铸造WE43-Zn镁合金微观组织与力学性能研究
发布时间：2020-06-26 09:59
【摘要】：WE43合金具有良好的室温和高温力学性能,在航空航天领域应用广泛,是较为成功的商用耐热镁合金之一。然而,在某新型直升机WE43合金机匣的研制过程中发现,砂型铸造慢冷速条件下铸件的强度和塑性偏低,远远不能满足该航空构件的使用要求,已成为该机匣铸件研制中的瓶颈问题。因此,如何提高砂型铸造WE43合金的力学性能是该机匣研制成功的关键。Zn元素合金化是调控镁合金组织与性能的一种有效手段,已有较多研究表明Zn元素微合金化能在很多Mg-RE合金中起到强韧化效果,但关于Zn的合金化对WE43合金的影响还缺乏报导。因此,有必要研究Zn元素的添加对铸造WE43合金微观组织、力学性能以及相应热处理工艺的影响,为其实际应用奠定基础。本文以WE43合金为基础,分别通过金属型铸造和砂型铸造制备了不同含Zn量的WE43-Zn合金,系统地研究了在不同凝固条件下,Zn元素对WE43合金组织与性能的影响规律,并优化出Zn的最佳含量。基于优化的WE43-Zn合金,采用砂型低压铸造方法研制了某型号直升机机匣铸件。并深入地研究了热处理对该铸件组织与性能的影响,优化其热处理工艺,为该合金的实际应用提供参考。研究结果表明,铸态下,添加Zn会形成晶内LPSO结构,随着Zn含量的提升,LPSO结构和共晶相的含量不断增大。砂型铸造较慢的凝固冷却速率有利于形成晶内LPSO结构。固溶处理后,含0~0.5wt.%Zn合金的第二相固溶比较完全,而含1.0wt.%Zn合金有部分共晶相残留,残留共晶相阻碍了晶粒长大,其平均晶粒尺寸比含0~0.5wt.%Zn合金小15~20μm。由于Zn元素的固溶强化作用,T4态合金的强度随Zn含量的提高而提高。时效后,WE43-0.5Zn合金具有较强的固溶强化效果和充分的时效硬化效果,屈服强度和抗拉强度最高。WE43-1.0Zn合金由于共晶相固溶不充分,析出强化效果偏低,但对塑性的损害减弱,其抗拉强度低于WE43-0.5Zn合金,但延伸率高于0~0.5wt.%Zn含量合金。少量Zn的添加会起到固溶强化效果,但过量Zn的添加会降低高温下RE元素的固溶极限,降低析出相的密度,起到弱化效果。综合而言,WE43-0.5Zn合金具有良好的强度和塑性配比,为最优的合金成分。基于优化的WE43-0.5Zn合金研制了机匣铸件,对其热处理工艺进行了研究。研究结果表明,WE43-0.5Zn合金的峰时效强度随时效温度的上升而降低,但塑性不断升高。200℃和225℃峰时效的析出相主要为细小密集的β'相和β''相,强化效果高,抗拉强度可达320MPa以上。250℃×10h过时效的析出相主要为相对稀疏的β_1相和β'相,强化效果较低,但该状态的塑性较高。综合考虑强度和塑性,该WE43-0.5Zn合金机匣铸件优化的热处理工艺为:固溶处理525℃×6h,热水(约90℃)淬火;时效处理250℃×10h。此工艺下的室温拉伸性能为:YS=198MPa,UTS=277MPa,EL=7.5%,满足了该机匣铸件的使用需求。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V252.2;V261.31;TG146.22;TG166.4
【图文】：
上海交通大学硕士学位论文 科斯基公司生产的 S-92 型直升机、贝尔 BA-609 型倾斜旋翼飞机、欧洲的 NH90 直升机、Eurocopter 120 直升机、中法新三国合作研制 HC120 直升机、美国的 MD500反潜直升机。普惠公司生产的 F119 航空发动机（图 1-1）的变速箱就使用了 WE43合金，该发动机被定制用于美国 F22 战斗机。第四阶段：从 20 世纪 90 年代开始，为了开发具有更高力学性能的镁合金，满足军事和其他高技术领域的需求，人们开始研究含重稀土(Heavy Rare Earth，HRE)元素的镁合金。重稀土元素在镁中的固溶度很高，除Eu和Yb外一般可达10~30wt.%，最大可达 41wt.%。Mg-HRE 合金在高温固溶时可以溶解较多的重稀土，而重稀土的固溶度随着温度的下降而急剧下降，所以该类合金具有很好的固溶强化和时效强化作用。近年来开发的高 Gd 含量 Mg-Gd(-Y)系列合金和 Mg-Sc 系列合金，无论是室温性能还是高温性能都超过以往的耐热镁稀土合金，成为高强耐热镁合金的代表。
