2139铝合金热处理工艺及组织性能研究

论文摘要

2139合金是在Al-Cu-Mg合金基础上,通过添加微量Ag元素而开发出来的一种新型2000系铝合金,该合金具有良好的损伤容限性能、耐热性能和抗弹性能,有可能被用于下一代超音速飞机蒙皮和战车装甲等领域。本文针对2139合金的均匀化处理、固溶处理、时效处理等热处理工艺展开研究,分析了合金在时效过程中的组织和性能变化规律,探讨了微量Mn元素在合金中的作用,并初步探索了合金的耐热性能和疲劳性能。铸态2139合金晶粒尺寸较大,晶间存在着严重的成分偏析,利用扫描电镜对合金表面进行成分面扫描,结果表明,Cu元素主要在晶界上偏析,Mg和Ag元素均匀分布在基体上。根据差热分析结果,并结合对合金微观组织的分析及性能测试,确定了铸态2139合金的均匀化处理制度为520℃/24h,挤压变形态合金的固溶热处理制度为（520～525）℃/（1.5-2）h,合金时效温度在160～180℃之间选择。固溶态2139合金的差热分析曲线存在三个放热峰,结合对各放热峰的微观组织分析,确定了三个放热峰分别对应着合金中GP区、Q相和θ’相的形核与长大。2139合金的时效过程分为三个阶段,即欠时效、峰时效和过时效,合金在160℃下达到峰时效的时间为10～12h,峰值强度为473MPa；在180℃下达到峰时效的时间为4～6h,峰值强度为479MPa。在过时效阶段,180℃下的性能衰减速度快于160℃。微量Mn元素能够起到细化合金晶粒的作用,但依然存在晶间偏析。Mn元素对2139合金的相变行为无明显影响,可以采用与2139合金相同的均火制度、固溶制度和时效热处理制度。加Mn的2139合金T6状态极限抗拉强度为453MPa,延伸率大于15%。进入过时效阶段,2139合金强度及延伸率均衰减较快,而加Mn的2139合金则能在较长时间内保持合金强度及延伸率变化不大,表明微量Mn元素有利于提高2139合金的延伸率,但合金强度降低。从热力学和动力学角度分析了微量Ag元素对Ω相形核和长大的影响。微量Ag元素能够抑制高Cu:Mg比Al-Cu-Mg合金中θ’相的形核和长大,并促进Ω相在{111}Al面上析出。研究了2139合金在不同时效阶段的微观组织特征,发现当2139合金在较低温度下时效处理时,时效初期θ’相易先发生析出,随着时效时间的延长,Ω相才逐渐成为合金中的主要强化相；而当合金在较高温度下时效时,时效初期θ’相的析出受到抑制,Ω相在(111}Al面上优先析出并成为合金的主要强化相。高分辨电镜研究表明,Q相与θ’相均与基体呈共格关系。在时效过程中,Ω相以台阶机制长大,Mg、Ag原子在长大过程中偏析到Ω/a界面处,阻碍了Cu原子的自由扩散,有利于阻止Ω相在厚度方向的长大。利用STEM原子像观察,进一步证明了高原子序数的Ag原子分布在Ω/α界面处。在透射电镜下,加Mn的2139合金的主要强化相仍为Q相,同时含有少量的θ’相,以及少量的粗棒状相。能谱分析及衍射花样表明粗棒状相为Al11Cu5Mn3相,不利于提高合金的常规力学性能。分别对固溶态2139合金施加2.5%和5%的预变形,并迅速在180℃下进行人工时效处理,结果表明,2.5%的预变形将2139合金T6态极限抗拉强度提高了11MPa；5%的预变形则将合金的T6态极限抗拉强度提高了34MPa,但预变形降低了合金的延伸率,预变形量越大,延伸率损失越大；预变形不影响合金达到峰时效的时间。将T6态2139和加Mn的2139合金分别在150℃、175℃、200℃和225℃下热暴露100h后,测试其室温强度,结果表明加Mn的2139合金具有良好的耐热性能,特别是合金在150℃下热暴露100h后,其室温强度几乎没有损失。只有当热暴露温度提高到200℃以上时,加Mn的2139合金性能才出现较大幅度下降。峰时效状态2139合金的疲劳极限为141MPa,而加Mn的2139合金的疲劳极限达到了275MPa,表现出了良好的疲劳性能,这主要是因为加Mn的2139合金中形成的AlCuMn三元相能够改变Fe杂质在合金中的存在形式,有利于提高合金的疲劳性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 2xxx系铝合金的发展简史
