高性能铝合金研究进展

兵器材料科学与工程
系铝合金耐蚀性 、 机加工性 、 可焊性等特性 耐蚀性 应力 腐蚀 B C C B C B B C 冷加 工性 D D D D D D D D 焊接性 阳极氧化 机加 表面处理 氩弧 工性 气焊 点焊 能力 焊 B C C C C B B D B B B B B B B C D D D D D D D D D D D D D D D D B B B B B B B C
b 0. 2 10 硬度 HB E / MPa / M Pa / % / 10 / 49 00/ GPa
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高强铝合金的发展
高强度铝合金主要是以 Al- Cu- Mg 系( 2 系 ) 和 Al- Zn- Mg- Cu 系 ( 7 系) 为主的合
金。2 系合金是发展最早的一种热处理强化 型合金。航空工业的发展 , 促进了该系合金的改进。 二十世纪 20 年 代和 30 年代 相继 发展了 2014 和 2024 合金 , 随后又发展了 2618 合金。这个系的合 金发展较为成熟, 已先后定型了十几个牌号。更为 广泛应用的 7 系合金是二十世纪 60 年代国 际上以航空航天用材为背景研制并发展起来的一类 高强高韧铝合金材料。长期以来广泛用于各种飞机 机身、 机翼梁、 机舱壁板、 飞机和火箭中高强度结构 零件等的制造, 是世界各国航空航天工业中不可缺 少的重要材料 [ 1] 。目前全世界 已开发了数十 种不 同成分标准牌号的 7 系铝合金产品, 相应的 合金热处理标准工艺更达数百种之多。 但是高强铝合金的广泛应用往往由于 其低韧 性、 应力腐蚀、 剥落腐蚀等性能缺陷而受到限制 , 在 少牺牲甚至不牺牲强度条件下提高材料韧性、 应力 腐蚀等性能是一个重要研究课题。其有效的技术是 通过各种途径控制材料的微观结构 , 为此许多材料
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问题与展望
综上所述, 对高性能铝合金的开发研究, 目前尚 有以下几方面问题重点解决 : ∃ 合金成分的合理设 计 ; % 热处理工艺研究, 材料组织控制的技术完善。 因为组织决定性能。如 7 系铝合金中沉淀相 及无析出带宽度如何影响材料的性能, 怎么控制这 些因素, 均有待深入研究 ; & 综合性能的提高 , 尤其 是高强下抗应力腐蚀性能的提高; ∋ 材料先进制备 技术, 加工成形技术和装备的完善。 我国对该类材料的研究与国外有一定差距 , 可 喜的是目前已对高性能铝基结构材料有了很大的重 视。如( 十五) 、 ( 863)、 ( 973) 等重大科研项目均对该 类材料的开发研究列项研制。相信几年后 , 我国高 性能金属材料的研制将达到国际先进水平。 参考文献:
第 25 卷 2002 年
第 3期 5月
兵器材料科学与工程
O RD NA N CE M A TER IA L S CIENCE A ND EN G IN EERIN G
V ol. 25 M ay
No. 3 2002
高性能铝合金研究进展
罗兵辉, 柏振海
( 中南大学 材料系 , 长沙 410083) 摘 要 : 介绍了高强高韧铝合金的发展及研究现 状 , 评述了研究进展 , 指出了现存问题并展望了其发展趋势。 文献标识码 : A 文章编 号 : 1004 244X( 2002) 03 0059 04
[ 11, 12]
如采用 P/ M 工艺制备 Al- 10% T i- 2% Cu 合金和 Al- 10% T i- 2% Ni 合金 , 强度可达 800MP a 以上。 有人
[ 16]
用碳纤维增强 7075 铝合金复合材料 , 其室
பைடு நூலகம்
温下强度值可达 900MPa 以上 , 对于这些特定性能 的铝合金材料主要用于飞机、 火箭等的某些特殊部 件。制备中相对传统方法一般成本高, 且制备材料 形状尺寸有限。但这些新工艺制备技术的改进弥补 了用传统工艺所无法达到的高性能。
图 3 A l- Ce- F e 合金铸态组织示意图 图2 净化处理与否熔体中复合化合物除去率 No . 1 为未经净化处理熔体 No . 2 为经净化处理熔体
第 3期
罗兵辉等 : 高性能铝合金研究进展
