热处理对 B-96ц3铝合金组织和性能的影响

；舍舍舍舍舍舍舍一试验研究热处理对B96R3铝合金组织和性能的影响刘廷，李淑娥航天科工六院359厂，内蒙古呼和浩特010076摘要B96U3合金是一种可应用于航空航天工业的超高强铝合金。研究了固溶温度和时效工艺对B96R3合金组织和性能的影响。结果表明，该合金的最佳热处理工艺为480OCX30MIN固溶处理，然后L10CCX6H180X05H110X6H三级时效处理。经上述工艺热处理后，B一96U3合金的抗拉强度大于650MPA，屈服强度大于600MPA，断后伸长率大于7，而且具有良好的耐蚀性能。关键词超高强铝合金；固溶；时效；性能中图分类号TG1663文献标识码A文章编号10081690201304002205E圩ECTOFHEATTREATMENTONMICROSTRUCTUREANDPROPERTIESOFB963ALUMINUMALLOYUUTINGLISHUETHE6THACADEMYOFCHINAAEROSPACESCIENCEANDINDUSTRYCORPORATION359FACTORY，HUHEHAOTE010076，NEIMENGOLCHINAABSTRACTB一96U3ALLOYISANULTRAHIGHSTRENGTHALUMINUMALLOYAPPLICABLETOTHEAERONAUTICANDASTRONAUTICINDUSTRYTHEEFFECTOFSOLUTIONTREATINGTEMPERATUREANDAGINGPRACTICEWASINVESTIGATEDONTHEMICROSTRUCTUREANDPROPERTIESOFB96U3ALLOYTHERESULTSINDICATETHATTHEOPTIMUMHEATTREATMENTPROCESSESOFTHEALLOYARESOLUTIONTREATINGAT480OCFOR30MINFOLLOWEDBYTHREESTAGEAGINGAT110FOR6HPLUS180OCFOR05HPLUS110FOR6HAFTERHEATTREATEDBYTHESAIDPROCESS，THEALLOYWILLGIVETENSILESTRENGTHMORETHAN650MPA，YIELDSTRENGTHMORETHAN600MPAANDELONGATIONMORETHAN7APARTFROMTHEGOODCORROSIONRESISTANCEKEYWORDSULTRAHIGHSTRENGTHALUMINUMALLOY；SOLUTIONTREATING；AGING；PROPERTY新型高性能铝合金具有密度低、强度高、热加工性能好等优点，是航空航天领域应用前景广阔的轻质高强结构材料。目前，我国某些产品的壳体、扩散段等结构件采用的材料很多都是超高强度钢。这些材料与高性能铝合金相比，其比强度较低，在相同的使用条件下，采用高性能铝合金能比采用铁基合金减重约30，能有效增加火箭发动机的能量一质量比。B96U3是俄制超高强铝合金，目前国内还没有强度达到600MPA以上的铝合金半成品，如锻件、板材及管材等。由于国外技术封锁，所以需我们自行探索B96U3超高强铝合金的加工工艺等，为超高强铝合金应用于固体火箭发动机做技术储备。1试验方法11试验材料试验材料由北京621所提供，铸锭经均匀化处理，热挤压成板坯后再进行热轧和冷轧。试验用合金的化学成分见表1。12热处理工艺合金的固溶处理温度分别为475、480OC、485OC和487OC，保温时间均为30MIN，水冷。时效工艺有3种120X24H峰值时效，110X6H165X3H两级时效及110OC6H180OCX05H110OC6H三级时效，目的是探索B一96U3铝合金的最佳热处理工艺。收稿日期20120807作者简介刘廷1984一，男，内蒙古包头人，硕士，材料加工工程专业，研究方向为固体火箭发动机材料。联系电04714945581，EMAILJERRY02072106163CORN22热处理2013年第28卷第4期表1B96铝合金的化学成分质量分数。TABLE1CHEMICALCOMPOSITIONOFB96LL3AIUMINUMALLOYMASSFRACTION，13阳极氧化将该合金进行硫酸阳极氧化处理，硫酸阳极氧化的主要工艺流程为有机溶剂除油一碱蚀一热、冷水清洗一出光一去离子水洗阳极氧化一去离子水洗一沸水封闭一烘干。其中碱蚀溶液主要成分为氢氧化钠，溶液温度80，腐蚀时间15MIN；出光溶液的主要成分为硝酸和铬酐，溶液温度为室温，出光时间2MIN；阳极氧化溶液的主要成分为硫酸，溶液温度14，阳极氧化时间45MIN，电压10V，电流密度15ADM；沸水封闭溶液的主要成分为去离子水，温度95，时间20MIN；烘干温度70，时间30MIN。