的室温力学性能和高温蠕变性能,并利用蠕变本构方程?=A~nexp(-Q/RT)进行了数学拟合;Cu元素含量(5.23、5.56、5.82wt.%)不同的Al-xCu-Mg-Ag-Mn-Ti-Zr-Sc试验合金,探索了不同时效状态试验合金的室温力学性能和欠时效态(180℃/8 h)合金的高温蠕变行为,并利用了蠕变本构方程进行了数学拟合。试验结果表明:(1)Zr元素加入显著提高了试验合金的室温拉伸性能,Zr含量为0.35 wt.%的合金,在180℃/8 h时效状态下室温拉伸强度最高,0.15 wt.%的合金稍次,0.25wt.%的合金最差,但均高于无Zr合金。0.35 wt.%Zr合金的抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为455.52 MPa、387.29 MPa和11.61%,与无Zr合金相比,抗拉强度提升9.29%、屈服强度提升14.83%、而延伸率降低16.77%。(2)200℃/150 MPa和200℃/200 MPa条件下的蠕变试验中,最高Zr含量合金占据优势,0.35 wt.%Zr含量的合金稳态蠕变速率最低,100 h蠕变试验后合金的应变最小,表现出相对优异的蠕变性能;在较高应力200℃/250 MPa、200℃/300MPa和较高温度220℃/200 MPa、240℃/200 MPa、260℃/200 MPa的蠕变试验中,无Zr合金反而具有了相对优异的蠕变性能,Zr元素的加入削弱了合金的蠕变抗性,随温度增高和应力增大,这一现象越为明显。较大应力200℃/300 MPa蠕变试验时,0wt.%Zr含量试验合金的蠕变断裂时间为70.01 h,为相同蠕变条件下0.35 wt.%Zr含量合金的2.68倍;较高温度260℃/200 MPa蠕变试验时,无Zr合金的蠕变断裂时间为15.99 h,为相同蠕变条件下0.35 wt.%Zr含量合金的2.35倍。(3)Cu含量(5.23、5.56、5.82 wt.%)的升高并未对180℃/(8、12、14 h)不同时效状态下合金的室温拉伸性能产生显著影响,3种试验合金不同时效状态下室温拉伸时的屈服强度、抗拉强度和延伸率等数值多元统计分析发现,屈服强度、抗拉强度和延伸率的统计平均值分别为374.3±29.3 MPa、453.5±24.43 MPa和10.2±1.07%;由于3种试验合金的Zr、Sc含量相同,时效态试验合金中存在的大量对时效不敏感变形W相(AlCuScZr)导致了这一试验结果,室温拉伸时其具有较好的弥散强化作用。(4)Cu含量(5.23、5.56、5.82 wt.%)的升高却对试验合金的蠕变性能产生了较大的影响,相同条件下的蠕变试验中,5.82 wt.%Cu含量的试验合金始终具有相对优异的抗蠕变能力,随温度升高和应力增大这种现象就越为明显。其在较高温度(240℃/200 MPa)条件下的蠕变断裂时间为64.43 h,约为其他两种Cu含量试验合金的3倍;在较高应力条件下(200℃/250 MPa)5.82 wt.%Cu含量试验合金的稳态蠕变速率为6.31×10~-77 s~(-1),仅约为其他两种试验合金的30%。(5)通过观察试验合金Ω相的TEM高分辨照片可知,Ω相的析出长大是原子扩散的结果,为扩散型相变,且Ω相与基体晶格错配度小,可以有效提高试验合金的热稳定性,θ′相也存在相似的作用。试验合金的Ω相在260℃/200 MPa蠕变试验中发生了明显的粗化现象,蠕变试验前Ω相厚度约为2 nm,蠕变试验后达到了5 nm左右,合金的热稳定性降低。此过程中试验合金的晶界处发生了大量的溶质原子偏聚现象,晶界附近无沉淀析出带(PFZ)宽度由蠕变试验前约200 nm,在蠕变试验后增大了一倍,达到400 nm左右。
【图文】：

分布图,分布图,合金,蒙皮

.1 Al-Cu-Mg 合金的研究进展从 1906 年 AlfredWilm 首次发现 Al-Cu-Mg 合金的时效硬化行为开始，这金就得到了广泛的发展。由于 Al-Cu-Mg 合金具有密度小、导热性好、易于成型、高的比强度和较为优异的耐蚀性能等优点，目前已被广泛的应用于建车、轮船、航空航天等领域，对于国防和民生都尤为重要[1-4]。同时 Al-Cu-合金在飞机的机身蒙皮、机翼下蒙皮、机翼下衔弦条中应用广泛[5-8]，例如最大的客机法国空客 A380 就用到了大量的 Al 合金材料，其结构材料组成为铝合金 61%、复合材料 22%、钛合金与钢 10%、纤维金属夹层材料 3%。 A380 型客机的下翼纵梁材料选用的是 2027-T3511 合金，机翼下蒙皮采用加拿大铝业公司研制的厚板合金 2024A-T351，机身框架采用 2024-T432 合压型材。另外中国的大飞机项目 C919 也采用了 2024 合金，支线客机 AR用的为 2524 合金如图 1.1 所示。波音 777 客机应用的 Al 合金材料如图 1.2，其采用了具有最佳疲劳抗力的 2524-T3 合金作为飞机的蒙皮，2324-T39和 2224-T3511 合金分别作为机翼下表面蒙皮和弦条。[9-11]

分布图,大型客机,分布图,析出相

图 1.2 波音大型客机 B777 所用铝合金分布图[8]Al-Cu-Mg 合金富铝端相图如图 1.3 所示[12]，，可以看出当 Al-Cu-Mg 合金Cu/Mg 比较小时，合金析出相为 +S+T 或 +T；Cu/Mg 比中等时，合金的析相为 +S；当合金 Cu/Mg 比很大时，合金的析出相为 +θ+S 或 +θ。Al-Cu-合金的 Cu/Mg 比和热处理过程，对合金析出相种类和分布起到巨大影响，此金具有很好的时效硬化行为。合金的 θ 相析出序列为：过饱和固溶(Supersaturated Solid Solution, SSS)→GP 区 (Cu 原子偏聚区 )→θ′′→θ′(Al2C→θ(Al2Cu)，从 θ′′→θ′→θ 析出相与基体的共格关系转变依次为共格关系→半格关系→非共格关系。θ'相为正方结构，沿{100}-Al析出,与基体的位向关系(100) //(100)θ′和[001] //[001]θ′，呈长方形或八边形薄片状[57-59]。合金中 S 相的出序列为：SSS→GP 区→S′′→S′(Al2CuMg)→S(Al2CuMg)，S 相与 θ 有相似共关系转变，S 相为面心正交结构，沿{210}-Al析出，呈棒状[13-14]。
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TG146.21

【相似文献】