（材料加工工程专业论文）1420铝锂合金特深模锻造成形与热处理优化的研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 摘要 abs t ract t h e r e l a ti o n s h ip o f t r u e s t r e s s a n d t r u e s t r a i n f o r 1 4 2 0 a l u m i n u m - l i t h i u m a l l o y h a v e b e e n i n t e s t ig a t e d i n th e p a p e r b y h i g h - t e m p e r a t u r e c o m p r e s s i o n t e s t i n g a n d h i g h - t e m p e r a t u r e t e n s i l e t e s t i n g in d i ff e r e n t c o n d it i o n s o f d e f o rm a t i o n . t h e p l a s t i c d ia g r a m s , t h e c u rv e o f r e s is t e n c e to d e f o r m a t io n , a n d t h e r e i a t i o n s h i p c u r v e b e t w e e n“ a n d d i a m e t e r o f g r a i n w e r e g a in e d . t h e n t h e f o r g i n g t h e r m o d y n a m i c p a r a m e t e r s h a v e b e e n s t u d i e d . a c c o r d i n g t o t h e f a c t s , t h e r e a s o n a b l e a n d e c o n o m ic a l f o r g i n g p r o e s s w a s d e t e r m i n e d t o d e e p d i e f o r g e d w o r k p ie c e s f o r 1 4 2 0 a l - l i a l l o y . t h e p r o e s s i n c l u d e t h a t i n g o t s w e r e f o r g e d w it h 6 0 0 0 t h y d r a u l i c p r e s s , t h e n l a t h e r e d t o c o n n o i d s , a n d t h e n d ie d t o fi n i s h e d p r o d u c t s b y r e v e r s e e x t r u s i o n w it h 8 0 0 0 t h y d r a u l i c e x t r u s i o n p r e s s . t h e p a p e r d e s i gne d th e p l a n o f h e a t t r e a t m e n t t e s t f o r 1 4 2 0 a l - l i a ll o y b y u s i n g t h e o r t h o g o n a l t e s t , m a d e t h e e x p e r i m e n t o f h e a t t r e a t m e n t , t e s t e d t h e t e n s i l e p o r p e r t i e s , a n d s t u d i e d t h e e ff e c t o f d i ff e r e n t p r o c e s s o f h e a t t r e a t m e n t o n m i c r o s c o p i c m e c h a n i s m f o r 1 4 2 0 a l - l i a l l o y b y m e t a l lu r g i c a l m i c r o s c o p e , x - r a y d i ff r a c t i o n , t r a n s m i s s i o n e le c t ro n m i c r o s c o p e . t h e o p t im a l p r o c e s s o f h e a t tr e a t m e n t w a s d e v e l o p e d: a ft e r h o ld in g tr