• 1.2 2xxx系铝合金的强韧化研究现状
• 1.2.1 2xxx系铝合金的微合金化发展
• 1.2.2 2xxx系合金的强化相
• 1.2.3 提高Al-Cu-Mg铝合金性能的主要途径
• 1.3 Al-Cu-Mg-Ag合金的研究与发展现状
• 1.3.1 Al-Cu-Mg-Ag合金的成分设计
• 1.3.2 Al-Cu-Mg-Ag合金中Q相的研究现状
• 1.3.3 热处理工艺对Al-Cu-Mg-Ag合金性能的影响
• 1.3.4 预变形对Al-Cu-Mg-Ag合金时效过程的影响
• 1.3.5 外加应力对Al-Cu-Mg（-Ag）合金时效过程的影响
• 1.4 2139铝合金研究现状
• 1.5 论文选题意义及研究内容
• 2 试验方法
• 2.1 实验方案
• 2.2 实验材料
• 2.3 热处理
• 2.3.1 固溶热处理
• 2.3.2 时效热处理
• 2.3.3 预变形对合金性能的影响
• 2.4 性能测试
• 2.4.1 常规力学性能测试
• 2.4.2 高温力学性能测试
• 2.4.3 疲劳性能测试
• 2.5 微观组织观察
• 2.5.1 金相（OM）观察
• 2.5.2 扫描电镜（SEM）观察
• 2.5.3 透射电镜（TEM）观察及能谱分析
• 2.5.4 高分辨电镜（HREM）观察
• 2.6 相变与相组成分析
• 2.6.1 扫描示差热（DSC）分析
• 2.6.2 X射线衍射（XRD）分析
• 3 固溶工艺研究
• 3.1 铸态组织及均匀化处理
• 3.1.1 铸态2139合金的组织特征及相组成
• 3.1.2 铸态2139合金的均匀化处理
• 3.2 固溶温度对2139合金组织性能的影响
• 3.2.1 挤压态2139合金的金相组织
• 3.2.2 固溶温度对2139合金性能的影响
• 3.2.3 固溶温度对2139合金微观组织的影响
• 3.3 固溶时间对合金组织性能的影响
• 3.3.1 固溶时间对2139合金性能的影响
• 3.3.2 固溶时间对2139合金组织的影响
• 3.4 双级固溶对含Mn的2139合金性能的影响
• 4）正交实验设计'>3.4.1 双级固溶实验的L9（3⁴）正交实验设计
• 3.4.2 实验结果
• 3.4.3 正交试验结果分析
• 3.5 本章小结
• 4 时效工艺研究
• 4.1 2139合金时效析出序列研究
• 4.1.1 DSC变化曲线
• 4.1.7 DSC峰值温度点短时保温微观组织观察
• 4.1.3 DSC峰值温度点保温2h微观组织观察
• 4.1.4 结果分析与讨论
• 4.2 时效温度对2139合金性能及组织的影响
• 4.2.1 时效温度对2139合金常规力学性能的影响
• 4.2.2 时效组织的观察与分析
• 4.2.3 拉伸断口分析
• 4.3 2139合金时效强化机制研究
• 4.3.1 Ω相的HREM形貌特征
• 4.3.2 Ω相形核长大机制研究
• 4.3.3 Ω相的交叉生长
• 4.4 预变形对时效工艺的影响
• 4.4.1 预变形对2139合金性能的影响
• 4.4.2 预变形对2139合金微观组织的影响
• 4.4.3 结果分析
• 4.5 本章小结
• 5 微量元素对2139合金性能的影响
• 5.1 微量Ag对2139合金析出行为的影响
• 5.1.1 2139合金时效析出热力学分析
• 5.1.2 2139合金时效析出动力学分析
• 5.2 微量Mn元素对Al-Cu-Mg-Ag合金的影响
• 5.2.1 铸态及挤压态2139M合金金相组织特征
• 5.2.2 2139M合金热处理工艺及微观组织特征
• 5.2.3 微量Mn对合金常规力学性能的影响
• 5.2.4 微量Mn元素对Al-Cu-Mg-Ag合金组织的影响
• 5.2.5 拉伸断口形貌观察与分析
• 5.3 微量Mn对2139合金耐热性能的影响
• 5.4 微量Mn元素对2139合金疲劳性能的影响
• 5.4.1 疲劳性能
• 5.4.2 疲劳断口分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的学术成果
• 致谢
• 作者简介