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        超高強鋁合金熱處理工藝探討

        2019-05-23 12:02:00余成遠石家平
        世界有色金屬 2019年3期
        關鍵詞:過飽和腐蝕性晶界

        余成遠,石家平

        (浙江萬豐奧威汽輪股份有限公司,浙江 紹興 312500)

        1 超高強鋁合金的發(fā)展

        Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金就是超高強鋁合金,又稱為7系鋁合金,其優(yōu)點就是強度、硬度、耐用性、經(jīng)濟性較好,又能夠耐腐蝕,被航天航空領域廣泛使用。超高強鋁合金的研究路程較為坎坷,從1923年開始,外國科學家就對鋁合金進行研究,通過加入各種元素來調整其硬度和強度等,雖然通過研究強度是加強了,但是其抗應力耐腐蝕性均無法達到實際應用的標準。國外的超高強鋁合金研究主要方向都是想著高強度、高韌性、耐腐蝕性方向發(fā)展,其合金化程度越來越高,雜質含量越來越低,純度越來越純,各種元素搭配使其達到最優(yōu)模式。

        國內的超高強鋁合金研究起步較晚,八十年代處開始研究高強高韌鋁合金材質用于航空領域,投入大量的人力物力,到2000年我國超高強鋁合金的發(fā)展程度已經(jīng)達到了國外90年代中期的水平,在近十年中,我國更是致力于研究特高強度鋁合金,目前研究取得了非常大的進展,技術領先于國際水平,并且應用廣泛,能夠突破傳統(tǒng)金屬的制造范圍。

        2 超高強鋁合金的機理和性能

        (1)超高強鋁合金的機理。超高強鋁合金中Zn含量大于3%,Cu的含量大于Mg的含量,Mg含量大于1%。其中Cu是超高強鋁合金極其重要的元素,它能夠改善晶體結構,提高抗腐蝕性能[1]。研究發(fā)現(xiàn),當Zn/Mg比例較小時,Cu含量越高就越脆,韌性越差,反之比值變大,韌性越好。所以超高強鋁合金的搭配比例是關鍵,除了這些元素外,還有微量元素的添加。在超高強鋁合金中,鐵和硅不僅是雜質,還能破壞鋁合金的性能,由于它們在高溫中很難溶解,熱加工的時候就容易變形,使得機體發(fā)生空隙,產(chǎn)生裂痕直接降低了合金的韌性[2]。

        (2)超高強鋁合金的性能。合金的性能受到多方面的影響:①基體沉淀相。合金有較高的強度主要是由于合金的基體組織,在固溶處理后,基體組織隨著時間的變化發(fā)生變化,沉淀相質點分數(shù)越大,分布廣且均勻,則抗應力腐蝕性及韌性就強。②晶界沉淀相。晶界沉淀相對合金的影響主要是網(wǎng)狀分布的晶界沉淀相會破壞合金的性能,找出韌性不住,容易開裂的情況。③晶界無沉淀析出帶。晶界無沉淀析出帶與晶界沉淀相息息相關,很難分開??s小晶界無沉淀析出帶對合金性能還是有利的。研究學者經(jīng)歷了幾千萬次試驗,通過調整元素配比來達到做好的韌性。在研究過程中發(fā)現(xiàn),處理元素外,其他影響因素主要就是晶體形狀和大小,材料組織狀態(tài)等。

        3 鋁合金的熱處理工藝

        超高強鋁合金主要是通過熱處理技術來合理選擇參數(shù),使得合金擁有較好的綜合性能。其主要的工藝包括:

        (1)均勻化。鋁合金均勻化處理就是提高錠坯的冶金質量及擠壓性能,我們都知道所有的合金在凝固的時候都會存在枝晶偏析,必須通過均勻化處理才能消除,通過均勻化處理減少內應力,提高熱塑性,并且均勻化處理能夠促進第二相溶解,提高合金的固溶度,從而提高強度。

        (2)固溶。固溶,是指將合金加熱至第二相能全部或最大限度地溶入固溶體的溫度,保持一段時間后,以快于第二相自固溶體中析出的速度冷卻,獲得過飽和和固溶體的過程。在固溶過程中,過飽和程度會影響時效析出相的數(shù)量,同時過飽和的程度與合金成分有關,也與固溶程度有關,提高過飽和程度,能夠減少粗大晶體相產(chǎn)生,還能夠改善抗斷裂性能。

        圖1 固溶480℃,24h金相圖

        (3)熱變形處理。熱變形處理主要是人們?yōu)榱俗屼X合金達到最佳功能的一種研究方式,其實質就是利用塑性變形和熱處理來改變合金的性質,提高其強度、韌性和抗腐蝕能力。

        (4)單級時效。單級時效又稱為一級時效,時效完成后會析出細小的共格,形成連續(xù)鏈狀質點,這時鋁合金強度增加,但是對腐蝕性極其敏感,抗腐蝕性較差。單級時效的時間與電導率有曲線關系,并且電導率越高強度就越大。

        (5)雙級時效。雙極時效就是要經(jīng)過兩個時效,第一時效是低溫時效,形成大量GP區(qū);第二時效是高溫時效,讓晶體形成均勻的盤狀相。經(jīng)過雙時效處理,合金的強度下降但是抗腐蝕性增強。

        (6)回歸再時效?;貧w再時效又稱為RRA處理,包括三個階段:第一階段,在較低溫環(huán)境下進行峰值時效;第二階段,在較高溫中進行短時回歸;第三階段,在較低溫下進行再時效。前兩步與雙極時效類似,都是現(xiàn)處于較低溫狀態(tài),后處于較高溫狀態(tài),增加第三階段,主要是提高合金的強度,并且保持第二階段的合金抗腐蝕性能。

        圖2 時效時間與電導率關系曲線

        4 結語

        從石器時代發(fā)展到目前的硅時代,新材料的變化就可以反應出人類歷史文明的變化。超高強鋁合金的研究經(jīng)過漫長的歲月才得以突破腐蝕性差這個瓶頸,實現(xiàn)現(xiàn)在的高強度、高韌性、耐磨性和抗腐蝕性如此全面綜合的性能,并且開始推廣使用,這一步一步都是人類文明的進步印記。

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