超高强铝合金研究进展与发展趋势

超高强铝合金具有密度低、比强度高等特点,广泛应用于航空、航天、核工业等领域。合金的极限强度已从第四代铝合金的600 MPa级,逐步发展到650~700 MPa级、750 MPa级,甚至800 MPa级及以上第五代铝合金。本文首先对超高强铝合金的发展历程和国内外发展现状进行概述;随后,从成分设计与优化、熔铸与均匀化技术、热变形技术、热处理技术、计算机辅助模拟计算共五个方面对近些年的研究进展和所遇到的问题进行了总结和讨论;最后,结合未来装备的发展需求和国内的技术现状,指出“深入研究基础理论,解决综合性能匹配等问题以及在特定应用场景下专用材料的推广应用”是超高强铝合金的发展趋势和重要方向。

锌镁比对Al-Zn-Mg-Cu-Er-Sc-Zr合金显微组织与耐腐蚀性能影响的研究

通过调整Al-Zn-Mg-Cu-Er-Sc-Zr合金中的Mg元素含量,研究了Zn/Mg比的变化对合金相演变以及腐蚀性能的影响规律。结果表明:Al_(8)Cu_(4)Er相、Al_(3)(Er,Sc)相与含Fe相存在明显的伴生关系,二者依附于含Fe相生长。Zn/Mg比的变化可显著改变三者间的交互形式,高的Zn/Mg比例有利于稀土相独立生长,且在比值为4.18的条件下,Al_(8)Cu_(4)Er相与含Fe相均得到了显著细化。细化的晶界第二相使腐蚀坑深度仅为_(8)2μm,而连续的伴生混合相、粗大稀土相等均会不同程度降低合金的耐蚀性能。

Al-Cu-Mg-Ag轮毂锻件的热稳定性

以峰时效态的Al-Cu-Mg-Ag轮毂锻件为研究对象,研究锻件不同热暴露温度和热暴露时间的室温拉伸性能和高温拉伸性能,并对锻件在不同温度下的热稳定性进行对比和分析,结果表明:Al-Cu-Mg-Ag锻件具有良好的热稳定性,在150℃暴露1~100 h后,室温拉伸性能和高温拉伸性能无显著变化;在150~200℃短时间热暴露1 h不会降低综合性能,但随着热暴露温度的升高和热暴露时间的延长,Al-Cu-Mg-Ag锻件强度产生不同程度的下降;在200℃和250℃暴露100 h后,室温屈服强度分别剩余61.1%和37.2%,室温抗拉强度分别剩余77.8%和60.8%,高温屈服强度分别剩余61.6%和42.8%,高温抗拉强度分别剩余67.5%和47.6%;Al-Cu-Mg-Ag锻件的主要析出相为Ω相和θ′相,在Kt=1和R=0.1的实验条件下,200℃/10 h热暴露后的室温疲劳极限为278 MPa,相比热暴露前的疲劳极限311 MPa降低了10.6%。

电磁搅拌对5356铝合金显微组织的影响

采用电磁搅拌技术制备5356铝合金,以期可以改善该合金的内部质量,消除颗粒第二相局部偏聚的现象。通过对电磁搅拌磁场类型、搅拌温度区间和励磁电流大小三个方面初步的探究,试验证明:在螺旋磁场(励磁电流25 A,频率10 Hz)条件下,搅拌至完全凝固状态,该合金的显微组织最佳,呈现第二相分布十分均匀的破碎枝晶状态,平均晶粒尺寸最小,可达147.9μm,相比于无电磁搅拌状态,该指标降低了57.7%。

5356铝合金熔体复合净化技术研究

本试验采用软接触电磁连续铸造法制备5356铝合金,并通过XRF、OM、SEM-EDS和氢含量测定等分析测试方法,研究了C2Cl6和C2Cl6-TiO2复合熔体净化技术对5356铝合金氢含量的影响。研究结果表明,选用不同成分配比的除气剂:1.00 wt.%C2Cl6和0.85wt.%C2Cl6+0.55 wt.%TiO2(占炉料),均可使5356铝合金电磁连铸铸锭氢含量控制在0.15μg/g,熔体具有较高的洁净度,显微组织中未发现有害的粗大杂质相、明显气孔和其他氧化物夹杂。