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韧性分别提高 50% 和 38% 。 2. 2. 2 热处理制度对性能的影响 高强高韧铝合金的强度、 韧性和 SCC 敏感性等 受热处理条件的影响特别显著。对于目前广泛应用 的高强 Al- Zn- M g- Cu 系铝合金 , 其基体沉淀相 , 晶界沉淀相和无析出带宽度的特性 , 基本上决定了 合金的性能。而贯穿在整个固溶处理、 淬火和时效 过程的热处理就是通过最佳工艺参数的选择, 以达 到三个组织参数间的良好配合 , 使合金具有最佳的 综合性能。不过迄今为止, 决定合金性能三个因素 怎么影响 7 系铝合金性能尚还在研究中。什 么样的基体沉淀相对强度贡献最大 , 何种基体沉淀 相能获得最佳的强韧性及抗应力腐蚀性能的配合 , 人们所持的观点是不同的。如果仅从强度的角度来 考虑沉淀相, 无论是何种质点作为强化相, 其体积分 数越大, 越弥散 , 强化效果就越好。若沉淀相质点的 强度较高 , 且分布均匀, 则必然对韧性及抗应力腐蚀 性能有利。对 于晶界沉淀相由 于其依赖于晶 界结 构, 目前尚不能定量描述某种晶界沉淀相作用 , 因为 即使同一种合金在相同的热处理制度下, 晶界沉淀 相的大小和形状也会因晶界不 同而出现较大 的差 异。但有一点是明确的。即连续网状分布的晶界沉 淀相对合金性能不利。无析出带宽度对性能影响更 是有更多不同观点
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高强度铝合金研究的发展趋势
要扩大高性能铝合金的应用 , 在提高其强度的
同时, 必须提高其韧性、 抗应力腐蚀性能等。目前国
作者简介 : 罗兵辉 ( 1965- ) , 男 , 副教授 , 主要从事高强耐蚀可焊铝合金的研究
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表2 材料 名称 7050 7068 7075 7149 7055 部分 7 状态 普遍 腐蚀 T7 T6 T6 T7 T6 T7 T7 C C C C C C C C
第 25 卷
图1
熔铸装置
碳纤维增 T6 强 7075
内外均投入了大量的人力、 物力开展研究, 主要涉及 成分设计、 熔铸技术、 细晶化技术及热处理工艺研究 等, 以下叙述主要几方面的研究情况。 ( a) 耐腐蚀是以 A ! E 顺序递减 , A、 B 指能在工 业性大气或海洋气氛下不必保护使用, C、 D和E 则 应采取表面保护措施; ( b) 应力腐蚀基于 3. 5% NaCl 溶液中试验条件下得出的结论 , A 表示无破坏痕迹 , B 为少量破坏 , C 、 D 则表示明显应力破坏; ( c) A D 为冷加工性, A E 为机加 工性, A C 为阳极 氧化 表面处理特性递减顺序; ( d) A D 为焊接性优劣顺 序, A 为用一般工艺及方法均可焊 , B 为必用特定的 焊接工艺才能实施焊接, C 为焊接区强度损失大、 裂 纹敏感性大, D 为不可焊。 2. 1 熔体净化技术 首先对熔铸过程进行控制 , 除控制铸造速度外 , 熔体净化是很重要的因素。传统熔体净化方法有两 种, 一是采用高纯度的工业原料 , 减少 Fe 、 Si 金属间 化合物含量, 以提 高合金的断裂韧 性和疲劳强度。 该方法有效但成本高。二是先将杂质转变为复合化 合物 , 然后再将化合物分离、 去除。但往往带来铝液 的大量消耗。目前的研究重点主要是在熔铸设备或 除气除渣工艺上作改进, 使铸锭质量提高, 即先用少 量的碱土金属加至铝或铝合金熔体中, 形成杂质的 金属间化合物和碱土金属氧化物 , 尔后采用卤化工 艺分离。有人[ 7] 采用图 1 所示装置对 5 系铝 合金进行熔铸, 未经净化处理及经以上净化技术处 理后熔体中复合化合物除去率对比如图 2 所示 , 经 净化处理后铸件夹杂或有害相将大幅减少。 2. 2 组织控制技术 组织决定材料性能, 对组织的控制又包括两方 面: 一是原始铸锭组织, 二是热处理制度的影响。 3. 2. 1 铸锭组织对性能的影响 铸锭晶粒细且均匀, 则铸件的综合性能好。传 统的细化晶粒技术主要是加大冷却速度和添加形核 剂。形核剂主要有 T i、 B 等。目前有加入钪 ( Sc) 和 锆 ( Zr) , 使形成 Al3 Sc 或 Al3 ( Sc, Zr ) , 促进形核, 其 对铝合金组织和性能 的影响十分明 显[ 8] 。另外铸 造工艺及成分设计对性能的影响是相当显著的。工 作[ 9~ 10] 对 Al - Ce- F e 合 金采用一定的 冷却速度 ( ∀150 # / s) 和铸模 , 使获得 铸件晶粒 小于 10 m 。 研究得出: 控制一定成分及熔铸工艺 , 使析出相呈团 状分布于 ! - Al 相周围。某些 !- Al 熔体晶粒位向 趋于一致 , 示意如图 3。析出相细小 , 均匀分布, 且 与基体 !- Al 相结合好 , 使 Al- Ce- Fe 合金强度及