e a t m e n t f o r 1 7 0 m in a t 4 5 5 片， q u e n c h in g in w a t e r a t 6 0 c , t h e n a g e i n g f o r 1 4 h o u r a t 1 4 0 c . a d o p t i n g t h e n e w h e a t t r e a t m e n t p r o c e s s , t h e p r o p e r ti e s o f a l l o y c a n o b t a i n : o o., 29 8 m p a , a 6 = 4 9 3 m p a , 6 = 1 2 .9 % , w h ic h e x c e e d t h e p r o p e r ti e s d e s ir e d . a t l a s t , a r e a s o n a b l e e x p l a n a t i o n o n m e c h a n i s m o f s t r e n g t h e n in g a n d t o u g h e n in g i s g i v e n . k e y w o r d s : 1 4 2 0 a l u m i n u m - l it h i u m a ll o y , f o r g in g p r o e s s , h e a t t r e a t m e n t 重庆大学硕士学位论文 绪论 1 绪论 1 . 1 1 4 2 0 铝锉合金的发展和应用 1 . 1 . 1前言 在有色金属中， 铝及铝合金是应用最广泛的一类金属结构材料， 其产量仅 次于钢铁，而按地壳中的蕴藏量则占首位，在国民经济建设中有举足轻重的作 用。铝及铝合金具有良 好的综合性能，在一系列应用领域中显示出胜于钢和铜 合金的许多重要优点。铝及铝合金的显著特点是密度小、塑性好、比强度高、 耐腐性好、导电和导热性能较高、 熔化温度低。铝合金较容易进行热变形，也 较容易进行冷变形，可在热状态或冷状态下进行轧制、锻造、挤压、拉制、弯 曲、板材冲压、切割等操作。 通过直接由 液态铝轧制的方法， 可以 制成铝线和 簿板。 所有铝合金都可以 采用点焊方法进行接合， 而对于象 1 4 2 0铝铿合金等 可焊铝合金还可采用熔焊方法进行接合3 1 随着现代科学技术的发展、 高新技术的开发， 特别是进入2 0 世纪8 0 年代， 航空航天工业有了空前的突飞猛进的发展，人们竞相寻找具有强度更高、质量 更轻、耐腐蚀ft 更强等特性的能够代替原 来铝合金的铝系新合金，以 提高飞行 器的性能，降低自 重和费用， 节约能源。铝铿合金作为未来的铝系新合金、新 材料，已 取代常规铝合金， 在航空航天工业领域得到了 广泛应用i i 铿是自 然界中 最轻的 金 属 元素( 密 度 仅 为0 .5 3 妙砰， 为 铝 密 度的1 1 5 ) , 在铝中的溶解度 ( 6 0 0 共晶温度时为 4 .2 %) 。在极限固溶度内，铝中再添加 1 w t%铿，合金密度降低3 %，弹性模量提高6 %，并可获得明显的强化效果。 如果铿的添加量达到 3 w t%，则密度降低约为 1 0 %，弹性模量提高约 2 0 %. 用之取代普通铝合金可减重 1 0 - -2 0 %。同时，随着重量的减轻，铝铿合金的使 用寿命和损伤容限增大2 1 。 因 此， 铝铿合金对航空航天工业有着巨 大的吸引力， 它必将取代目 前使用的铝合金， 成为新一代的航空航天材料;它也可直接取 代普通铝合金投入规模生产及应用，成为碳纤维强化复合材料有力的竞争对 手4 1 1 . 1 . 2世界各国 铝锉合金发展概述 铝铿合金是 2 0世纪 2 0年代初期开始发展起来的。1 9 2 4年，德国研制出 添加少量铿的s c l e r o n 合金 ( a - 1 2 z n - 3 c u - 0 .6 m n - 0 . 1 l i ) ， 用作铸件和型 材，由 这项研究成果得出了铿可显著提高铝合金弹性模量这一特性，使铝铿合金的研 究受到重视。1 9 4 1 年美国的a l c o a 铝业公司的l e b a r o n的在系统地做了铝合 重 庆 大 学 硕 士 学 位 论 文_一 一二些丝 金添加铿的试验后， 提出a l - c u - l i - x合金专利。 将一种含铿量达到1 w t %， 添 加有少量强化元素m的 合金( a l - 4 , 5 c u - 0 . 1 l i - 0 .8 m n - 0 . 1 5 c d ) ，轧制成薄板，固 溶时效后得到 较好的 机械性能。 1 9 5 5年英国h a r d y与 s i l c o c k发表了 铝铿和 a l - c u - l i 合金的时效沉溶过程研究结果，随后 s i lc o c k发现有序亚稳相 ( a i , l i ) ， 推动了a l - c u - l i 系 合金的 进一步研究。