9图 1-2 部分镁稀土合金可能的析出序列[68, 69]Fig. 1-2 Possile precipitation sequences of some Mg-RE alloys1.2.3 晶粒细化镁稀土合金的晶粒细化方法有孕育处理[70]、提高凝固速率[71]、塑性变形[72]、电磁搅拌[73, 74]等，而且，稀土元素本身也会产生细化作用。但塑性变形、电磁搅拌或引入塑性变形和织构，或增加成本，较难大规模应用。而孕育处理不仅是铸造镁合金最有效的晶粒细化方法之一，在工业生产中也有很强的可操作性。迄今为止 Zr 是镁合金中最有效的晶粒细化剂。Zr 和 Mg 具有相似的晶体结构和晶格参数，654°C 会发生包晶反应同时生成 Mg 和富 Zr 相。想要得到良好的细化效果，Zr 含量必须高于 0.5wt.%，也就是 Zr 在 654°C 的固溶极限。Zr 合金化的最佳方式是将 Mg-Zr 中间合金直接加入到镁熔体中。1945 年，人们首先制备了商用 Mg-Zr
本文编号：2730158
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V252.2;V261.31;TG146.22;TG166.4
【图文】：
上海交通大学硕士学位论文 科斯基公司生产的 S-92 型直升机、贝尔 BA-609 型倾斜旋翼飞机、欧洲的 NH90 直升机、Eurocopter 120 直升机、中法新三国合作研制 HC120 直升机、美国的 MD500反潜直升机。普惠公司生产的 F119 航空发动机（图 1-1）的变速箱就使用了 WE43合金，该发动机被定制用于美国 F22 战斗机。第四阶段：从 20 世纪 90 年代开始，为了开发具有更高力学性能的镁合金，满足军事和其他高技术领域的需求，人们开始研究含重稀土(Heavy Rare Earth，HRE)元素的镁合金。重稀土元素在镁中的固溶度很高，除Eu和Yb外一般可达10~30wt.%，最大可达 41wt.%。Mg-HRE 合金在高温固溶时可以溶解较多的重稀土，而重稀土的固溶度随着温度的下降而急剧下降，所以该类合金具有很好的固溶强化和时效强化作用。近年来开发的高 Gd 含量 Mg-Gd(-Y)系列合金和 Mg-Sc 系列合金，无论是室温性能还是高温性能都超过以往的耐热镁稀土合金，成为高强耐热镁合金的代表。
9图 1-2 部分镁稀土合金可能的析出序列[68, 69]Fig. 1-2 Possile precipitation sequences of some Mg-RE alloys1.2.3 晶粒细化镁稀土合金的晶粒细化方法有孕育处理[70]、提高凝固速率[71]、塑性变形[72]、电磁搅拌[73, 74]等，而且，稀土元素本身也会产生细化作用。但塑性变形、电磁搅拌或引入塑性变形和织构，或增加成本，较难大规模应用。而孕育处理不仅是铸造镁合金最有效的晶粒细化方法之一，在工业生产中也有很强的可操作性。迄今为止 Zr 是镁合金中最有效的晶粒细化剂。Zr 和 Mg 具有相似的晶体结构和晶格参数，654°C 会发生包晶反应同时生成 Mg 和富 Zr 相。想要得到良好的细化效果，Zr 含量必须高于 0.5wt.%，也就是 Zr 在 654°C 的固溶极限。Zr 合金化的最佳方式是将 Mg-Zr 中间合金直接加入到镁熔体中。1945 年，人们首先制备了商用 Mg-Zr
【参考文献】
相关期刊论文 前2条
1 Yongbo XU;Daokui XU;Xiaohong SHAO;En-hou HAN;;Guinier-Preston Zone,Quasicrystal and Long-period Stacking Ordered Structure in Mg-based Alloys,A Review[J];Acta Metallurgica Sinica(English Letters);2013年03期
2 吴玉娟;丁文江;彭立明;曾小勤;林栋j;;高性能稀土镁合金的研究进展[J];中国材料进展;2011年02期
相关硕士学位论文 前2条
1 黄天龙;合金元素掺杂对镁基体强化效果的第一性原理研究[D];吉林大学;2015年
2 刘志杰;砂型铸造Mg-4Y-2Nd-1Gd镁合金微观组织与力学行为研究[D];上海交通大学;2013年
本文编号：2730158
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