一种新型高锌Al-Zn-Mg-Cu合金的热处理工艺

采用热顶直冷半连续铸造法制备了一种Zn元素含量达9.6%(质量分数)的Al-Zn-Mg-Cu系铝合金。利用金相显微镜、透射电镜进行微观组织观察,采用差热分析仪测试相转变温度。测试了硬度、拉伸性能并利用扫描电镜进行断口分析。表明:铸锭的铸态组织细小,晶间共晶相较少,共晶相的熔化温度为473.4℃。铸锭的均匀化工艺为465℃/24h,经均匀化处理后,晶界变为断续状,晶界相明显回溶。通过挤压法制备合金棒材,系统研究挤压棒材在不同温度下的单级和三级时效硬化曲线。表明在135℃/12h的单级时效制度下,合金挤压棒材的峰值硬度为197.7HBS,抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为727.5,718.0MPa和9.3%;在120℃/24h+190℃/5min+135℃/3h的三级时效制度下,合金挤压棒材的峰值硬度为204.7HBS,抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为764.0,749.0MPa和7.2%。

螺旋磁场对Pb-Sn合金成分偏析的影响

测试分析新型电磁搅拌器内螺旋磁场和旋转磁场的磁感应强度、分布和作用规律,研究螺旋磁场对Pb-80%Sn过共晶合金凝固组织影响的作用机理,并与无磁场和旋转磁场条件下合金凝固组织的形貌特征及成分分布进行对比分析。结果表明:螺旋磁场相比于旋转磁场可以在铸锭内部更大区域内形成均匀搅拌,更易于破碎和细化枝晶组织,既能促进椭球或球状晶的生成,又能更好地改善宏观偏析;在频率一定的情况下,初生相晶粒尺寸随着励磁电流的增大而减小;当励磁电流为125A时,旋转磁场和螺旋磁场细化晶粒的效果最好;继续增大电流,晶粒产生粗化;螺旋磁场可基本消除成分偏析,并在较小励磁电流(100A)下达到采用旋转磁场(125A)时的最佳搅拌效果。

基于Inventor的概念草图设计方法研究

给出了在Autodesk Inventor平台上进行齿轮油泵零部件设计时使用概念草图设计方法进行装配设计的过程。这种方法增加了设计结果的可修改性,使设计的思路表达更加清晰简洁。

超高强度7A36铝合金挤压管材热处理工艺研究

针对工业化生产条件下制备的?250 mm×20 mm和?340 mm×30 mm两种规格的7A36铝合金挤压管材,开展单级/双级固溶工艺和110~135℃下的单级时效-拉伸性能曲线研究,并采用优选的热处理工艺,对两种规格管材的拉伸性能进行对比研究。采用差热分析仪测试相转变温度,利用金相显微镜、扫描电镜和透射电镜进行显微组织与拉伸断口观察。结果表明:7A36合金管材在优选的热处理工艺下,其抗拉强度、屈服强度和伸长率分别可达696,655 MPa和14.0%;相比常规的半连续铸造(direct chill casting, DC)铸锭+大挤压比工艺,采用锻造铸锭+常规热挤压工艺,合金管材表现出晶粒和晶界/晶内析出相尺寸更小以及晶界无沉淀析出带(precipitation free zone, PFZ)更窄的组织特征,该组织特征是影响强度性能的主要原因;同时,该合金具有较高的淬火敏感性,固溶处理过程中,易在富Fe相附近诱发淬火微裂纹,显著影响合金管材的伸长率。

新型稀土镁合金的研究进展

稀土镁合金因其优异的室温及高温力学性能而具有广阔的发展前景,文中详细介绍了稀土镁合金中稀土元素在铸造性能、微观组织、力学性能和耐蚀性能方面的作用,以及Mg-Y和Mg-Gd两大主要稀土镁合金系的发展现状。重点分析了目前的研究热点之一:长周期有序结构LPSO(Long Period Stacking Ordered Structure),并针对Mg-Y(-RE)-Zn和Mg-Gd(-RE)-Zn两个合金系的研究现状进行了阐述;如何提高稀土镁合金的强度、韧性、高温性能和耐蚀性能等方面的同时,解决高成本制备和环境污染问题,建立健全一个绿色的稀土镁合金产业链仍需科研工作者的进一步努力研究。