1 9 5 7 年美国a l c o a 铝业公司 宣布研制成商品化的 合金x 2 0 2 0 . 1 9 5 8 年a l c o a 公司首先将x 2 0 2 0铝铿合金 用于r a - 5 c军用预警飞机的机翼蒙皮和尾翼水平安定面，取代7 0 7 5 合金，获 得了6 % 的 减重效益， 单 架减重7 3 k g 14 1 e 从此，铝铿合金作为一代新的航空航天结构材料引起科技界广泛注意。随 后，原苏联分别于 1 9 6 2年和 1 9 6 5年研制出牌号为baz 2 3( 成分类似于 x 2 0 2 0 ) 和 0 1 4 2 0 合金 ( a l - 5 m g - 2 l i - 0 . 5 m n ) ， 并 将后 者制 成 挤 压 件、 锻 件和薄 板材，用于米格战斗机和超音速客机图1 4 4 等6 t 随着断裂力学的进展，指出了 x 2 0 2 0合金的低延伸率和高缺口敏感性， 容易使结构产生应力集中 而引起疲劳破坏;加上生产工艺 上的困难，使 a l c o a 公司在 1 9 6 9 年停止该合金的生产，1 9 7 4 年撤消该牌号。从1 9 2 4 年到 1 9 7 4年 的半个世纪，铝铿合金走过了自 身发展历史的第一个阶段，其主要成就是:研 究并生产出含 1 w t% 元素的工业合金，实现了在航空飞机上的应用;同时认识 到必须改善铝铿合金的断裂韧性和耐损伤特性。 2 0世纪 7 0年代能源危机给航空业带来的经济压力和复合材料兴起给传统 铝工业造成的威胁，推动了铝铿合金进入新的发展历史阶段。这一阶段的主要 目 标是研究替代传统商用高强2 0 0 0 系和 7 0 0 0 系铝合金的 新铝铿合金。 2 0世 纪 8 0年代以来，由于航空航天技术对轻质结构材料的需要，美、欧等国投入 大 量财力，以 板 材、 薄板 材、 坯件、 挤压件和锻件等 形式开发了 多种2 x x x ( a l - l i - c u - z r ) 和 8 x x x ( a l- l i - c u - m g - z r ) 铝iv合金材料。 美国 1 9 8 9年开发了 一种称 为 w e l d l i t e 0 4 9的超高强、 可焊且而耐低温的新型铝铿合金，随后又派生了 x 2 0 9 4 , 2 0 9 5 , 2 0 9 6 , 2 1 9 5 等几个新的 合金牌号。 西 欧 在2 0 世纪8 0 年代初推 出了8 0 % 合金以 及2 0 9 1 合金。加拿大则在 2 0世纪9 0 年代初开始生产 8 0 9 0 合金薄板和厚板，并向市场出售自己开发的 2 0 9 0合金板材和圆形挤压件。日 本在2 0 世纪9 0 年代初投 入2 4 亿日 元研究开发铝铿合金， 并成功制造出密合 性和烧结性均较佳a l l i/ s i c的 新型复合材料4 117 8 19 1 。前苏联的 铝铿合金在研 究、试制和生产应用方面均处于世界先进水平。2 0 世纪6 0 年代研制出加铿的 合金: 类似2 0 2 0 合金成份的含1 .2 % l i 的a i - c u - l i - c d 系b a2 1 2 3 合金和加2 % l i 的a i - l i - m g 系 1 4 2 0 合 金，1 4 2 0 可焊中 强铝铿合金的 开发， 使大型飞机的 制 造由 铆接结构改为焊接结构成为可能1 2 1 3 1 中国对铝铿合金的 研究起步比 较晚， 2 0世纪 6 0年代中期研制出了 s 1 4 1 合金， 对合金成份、加工 工艺及热处理制度作了 详细的 研究，1 9 8 5年做了 技 重 庆 大 学 硕 士 学 位 论 文一一一一一一一一一一一全丝 术鉴定 。 0 2 0 世纪8 0 年代以 后，中国 加速了 对这一领 域的 研究， 其中 八五 攻 关成果中强可焊铝铿合金主要技术指标与前苏联1 4 2 0 铝铿合金相同p a 1d 5 1 世界各国发展己成熟的几种典型铝锉合金材料的性能如表1 . 1 所示n 表1 . 1各国典型铝锉合金材料的性能 合金成分，重握 比 加工 方法 娄 fi g 状 态 拉伸性能 韧性 k , c 如a m ll i 密 度 g l e e 弹性 模量e m p a j6 m p a 口0 .2 m p a ; 美国空军 a 2 . 3 l i - 1 . 4 c u - 1 . o m g - 0 . 2 z r p / met 6 5 0 04 2 07 . 42 . 5 4 美国空军 s 1 . 6 l i - 3 . o c u - - 8 n g - 0. 2 z r p / m et 86 3 55 6 61 0 . 62 . 6 47 8 5 0 0 美国铝业 公司 a l i - c u - m g - z r i / mp4 5 7 4 0 192 . 5 5 8 0 1 0 0 美国铝业 公司 b 2 . 