14组织性能表征用金相显微镜观察组织；用X射线衍射XRD仪进行物相分析；测定布氏硬度和拉伸性能；在重铬酸钾溶液中进行点滴试验测定合金的耐蚀性能。2试验结果21DSC分析当材料结晶、熔融和发生晶体结构改变时，往往伴随着热力学性质如热焓、比热容、导热系数等的变化，所以可通过测定其热力学性质的变化来了解材料结构的变化。示差扫描量热法DIFFERENTIALSCANNINGCALORIMETRY，DSC是一种常用的热分析方法。对于铝合金，可根据DSC曲线上非平衡凝固产物熔化的吸热峰来确定其过烧温度。B96U3合金的DSC曲线如图1所示。从图1可以看出，B96R3合金在500OC以下有两个明显的吸热峰，一个位于395CC，另一个尖锐的吸热峰位于480OC，说明退火试样在加热过程中发生了两次明显的组织转变。第一次为S相CUMGA1熔解，第二次为A1ZNMGCU温度图1B96U,3合金的DSC曲线FIG1DSCCURVEOFTHEB一96TT3ALLOY热处理非平衡共晶体熔解。说明合金的过烧温度约为480。超高强铝合金必须在接近材料过烧温度低熔点共晶体熔化温度固溶和时效处理后，才能达到较高的性能，所以将B96U3合金的固溶处理温度定为475、480OC、485和487OC。22固溶温度对B96L3合金组织的影响B96R3合金在不同状态的显微组织如图2所示。从图2A合金在冷轧退火后的组织可以看出，带状组织中有大量的大小不一的第二相粒子，主要是AIZNMGCU型化合物。从图2B可以看出，经475、30MIN固溶处理后，基体中有大量的黑色颗粒，晶粒呈轧制形成的纤维状。随着固溶温度的升高，这些颗粒逐渐减少，经485、30RAIN固溶处理后，基本上只剩下粗大的第二相粒子，如图2E所示，随着固溶温度的升高，轧制形成的显微组织发生再结晶。然而当固溶温度提高到487时，晶界重熔加宽，并出现三角晶界，见图2F，说明此固溶温度已达到低熔点共晶的熔点或固相线，使晶界熔化而发生过烧。铝合金的固溶温度必须超过固相线，以使第二相粒子重新溶人基体，获得溶质的最大溶解度，提高随后的时效强化效果。但加热温度又不能过高，否则会引起过热或过烧。所以将B一96R3合金的固溶温度定为485OC。23时效对B一96U,3合金组织的影响经不同工艺时效处理后B一96T3合金的组织如图3所示。从图3可以看出，固溶后的试样经时效处理后，A1ZNMGCU型金属间化合物重新析出，由峰值时效到两级时效、三级时效，晶内析出相显著粗化，晶界变宽且晶界析出相断开呈不连续分布，并出现明显的晶界无析出带。24物相分析B96U3合金在不同热处理状态的X射线衍射分析结果见图4。经48530MIN固溶处理后得到过饱和固溶体，只出现3一A1衍射峰；经峰值时效处理后，衍射峰主要是A1，并伴随有微弱的UGZN的衍射峰，说明此时合金的第二相主要是共格的GP区及少量半共格1相；过时效处理后，能观察到的MGZN衍射峰变窄，强度增加，晶粒长大，说明此时GP区及半共格相已经转变为平衡的MN相。2013年第28卷第4期23表2不同热处理状态下B963合金的力学性能TABLE2MECHANICALPROPERTIESOFTHEB96L13ALLOYNDIFFERENTHEATTREATINGCONDITIONS表3不同热处理状态下B96合金的耐蚀性能TABLE3CORROSIONRESISTANCEOFTHEB96U3ALLOYINDIFFERENTHEATTREATINGCONDITIONS热处理状态峰值时效两级时效三级时效阳极化处理耐蚀时间S100110120390从表3可以看出，在自然状态下经过不同的时效制度处理，B96合金的耐蚀时间不同，其中三级时效的耐蚀时间最长，峰值时效的耐蚀时间最短，双级时效的耐蚀时间居中。而时效后再经过阳极化处理后，合金的耐蚀性有大幅度提升，能达到390S。结合表2和表3可以看出，虽然经峰值时效的合金力学性能最佳，但耐蚀性很差。经两级时效的合金耐蚀性有一定程度的提高，但硬度、强度也有所降低。而经三级时效后，硬度与峰值时效的相当，但耐蚀性有大幅提高。可见，经三级时效的合金具有最佳的力学性能和耐蚀性能。3分析与讨论A1ZNMGCU系合金是目前室温强度最高的铝合金，ZN、MG是合金的主要强化元素。ALZNMGCU系合金的力学性能主要取决于ZN、MG的含量，ZN、MG含量不同，其组织和性能的差异也很大。合金的主要强化相为11相MGZN2和T相ALMGZN3。ZN、MG含量过高，虽然合金强度提高，但塑性和抗应力腐蚀性能下降。CU的加入主要是为了改善超硬铝的应力腐蚀倾向，同时CU还能形成0相CUAI和S相ALCUMG，起补充强化作用。超硬铝中常加入少量的MN和CR或微量的TI。MN主要起固溶强化作用，同时改善合金的抗晶间腐蚀性能。CR和TI可形成弥散分布的金属问化合物，显著提高超硬铝的再结晶温度，阻止晶粒长大。