Sc、Er元素在Al-Zn-Mg合金中的作用机理研究

采用直冷半连续铸造法制备了三种不同成分的Al-Zn-Mg-(Sc)-(Er)合金材料。利用金相显微镜、扫描电镜和透射电镜进行微观组织观察,采用差热分析仪测试相变转变温度,测试了硬度、拉伸性能并利用扫描电镜进行断口分析。结果表明:Al-8.5Zn-1.5Mg-0.1Zr合金中添加0.1%Sc+0.1%Er的晶粒细化效果最好,室温拉伸性能最佳,抗拉强度、屈服强度和伸长率分别可达585 MPa、566 MPa和8.3%;添加0.2%Er元素(0.1%Er等量替代0.1%Sc)的合金的晶粒细化效果和室温拉伸性能均明显差于Al-8.5Zn-1.5Mg-0.1Zr-0.1Sc-0.1Er合金;而添加0.4%Er元素(0.3%Er过量替代0.1%Sc)与添加0.1%Sc+0.1%Er元素对于Al-8.5Zn-1.5Mg-0.1Zr合金在晶粒细化和室温拉伸性能方面带来的增益效果较为接近,但较高含量的Er元素添加容易在合金内部形成偏聚的现象。

Al-8.8Zn-1.4Mg-0.5Cu-0.1Sc-0.1Er-0.1Zr合金的热变形行为及热加工图

采用Gleeble-3800型热模拟试验机对Al-8.8Zn-1.4Mg-0.5Cu-0.1Sc-0.1Er-0.1Zr合金在变形温度380~440℃,应变速率0.01~10s-1,变形量45%,60%条件下进行等温压缩试验,研究了该合金的热变形行为,构建了变形本构方程和基于动态材料模型的热加工图,确定了最佳热加工工艺参数区间,并对特征区的组织进行了分析。结果表明:试验合金的等温压缩过程具有等温流变特征、正应变速率和负温度敏感性;在试验范围内最佳的热加工工艺参数为变形温度425~440℃、应变速率0.01~0.02s-1;合金的失稳区主要发生在大变形量、低变形温度、高应变速率条件,组织中位错塞积和绝热剪切带的出现是试验合金发生失稳的主要原因。

航空铝合金研究进展与发展趋势

铝合金广泛应用于飞机主承力框、梁、壁板、蒙皮等部位,占飞机结构重量的40%~70%,是非常重要的结构材料。从最初仅仅满足对强度的需求逐渐扩展到面向耐腐蚀、高强高韧、耐损伤等综合性能要求,国内外航空铝合金在需求牵引与自身的技术进步的双重推动下,至今已经发展至第五代。首先对国内外航空铝合金发展历程进行了简要总结,接着,为进一步推动国产航空铝合金研发和应用,对航空铝合金制备全工艺流程所涉及的热点问题及研究进展进行了总结和讨论,如合金成分设计、熔铸技术、热变形技术、热处理技术等。最后,结合航空装备发展需求和国内技术现状,对我国航空铝合金发展趋势和重要方向提出了建议。

800 MPa级超高强度铝合金的时效析出行为

采用硬度、电导率、室温拉伸测试方法,研究110~140℃范围内时效不同时间后新型铝合金性能的变化。利用透射显微镜(TEM)观察合金的组织形貌特征。结果表明:该新型铝合金最佳的时效工艺为110℃保温24 h,此条件下合金的抗拉强度,屈服强度和伸长率分别为808,785 MPa与6.9%。时效温度是影响合金析出相种类、密度和尺寸的主要因素。在110℃时效时,合金主要的析出相是GPⅠ区、GPⅡ区和亚稳η′相。110℃时长时间(直至96 h)时效后,GPⅠ区和GPⅡ区仍能稳定存在。与110℃时效相比,在140℃时效时,析出过程加速。当140℃时效4 h后,未观察到GP区的存在,主要的析出相为η′相;140℃时效24 h后,主要的析出相为η′相和η相。

800MPa级Al-Zn-Mg-Cu系合金

通过采用在线精炼、在线细化、热顶铸造等技术手段,成功在直接水冷半连续铸造设备上制备出了合金化元素总量达20%的Al-Zn-Mg-Cu系合金,打破了7000系铝合金合金化元素总量不高于14%的极限。利用金相显微镜、透射电镜进行微观组织观察,采用差热分析仪测试相转变温度,测试了硬度、拉伸性能并利用扫描电镜进行断口分析。该合金经过挤压、RRA热处理后,其抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到810.3,799.3MPa和3.4%。通过对单级时效动力学和三级时效动力学进行研究,确定了合金的最佳时效温度为120℃,而时效时间的可选择范围较大。Zn含量高达16.1%的铝合金中主要由未溶第二相和时效析出相η′相共同强化,未发现其他新析出相。