表1 材料 名称 7050 7068 7075 部分 7 制 备 工艺 铸造 + 热挤压 + T 76 + T 74 + T6 + T 73 + T6 7149 铸造 + 热锻造 + T 74 + T 76 7055 铸造 + 热轧 + T 77 7033 B* 96 横向 纵向 + T6 + T 71 系高强铝合金力学性能
[ 1] 武 恭等 . 铝及 铝合金 材料 手册 [ M ] . 北京 : 科 学出 版 社 , 1994. 109- 113. [ 2] Starke E A, Jr, Q uist W E. I n flig ht vehicle mater ials, structures and dynamics: Assessment and Future Directions [ C] , V ol 2. N oor A K , Venneri S L , Ed. American Soci ety of M echanical Engineers. 1992. 118- 160. [ 3] Staley J T . M icrostructure and toughness o f high strength aluminum alloys[ C] . Presented at AST M Symposium on Pro perties as Related to T oug hness, ( M ontreal, Canada) , AST M , June 1975. [ 4] T hompson D S, Levy S A , Benson D K . T hermo mechani cal aging of aluminum alloys[ C] . T hird Inter nationa Con Ference on Str ength of M etals and Alloys, Cambridge U ni versity Press, England, 1973. 119- 12. [ 5] Staley J T , Rolf R L . International sy mposium o n light metals[ C] . T he M inerals, M et als and M ater ials Society, August 1993. [ 6] Staley J T . A luminum alloys and composites [ P] , Encyclo pedia of Physical Science, Elsevier Applied Science, N Y, V ol 1, 1992, 591- 598.
工作者作了大量的工作。如在 7
系合金中通
过成分设计、 细化晶粒、 净化熔体、 减少杂质元素含 量及改善加工及热处理工艺改善合金组织[ 2~ 5] , 使 7 系合金综合性能有很大提高。同时根据应 用要求派生出许多新合金, 如 7055 合金 [ 5] 。由美国 铝业协会 ( AL COA) 发展的 7055- T 77 合金在有高 强度同时具有很高抗应力腐蚀性能[ 5~ 6] 。表 1、 表2 分别列出了几类高强铝合金的力学性能、 腐蚀性能、 焊接性能以及工艺性能等。从表 2 可以看出, 7 系铝合金虽有高的力学性能, 但其它性能有待改 善。
关键词 : 铝合金 ; 力学性能 ; 组织 中图分类号 : T G146. 2 + 1
在许多工业应用及航空航天应用领域, 选择材 料最为重要的参数是轻质、 高强高韧。铝合金由于 具有密度低、 优良的力学性能等特点, 是这类材料理 想且应用最多的材料。为此, 各国材料工作者多年 来一直致力开发研究各种高性能铝合金, 取得了很 大成效 , 特别是在高强高韧铝合金开发研究上。本 文总结了国内外几十年来高性能铝合金的发展状况 和研究成果, 指出了目前存在的问题, 旨在为我国该 类材料的研究开发提供参考。
收稿日期 : 2001- 09- 26; 修订日期 : 2002- 01- 18
552 524 710 572 503 648 586 538 630 650 518 761 754 934
489 469 683 503 434 592 530 483 610 620 483 715 712 870
11 11 6 11 13 5 7 7 12 10 12 10 8 2
150 140 190
72 72 74
铸造 + 热挤压 + T 6 铸造 + 热挤压
170 160 150
73 73 73
铸造 + 热挤压 + T 6 喷射成形 + 热挤压 T6
80 74 74
碳纤维增 强 7075
B* 96 为俄罗斯牌号 ( Al- Zn - M g- Cu 系 , Zn 的质量分数为 8. 5% ~ 9. 0% )