FE和SI元素在铸锭中形成粗大的初生相，如ALCUFE，MGSI和FEAL等，这些相对合金性能非常不利，所以要尽量降低FE和SI的含量。超高强铝合金经过热轧、冷轧后，其晶粒沿轧制方向呈纤维状分布。主要合金元素ZN、MG、CU等以AI2MG3ZN3T相、MGZN2相、A12CUMGS相及ALCUMG相等可溶第二相粒子形式存在于基体中，并且A12MG3ZN3和A16CUMG4，MGZN2和AL2CUMG分别属于同一晶系，可以连续互溶形成成分范围很宽的A1ZNMGCU型四元相。FE、SI等杂质元素则以AL7CU2FE2、MG2SI的形式存在。轧制变形时，晶粒将沿轧制方向拉长呈纤维状，产生的位错相互缠结、塞积。固溶处理时主要发生二个过程，即可溶性相的熔解和变形晶粒的再结晶，都是原子扩散的过程，与固溶温度和固溶时间有密切的关系。B一96U3合金于475固溶处理时，由于温度较低，原子扩散速度慢，残留的可溶性第二相粒子较多，因而冷却后人工时效时析出的强化相也相应减少，强度、硬度较低。480固溶处理时，由于温度升高，原子扩散加快，可溶性第二相粒子溶人基体的数量比475固溶处理时多，残留的可溶性第二相数量大大减少，时效析出的强化相数量也相应增多。粗大的初生AIZNMGCU相固溶时熔解较慢，若不使其充分溶入基体，不但会降低合金在冷却后的固溶度，影响时效后的性能，同时未溶入基体的AIZNMGCU相在随后时效过程中会吸收基体中的溶质原子而进一步粗化，在变形时容易导致裂纹萌生，从而降低合金性能。但是固溶温度过高，有低熔点共晶体熔化、合金过烧的危险。在峰值时效时，合金晶内析出相细小而弥散分布。低温长时加高温短时双级时效，第一阶段合金过饱和度大，相当于成核阶段，形成大量的GP区，沉淀析出相晶核尺寸小，且弥散分布，可作为进一步析出的核心，在下一阶段的高温时效，相当于稳定化阶段，析出相发生粗化。三级时效由预时效、高温短时回归处理和低温再时效3个过程组成。处理后的晶内组织为GP区和弥散的半共格相，晶界为过时效组织，可使强度和抗应力腐蚀性能达到良好结合。在峰值时效时，强化相主要是GP区和少量叼相，与基体共格的GP区使基体点阵产生较大的畸变，对位错的阻力加大，强度提高。随着时效温度的升高达到过时效状态，GP区和卵相逐渐转变为平衡相并与基体失去共格关系，强化效果减弱，故硬度和强度下降。而三级时效后的晶内组织为GP热处理2013年第28卷第4期25；、；试验研究一H13钢淬火一回火工艺及组织的研究王雅静，刘宗昌，段宝玉内蒙古自治区白云鄂博矿多金属资源综合利用重点实验室，内蒙古包头014010摘要采用激光扫描共聚焦显微镜LEXT、QUNETA一400扫描电镜、JEM2010高分辨率电子显微镜研究了不同温度淬火、回火的H13钢的显微组织，包括碳化物类型、形貌和分布，以及组织与性能的关系。研究表明，H13钢的最佳淬火温度为1010OC。H13钢的淬火态组织为条片状马氏体，于200650QC回火后的组织为回火马氏体加碳化物，或回火托氏体加碳化物。在520OC回火出现二次硬化现象，二次硬化可能是由FE、CR、C原子的复合偏聚区GP区造成的。关键词H13钢；淬火；回火；二次硬化；回火托氏体中图分类号TG14245文献标识码A文章编号10081690201304002606QUENCHINGANDTEMPERINGPROCESSESANDMICROSTRUCTUREOFH13STEELWANGYAJING，LIUZONGCHANG，DUANBAOYUKEYLABOFINTEGRATEDEXPLOITATIONOFBAYANOBOMULTIMETALRESOURCES，BAOTOU014010，NEIMONGOLCHINAABSTRACTTHEMICROSTRUCTURE，INCLUDINGTYPE，MORPHOLOGYANDDISTRIBUTIONOFCARBIDE，ANDTHERELATIONSHIPBETWEENMICROSTRUCTUREANDPERFORMANCEFORH13STEELQUENCHEDFROMDIFFERENTTEMPERATURESANDTEMPEREDATDIFFERENTTEMPERATURESWEREINVESTIGATEDBYMEANSOFLEXT。QUNETA400SEMANDHIGHEVOLUTIONTEMTHERESULTSSHOWTHATTHEOPTIMUMAUSTENITIZINGTEMPERATUREFORHARDENINGOFH13STEELIS1010OCANDTHATTHEASQUENCHED收稿日期20121126作者简介王雅静1988一，女，山西吕梁人，硕士研究生。联系电EMAILISABELLATUTU163CORN盒客盒客套套客客套客客客客套客客客客客客客盒客套客客客盒客套客客客客套客客客客盒客客客客客客客客区和弥散的半共格相，与峰值时效相当，晶界组织为过时效状态，与两级时效相当。可以认为，