立式半连续铸造技术进展

围绕铸造机、结晶器的发展对半连续铸造技术进行归纳,提出热顶铸造和同水平铸造是当前的发展方向。结合凝固过程以及传热分析,讨论向上导热距离、向下导热距离、铸造速度、结晶器有效高度等关键参数的影响规律,测量和估算连续铸造过程中的各种物理量、界面参数的方法。指出结合模拟仿真技术、大数据技术等建立的连续铸造工艺参数专家系统,将是未来的研发重点。

主元素改变对Al-Zn-Mg-Cu-Er-Sc-Zr合金显微组织与腐蚀性能的影响

以自制的Al-Zn-Mg-Cu-Er-Sc-Zr铝合金为基础,通过调整主元素Zn、Mg、Cu的含量研究了三者与外加微量Er元素交互作用下的合金组织演变过程及其对合金腐蚀性能的影响。研究结果表明:Cu的加入可与Er在晶界形成大量的颗粒状AlCuEr相,而Zn、Mg含量的增加可使颗粒状AlCuEr相转变为粗大块状相。颗粒状AlCuEr相具有更高的耐腐蚀性能,其点蚀坑深度明显低于无Cu合金的残余相,且无晶间腐蚀发生。Cu元素的加入将大量Er元素固定于晶界,影响了合金在不同状态下的抗剥落腐蚀性能。

时效工艺对新型铝合金超厚板组织与性能的影响

采用硬度、电导率、室温拉伸、断裂韧度实验的方法,研究155~175℃范围内二级时效不同时间230 mm铝合金超厚板各项性能的变化。利用透射显微镜(TEM)观察合金不同时效工艺下组织形貌特征。结果表明:该铝合金超厚板优选的T7451二级时效制度为155℃保温24 h,此条件下合金横向屈服强度、抗拉强度、伸长率分别为448 MPa,512 MPa,7.6%;L-T向断裂韧度为29.8 MPa·m^(1/2);电导率为41.6%IACS。此时主要的强化相为η'相和η相。时效温度是影响合金析出相密度和尺寸的主要因素,时效温度越高,析出相析出和长大的驱动力越大,析出相尺寸越大,电导率越高,强度越低。晶内与晶界强度差减小,是过时效状态下合金断裂韧度提高的主要原因。

新型Al-Zn-Mg-Sc-Er-Zr合金的热变形行为

采用Gleeble-3800热模拟机研究Al-8.9Zn-1.3Mg-0.1Sc-0.1Er-0.1Zr铝合金的热变形行为,构建温度380~440℃、应变速率0.01~10 s^(-1)区间内合金的热加工图,使用X射线衍射(XRD)、选区电子衍射(SAED)与能谱(EDS)对合金中存在的物相进行分析,并使用金相显微镜(OM)和透射电子显微镜(TEM)观察合金热变形后的微观组织。结果表明:合金的最佳热加工工艺参数区间为:400℃<T<440℃,0.01 s^(-1)<ε<0.1 s^(-1)。变形后合金的主要相组成为α-Al和Al_(3)(Sc,Er);塑性变形所需的应力随温度的升高和应变速率的降低而减小,主要是由于再结晶的发生和Al_(3)(Sc,Er)粒子钉扎力的减小;低应变速率下,发生动态软化的倾向更大,软化机制由动态回复转变为动态再结晶;绝热剪切带与位错塞积的形成是导致合金失稳的主要原因。

第二级时效对7085铝合金厚板力学性能及晶间腐蚀性能的影响

采用光学显微镜(OM)、电子万能实验机、透射电子显微镜(TEM)等分析测试手段研究了第二级时效对7085铝合金δ230 mm厚板力学性能及晶间腐蚀性能的影响。结果表明:在第一级时效为120℃/6 h时,7085铝合金厚板最优的第二级时效制度为155℃/(24~28)h。此时合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率最高为516 MPa,485 MPa,13.9%,电导率达到42.1%IACS。7085铝合金在第二级时效过程中主要析出相为η,和η相,随第二级时效温度的提高和时效时间的延长,晶界析出相逐渐呈断续分布,耐晶间腐蚀性能提高。在最优第二级时效155℃/(24~28)h时,晶间腐蚀最大深度为92.3μm,腐蚀评级3级。