2 l i - 2 . 7 c u - 0 . 1 2 z r i / m p6 0 55 6 993 1 . 8 2 . 5 98 0 1 0 0 美国铝业 公司 c l i - c u - m g - z r i / mp4 5 03 2 1 52 . 5 28 3 7 0 0 美国铝业 公司 d l i - c u - z r 或 l i - c u - m g - z r i / mp5 3 84 7 8 72 . 5 58 1 5 0 0 英国加拿 大公司a 2 . 5 l i - 1 . 2 c u - 0 . 7 m g - 0 . 1 2 z r i / mpt 85 1 04 2 963 6 . 0 2 . 5 38 1 1 0 0 英国加拿 大公司b l i - c u - m g ( z r )i / m pt 85 5 14 9 053 1 . 2 2 . 5 58 1 5 0 0 俄罗斯 1 4 2 0 5 . 5 m g - 2 . 1 l i - 0 . 6 m n - 0 . 1 8 z r - 0 . 1 8 c r 4 7 63 3 592 . 4 77 5 3 0 0 俄麟 8 4 且2 3 5 . 3 c u - 1 . 2 l i - o . 6 m n - 0 . 1 7 c d i / mpt 65 4 04 9 052 . 7 37 9 5 0 0 i qs 14 1 4 . 2 c u - 1 . o l i - 0 . 7 m n - 0 . 2 c d i / mpt 65 6 54 8 07 . 52 . 7 37 9 5 0 0 2 0 2 0 4 . 5 c u - 1 . 2 l i - 0 . 5 m n - 0 . 2 c d i / mt 6 t ml; ;: ; 313 2 . 7 37 8 8 0 0 2 0 1 4 4 . 4 c u - 1 . 6 m g - 0 . 6 m n i / mt 6 5 14 9 24 2 01 02 4 . 32 . 8 07 4 5 0 0 2 0 2 4 4 . 4 c u - 1 . 6 m g - 0 . 6 m n 工 / m : ; ; :;187; ; . 2 . 7 77 4 6 0 0 注: l ) p / n 4 :粉末冶金:um : 铸锭冶金。 2 e : 挤压件; p : 板材。 重 庆 大 学 硕 士 学 位 论 文一一一一一一一一一一一1 丝 经过长期研究， 铝锉合金不仅在比 强 度和比 弹 性方面已 经 达到目 标值， 而 且具有良 好的韧性、抗腐蚀性、 抗疲劳性能和超塑性5 1 。这些优点是其它铝合 金难以具有的，而且在实现工业化后，它的成本仅为普通铝合金的 2 -3倍， 远低于复合材料。目 前，美国、西欧、俄罗斯等国家和地区的铝铿合金的研究 都在稳定发展， 新的铝铿合金不断推出， 波音公司等航空公司 有关铝铿合金的 应用都在扩大。此外，铝铿合金已 进入航空航天、兵器及核工业部门，并展现 出了广阔的应用前景0 11 1 7 1 . 1 . 3 1 4 2 0 铝锉合金的应用与研究现状 1 4 2 0 铝铿合金是前苏联专家m. h.弗里德良 捷尔等人在 1 9 6 0 - 1 9 6 5年间研 制出 来的。 初次 研制出 来的 1 4 2 0合 金 ( a - 5 m g - 2 l i - 0 .5 m n ) 的 成 分与 力学性能 如 表1 .2 所 示 (6 ) 表1 .2 前苏联1 4 2 0 合金的成分与力学性能 合 金 成 分 范 围( % ) 力 学 性 能 4 - 7 1 . 5 - - 2 . 6 0 . 2 -1 . 0 4 4 8 - - 4 8 3 mp a 0 . 0 5 - - - 0 . 3 0 . 0 5 - 0 . 1 5 0 . 0 5 - - - 0 3 余量 3 1 0 3 4 5 6， mp a 8 - 1 0% 弹性模量e , 7 3 8 0 0 mp a mglimn碱zrticrai 1 4 2 0 铝铿合 金 属可 热 处 理 强 化的a l - m g - l i - z r 系中 强 变 形 铝合 金， 与 其它 系列的 铝铿合金相比， 研究和 应用 最为 成熟。向 铝中 加m g 和 l i 可以 得到比 z 1 6 合金的比 重小， 弹性 模量高， e 值 可 达7 5 0 0 k g / m m , 1 4 2 0 合金 在室温下 的比 强度超过z l 1 6 ， 而耐蚀性与a m r 6 m接近。1 4 2 0合金不仅密度低， 弹性 模量高，而且还具有高的耐蚀性能和优良 的可焊性。1 9 8 0年前苏联开始研究 焊接用1 4 2 0 铝铿合金， 通过合金纯净化和用z : 代替m n 细化晶 ; 粒，降低f e , s i , k , n a , h等杂质含量， 研究 成了 具有良 好焊接性能的 1 4 2 0合金19 ) 。 