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2139铝合金热处理工艺及组织性能研究

作　者: 朱宝宏
导　师: 熊柏青
学　校: 北京有色金属研究总院
专　业: 材料学
关键词: 2139合金 Al-Cu-Mg-Ag合金 2000系铝合金 Ω相
分类号: TG166.3
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-10
目录  10-13
1 绪论  13-36
  1.1 2xxx系铝合金的发展简史  13-15
  1.2 2xxx系铝合金的强韧化研究现状  15-22
    1.2.1 2xxx系铝合金的微合金化发展  16-17
    1.2.2 2xxx系合金的强化相  17-21
    1.2.3 提高Al-Cu-Mg铝合金性能的主要途径  21-22
  1.3 Al-Cu-Mg-Ag合金的研究与发展现状  22-31
    1.3.1 Al-Cu-Mg-Ag合金的成分设计  22-25
    1.3.2 Al-Cu-Mg-Ag合金中Q相的研究现状  25-29
    1.3.3 热处理工艺对Al-Cu-Mg-Ag合金性能的影响  29-30
    1.3.4 预变形对Al-Cu-Mg-Ag合金时效过程的影响  30-31
    1.3.5 外加应力对Al-Cu-Mg(-Ag)合金时效过程的影响  31
  1.4 2139铝合金研究现状  31-34
  1.5 论文选题意义及研究内容  34-36
2 试验方法  36-41
  2.1 实验方案  36
  2.2 实验材料  36-37
  2.3 热处理  37
    2.3.1 固溶热处理  37
    2.3.2 时效热处理  37
    2.3.3 预变形对合金性能的影响  37
  2.4 性能测试  37-39
    2.4.1 常规力学性能测试  37-38
    2.4.2 高温力学性能测试  38
    2.4.3 疲劳性能测试  38-39
  2.5 微观组织观察  39
    2.5.1 金相(OM)观察  39
    2.5.2 扫描电镜(SEM)观察  39
    2.5.3 透射电镜(TEM)观察及能谱分析  39
    2.5.4 高分辨电镜(HREM)观察  39
  2.6 相变与相组成分析  39-41
    2.6.1 扫描示差热(DSC)分析  39-40
    2.6.2 X射线衍射(XRD)分析  40-41
3 固溶工艺研究  41-57
  3.1 铸态组织及均匀化处理  41-45
    3.1.1 铸态2139合金的组织特征及相组成  41-43
    3.1.2 铸态2139合金的均匀化处理  43-45
  3.2 固溶温度对2139合金组织性能的影响  45-50
    3.2.1 挤压态2139合金的金相组织  45-46
    3.2.2 固溶温度对2139合金性能的影响  46-47
    3.2.3 固溶温度对2139合金微观组织的影响  47-50
  3.3 固溶时间对合金组织性能的影响  50-52
    3.3.1 固溶时间对2139合金性能的影响  50
    3.3.2 固溶时间对2139合金组织的影响  50-52
  3.4 双级固溶对含Mn的2139合金性能的影响  52-56
    3.4.1 双级固溶实验的L9(3~4)正交实验设计  52-53
    3.4.2 实验结果  53-55
    3.4.3 正交试验结果分析  55-56
  3.5 本章小结  56-57
4 时效工艺研究  57-90
  4.1 2139合金时效析出序列研究  57-63
    4.1.1 DSC变化曲线  57
    4.1.7 DSC峰值温度点短时保温微观组织观察  57-59
    4.1.3 DSC峰值温度点保温2h微观组织观察  59-61
    4.1.4 结果分析与讨论  61-63
  4.2 时效温度对2139合金性能及组织的影响  63-76
    4.2.1 时效温度对2139合金常规力学性能的影响  63-65
    4.2.2 时效组织的观察与分析  65-75
    4.2.3 拉伸断口分析  75-76
  4.3 2139合金时效强化机制研究  76-84
    4.3.1 Ω相的HREM形貌特征  76-78
    4.3.2 Ω相形核长大机制研究  78-82
    4.3.3 Ω相的交叉生长  82-84
  4.4 预变形对时效工艺的影响  84-88
    4.4.1 预变形对2139合金性能的影响  85-86
    4.4.2 预变形对2139合金微观组织的影响  86-87
    4.4.3 结果分析  87-88
  4.5 本章小结  88-90
5 微量元素对2139合金性能的影响  90-112
  5.1 微量Ag对2139合金析出行为的影响  90-94
    5.1.1 2139合金时效析出热力学分析  90-91
    5.1.2 2139合金时效析出动力学分析  91-94
  5.2 微量Mn元素对Al-Cu-Mg-Ag合金的影响  94-102
    5.2.1 铸态及挤压态2139M合金金相组织特征  94-96
    5.2.2 2139M合金热处理工艺及微观组织特征  96-97
    5.2.3 微量Mn对合金常规力学性能的影响  97-99
    5.2.4 微量Mn元素对Al-Cu-Mg-Ag合金组织的影响  99-101
    5.2.5 拉伸断口形貌观察与分析  101-102
  5.3 微量Mn对2139合金耐热性能的影响  102-103
  5.4 微量Mn元素对2139合金疲劳性能的影响  103-110
    5.4.1 疲劳性能  103-104
    5.4.2 疲劳断口分析  104-110
  5.5 本章小结  110-112
结论  112-114
参考文献  114-121
攻读博士学位期间取得的学术成果  121-125
致谢  125-127
作者简介  127

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