Al-Cu-Mg-Ag合金时效行为及高温耐热性能的研究

论文摘要

超音速飞机巡航速度高,在飞行中与空气摩擦产生的气动热,致使飞机表面温度升高而使机身材料处于150℃以上的环境中。在高Cu/Mg比Al-Cu-Mg系合金中添加微量Ag元素会促进合金形成一种新的细小均匀分布的析出相Ω,从而提高了合金的时效硬化效果及高温性能。本论文设计了三种不同Ag含量的高Cu/Mg比的Al-Cu-Mg-Ag合金（1#含0%Ag,2#含0.33%Ag,3#含0.44%Ag）,用传统的铸锭冶金法制备合金铸锭,并通过热处理和塑性变形控制合金微观组织。采用硬度测试,室温和高温拉伸性能测试,差热分析（DTA和DSC）以及各种显微分析（金相,扫描电子,透射电子）等方法,研究了不同热处理状态下2#合金组织与力学性能的变化规律；本文还深入研究了在高Cu/Mg比Al-Cu-Mg合金中添加不同含量的Ag元素对合金（1#,2#和3#）微观组织和耐热性能的影响。研究结果如下：（1）2#合金铸锭在均匀化处理过程中组织的变化特征为：合金的枝晶偏析基本消除,晶内成分变得均匀化,适宜的均匀化处理制度为：420℃×6h+515℃×16h。适宜的固溶处理工艺为：525℃×2h。（2）添加微量的Ag元素可明显提高Al-Cu-Mg系合金中θ’相的形成激活能,抑制θ’相的形成,显著促进Ω相的析出。2#合金比3#合金更容易析出Ω相,2#合金Ω相的激活能为89.15kJ/mol,比3#合金Ω相激活能低9.45kJ/mol。Ag元素的添加改变了高Cu/Mg比Al-Cu-Mg系合金的时效析出过程,合金时效时的主要析出相为Ω和少量的θ’相,时效析出序列为：（3）与不含Ag的1#合金相比,含Ag量分别为0.33%和0.44%的2#和3#合金具有较高的室温及高温强度。在150℃下进行拉伸试验时,2#和3#合金的σb分别为353MPa,393MPa,而1#合金的6b为333MPa。不同Ag含量的2#和3#合金的高温性能不同。当拉伸温度为150℃及以下时,3#合金的力学性能优于2#合金的力学性能；当拉伸温度为200℃及以上时,2#合金的力学性能与3#合金相当,在200℃下拉伸时,2#合金的σb为321MPa,而3#合金的σb为318MPa。（4）三种欠时效态合金在150℃下热暴露不同时间后,其抗拉强度先增大后减小。在150℃热暴露10h后,1#,2#和3#欠时效合金的σb达到最大值,分别为449MPa,503MPa和510MPa。在150℃热暴露1000h后,三种合金的抗拉强度分别下降为358MPa,412MPa和416MPa。2#和3#T6态合金在相同的热暴露时间下,都随着温度的升高,其强度下降,延伸率略有提高；在同样的热暴露温度下,两种T6态合金随着时间的延长,其强度下降。在250℃下进行不同时间的热暴露后,2#合金耐热性能优于3#合金的耐热性能；在250℃热暴露100h后,3#合金的σb下降为296MPa,而2#合金的σb为315MPa。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 文献综述
• 1.1 Al-Cu-Mg-Ag系合金的发展情况
• 1.1.1 Al-Cu-Mg-Ag系合金的国际发展现状
• 1.1.2 Al-Cu-Mg-Ag系合金的国内发展现状
• 1.2 Al-Cu-Mg-Ag系合金成分及其作用
• 1.2.1 主合金化元素
• 1.2.2 微量添加元素
• 1.2.3 杂质元素及其影响
• 1.3 Al-Cu-Mg-Ag合金时效析出顺序及微观组织
• 1.3.1 沉淀顺序
• 1.3.2 合金时效过程中的主要沉淀相
• 1.4 Al-Cu-Mg-Ag系合金的强化机制及提高耐热性能的方法
• 1.4.1 强化机制
• 1.4.2 提高铝合金耐热性能的途径
• 1.5 Al-Cu-Mg-Ag系合金的热处理制度
• 1.5.1 均匀化退火处理
• 1.5.2 固溶处理
• 1.5.3 时效处理
• 1.6 Al-Cu-Mg-Ag系合金的力学性能
• 1.7 研究的目的和内容
• 第二章 材料制备及实验方法
• 2.1 实验方案
• 2.2 材料制备
• 2.2.1 合金成分设计
• 2.2.2 熔炼与铸造
• 2.2.3 铸锭均匀化制度的优化
• 2.2.4 板材轧制
• 2.2.5 固溶处理温度的确定及时效处理
• 2.2.6 合金高温热暴露处理
• 2.3 性能检测
• 2.3.1 DTA和DSC热分析
• 2.3.2 硬度测量
• 2.3.3 室温拉伸性能测试
• 2.3.4 高温力学性能测试
• 2.3.5 金相组织观察
• 2.3.6 SEM组织观察
• 2.3.7 TEM组织观察
• 第三章 热处理工艺对AL-CU-MG-AG合金组织和性能的影响
• 3.1 均匀化处理对合金铸锭组织的影响
• 3.1.1 合金的铸态组织
• 3.1.2 合金铸锭DTA分析
• 3.1.3 不同均匀化处理工艺对合金铸锭组织的影响
• 3.2 固溶处理对合金的影响
• 3.2.1 合金冷轧态组织
• 3.2.2 合金冷轧态DTA分析
• 3.2.3 固溶温度对合金显微组织的影响
• 3.2.4 固溶态合金室温拉伸性能
• 3.3 时效处理对合金的影响
• 3.3.1 不同温度下的时效硬化曲线
• 3.3.2 合金微观组织分析
• 3.3.3 1#,2#和3#合金的室温力学性能
• 3.3.4 拉伸断口SEM观察
• 3.4 分析与讨论
• 3.4.1 均匀化处理对合金铸锭组织的影响与分析
• 3.4.2 固溶处理对合金的影响与分析
• 3.4.3 时效处理对合金的影响与分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 AG对AL-CU-MG-AG系合金时效析出相的影响
• 4.1 合金时效动力学分析
• 4.1.1 三种合金的时效硬化曲线
• 4.1.2 析出相DSC热分析
• 4.1.3 不同Ag含量对时效析出相激活能的影响
• 4.2 合金时效析出相微观组织观察
• 4.2.1 时效析出相结构分析
• 4.2.2 合金晶粒内的析出相微观组织观察
• 4.2.3 合金晶界析出相微观组织观察
• 4.3 合金时效析出序列
• 4.2.1 高Cu/Mg比的Al-Cu-Mg系合金时效析出序列分析
• 4.2.2 Ag对高Cu/Mg比Al-Cu-Mg合金时效析出序列的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 AL-CU-MG-AG系合金耐热性能研究
• 5.1 Al-Cu-Mg-Ag系合金高温力学性能
• 5.1.1 Al-Cu-Mg-Ag系合金高温拉伸力学性能
• 5.1.2 高温拉伸断口形貌观察
• 5.2 热暴露对Al-Cu-Mg-Ag系合金组织和性能的影响
• 5.2.1 欠时效态合金热暴露性能
• 5.2.2 峰时效态合金高温热暴露性能
• 5.2.3 高温热暴露后的显微组织观察
• 5.3 分析与讨论
• 5.3.1 不同Ag含量对合金高温性能的影响
• 5.3.2 不同热处理状态对合金热稳定性的影响与分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果