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作者：

李红英

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摘要：

本论文针对我国航空航天和武器装备需求及长远发展目标,瞄准国际上铝锂合金研究开发的最新发展趋势,结合总装备部"十五"武器装备预先研究项目,研究开发一种有自主知识产权的高性能通用型(一型两用)铝锂合金,围绕该课题的研究目标,对合金成分设计,加工热处理工艺及优化,微观组织形成与演化,性能评价等方面进行深入系统的研究. 1.根据目标性能指标,进行合金成分设计及微合金化研究,从而筛选优化出满足"一型两用"目标性能的合金成分.根据合金体系及其主成分作用的研究结果,确定以Al-Cu-Li系合金为目标合金体系,该系合金的强度主要取决于Li+Cu元素总量,塑性取决于固溶程度,可以用Li当量(Li+Cu/2.82)粗略估计合金的固溶程度.根据微合金化研究结果,确立"一型两用"通用型铝锂合金的成分设计原则是采用Mn+Zr,Mg+Zn联合微合金化.最终获得航空航天通用的铝锂合金成分范围,注册了有自主知识产权的国产合金牌号2A97,其上下限成分为:Al-3.7～4.0%Cu-1.3～1.6%Li-0.4～0.6%Zn-0.35～0.55%Mg-0.2～0.4%Mn-0.1～0.2%Zr. 2.采用高温拉伸和高温压缩实验,对2A97合金的高温塑性变形行为进行了系统的研究.得到了不同变形条件的真应变-真应力曲线,在充分研究和分析流变应力与应变速度,变形温度关系的基础上,建立了2A97合金高温塑性变形的流变应力数学模型,推导出了用Z参数表达的流变应力方程:根据实验结果计算出了材料常数,α=0.017,n=7.67,A=1.1×10~(16)S~(-1),Q=239.02kJ/mol,Z=εexp(239.02/RT).分析了2A97合金的高温塑性变形条件与变形组织的关系,研究了热变形过程中的加工硬化和动态回复,动态再结晶行为,合理解释了高层错能的2A97合金在较高变形温度和较低变形速度发生动态再结晶的原因.在350～470℃温度范围和1～30S~(-1)速度范围内高温压缩时,实验合金的极限压下量基本都在80%以上,说明2A97合金的高温塑性较好,热变形温度范围较宽.根据测得的塑性图和极限压下量曲线,得到塑性较好的变形温度和变形速度范围,为制定2A97合金的热变形工艺和改善其组织性能提供理论依据. 3.通过测定实验合金的固溶体连续冷却脱溶转变动力学曲线(CCT图),开展测定铝合金CCT曲线的实验方法研究,开发了一种新的固态相变温度测定方法,即连续电阻法与示差热分析法,X射线衍射分析法,微观组织分析法和硬度法结合的分段综合测试方法.分段综合测试法能即时准确测量和反映连续冷却过程中的参数变化,能方便地采集到不同冷却速度的数据,能够推广到其他铝合金CCT曲线的测定,对于研究过饱和固溶体的脱溶动力学及其它能引起电阻变化的相变过程具有重要的实用价值.用分段综合测试法得到了2A97合金的CCT曲线,这是铝锂合金的第一个CCT图,也是第一个相对较为完整的铝合金CCT图,对研究铝锂合金乃至铝合金相变过程和制定热处理工艺有重要的指导作用.由测得的CCT图可以看出,随着冷却速度的增加,脱溶温度降低,孕育期缩短,相变开始至结束时间变短. 4.在研究2A97合金析出相时发现,除了δ'相,T_1相,θ'相等多种已知强化相外,在2A97合金中还存在一种方形相,以往未见报导在Al-Li系合金中存在这种与基体共格的相,经分析电镜和高分辨电镜形貌观察,电子衍射花样分析和X射线衍射成分分析,确认该方形相为σ(Al_5Cu_6Mg_2)相.经T6,双级时效,三级时效后,2A97合金均有σ相析出,经T8时效处理的合金往往不会析出σ相,而析出了较多的T_1相,T6态合金析出较少的T_1相,但析出较多的σ相.时效温度和时效时间对σ相的沉淀产生很大影响,在一定温度经过一定时间才有σ相析出.2A97合金自然时效敏感性较强,在淬火态就有δ'相和θ'相析出. 5.通过一系列的热处理实验及性能测试和组织观察,系统分析了2A97合金的热处理工艺及其对组织性能的影响规律.根据热处理工艺-组织-性能相关性研究结果,确定了2A97合金的最佳热处理工艺:固溶工艺为520℃/2h,水淬,T6为165℃/60h,T8为6%+135℃/60h,双级时效为165℃/36h+130℃/36h,三级时效为150℃/24h+165℃/24h+130℃/48h.在保证良好塑性的同时,采用T8工艺所获得的强度最高,采用T6工艺所获得的强度最低,而采用双级时效工艺和三级时效工艺所获得的强度相差不大,介于T6和T8之间. 6.通过观察合金腐蚀前的微观组织和在EXCO溶液中浸泡不同时间的腐蚀形貌,结合电化学阻抗谱,研究T6和T8两种状态的2A97合金板材的点蚀和剥落腐蚀,发现T8态合金的点蚀敏感性较T6态合金大,但T6态合金的点蚀发展速度较快,经T8时效处理的合金表现出较小的剥落腐蚀倾向.通过恒应力法研究了2A97合金T6态锻件在不同应力水平下的腐蚀性能,实验结果表明,0.5 Rp_(0.2)应力水平下,非应力腐蚀在断裂中所占比例为30%. 7.基于本论文的研究成果制备的2A97合金板材和锻件,由应用研究单位航空材料研究院和航天703所进行了全面的性能评估与分析,结果表明各项性能指标全面超过"十五"攻关要求的技术指标,部分指标甚至优于国外第三代铝锂合金.(1)密度ρ为2.677g/cm~3,弹性模量大于80.7GPa.航空用的T8态板材,抗拉强度Rm560MPa,屈服强度Rp_(0.2)491MPa,延伸率A7%,断裂韧性K_(IC)≥26 MPa·m~(1/2),抗拉强度和屈服强度各向异性分别小于5%.航天用的T6态的锻件,抗拉强度Rm495MPa,屈服强度Rp_(0.2)415MPa,延伸率A10%,断裂韧性K_(IC)≥28MPa·m~(1/2).(2)2A97合金的热稳定性比航空航天广泛使用的传统铝合金7050合金好,强度与7050合金相当,延伸率略低于7050合金,断裂韧性不低于7050合金,应力腐蚀,疲劳裂纹扩展速率等性能与7050合金相当,弯曲成型性能和焊接性能均达到了技术指标要求,焊接系数(氩弧焊)大于0.65.(3)2A97合金的铸造性能与2195,2197合金相近,热变形工艺性能良好,热状态下具有较高的韧性,热处理工艺性较好,淬火温度范围允许值较宽,对淬火速度敏感性比2024合金低,淬透深度大于80mm. 基于本论文研究结果研制的2A97合金具有高强高韧,耐损伤,可焊等特点,具有较好使用性能的同时具有良好的加工性能,实现了一种合金同时满足不同背景需求的设想,从而可缩减军用材料合金体系,大大减少军用材料的研发和生产成本,具有很大的推广应用前景.总装备部已将"通用型铝锂合金"列为"十一五"项目,继续开展工业化试验和应用研究.航空航天通用型铝锂合金的研制成功,开创了铝合金新材料研制的新思路.

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关键词：

铝锂合金 合金设计 微观组织 CCT曲线 析出相

被引量：

7

年份：

2007