正 是由 于 1 4 2 0合金具有优良 的抗腐蚀性能和极好的可焊性，因而可用焊接代替 铆接以获得更大程度的减轻飞行器自 重， 从根本上改变铝铿合金在使用上的局 限，充分地利用铝锉含金的潜力。该合金可以用来生产挤压和轧制半成品，已 生产的板、锻、型材达到了工业规模。由 于这种低密度合金具有良 好的综合性 能，倍受航空航天工业的重视，成为唯一在航空航天工业上应用量最大的铝铿 合 金 6 14 19 1 9 7 1 年， 前苏联的 1 4 2 0 铝铿合金作为主要的结构材料应用于专业生产的 w ,*k1 * 1 i c 一一 一月 - 一一一1 m id 轻型飞机系列中， 用以 制造铆接的零部件。 这些结构材料包括薄板、 挤压型材、 锻压件和厚板，它们取代传统的硬铝合金可减轻约 1 2 %。这些飞机经过长期 服役后证明了铝铿合金的可靠性， 包括足够的疲劳强度和高的 抗腐蚀性能。随 后，1 9 8 0 年在重型飞机上选用了可焊的1 4 2 0 铝铿合金合金，以全焊件取代铆 接件， 又因为减少搭接、 铆钉、 密封垫片等又减重1 2 %， 其总减重效果高达2 4 % 左右。在独联体国家中，其雅克3 6 飞机上的部分结构材料都使用了1 4 2 0 合金 的板材和型材， 其半成品毛坯重达1 0 吨左右， 在安1 2 4 飞机上用了8 吨型材， 在米格2 9 及米格3 1 飞机上采用了1 4 2 0 合金的焊接结构件。 目 前，1 4 2 0铝铿合金在俄罗斯已 经广泛应用于各类军用飞机 ( 如米格 2 7 和米格 2 9战斗机等) 和大型民航飞机 ( 如图2 0 4旅客机等)的生产中，其大 型模锻件的焊接件采用1 4 2 0 可焊铝铿合金，显示出令人瞩目的优越性16 中国 在二十世纪八十年代将 1 4 2 0可焊铝铿合金的 研究确定为八五科技攻 关项目，提出了较为迫切、较为严格的要求。其主要技术指标如下:t 6状态 t - l方向 板 材 室 温下a 。 ,. - 3 0 0 m p a ,。 、 )4 5 0 m p a , 8 , 3- 8 % , 6 3 7 5 g p a , 比 重 2 . 4 9 g / c m ， 焊接接头系数) 0 . 7( 氢弧焊， t 6状态 焊后不热处理) ，并 提供焊丝。研制的合金的成型性、抗蚀性、断裂韧性等与俄罗斯 1 4 2 0铝铿合 金相同i ii i s l 中国研制的 1 4 2 0 可焊铝铿合金，为中国的d f - 4 1 及 9 2 1 工程提供一种全 新的结构材料。 这种铝锉合金运用于d f - 3 1 及 d f - 4 1 等新一代战略导弹上， 导 弹减重 1 5 k g左右， 而使其射程增加 1 0 5 - 3 5 0 k m ; 而它 运用了 运载火箭的 头部， 每减重1 k g ， 地面发射部分的 重量可 减轻1 0 0 k g ， 这无疑使我国的航天 飞行器所面临的减重难题得以 缓解。 对于常规兵器工业， 采用了这种新材料后， 实现了 武器的轻量化、 远射程、高命中 精度， 对提高部队的 作战机动性和战斗 力具有十分重要的作用【 u lp a l 前 苏 联已 确定的1 4 2 0 铝 铿合 金 的 最 佳 成分( % ) 为: m g 5 .06 . 0 ; l i 1 .9 - 2 .3 ; z r 0 .0 9 .0 . 1 5 ; s i 0 . 1 - 0 .3 ;杂质:f e -o . 3 , t i -o . 1 , mn 0 . 3 , n a 2 5 5 m p a , o b 4 1 2 m p a , 5 7 % a 从合金的微观结构角度出发，对 1 4 2 0合金的强韧化机理进行深入讨论，结 合热处理实验获得合金的组织和性能，解释最佳热处理工艺制度的合理性。 重庆大学硕士学位论文 2实验材料及实验方法 2材料及实验方法 2 .1 实验材料 2 . 1 . 1实验材料的化学成分 本 研究以1 4 2 0 铝铿合金为 研究 对象， 选定a i - 5 m g - 2 l i - o . 1 z r 作为 试验用 1 4 2 0 合金的名义成分。 1 4 2 0 合金铸锭是由西南铝加工厂提供，其合金生产成 分的配制标准如表2 . 1 所示，其余为a l . 表2 . 1 1 4 2 0 铝铿合金主要化学成分( w t % ) 合金元素 s if ec u m g n at iz rl i 标准范围 _ 0 . 1 5_ 0 . 2 050 . 0 54 . 5 一6 . 0 _ 0 . 0 0 5_ 0 . 1 _ 0 . 0 8 一0 . 1 5 1 . 8 一2 . 3 控制范围 _ 0 . 0 9_ 0 . 1 25 0 . 0 54 . 9 一5 . 55 0 . 0 0 1 5 5 0 . 0 5 5 0 . 0 9 一0 . 1 3 1 . 8 一2 . 3 试验合金0 . 0 1 30 . 0 2 00 . 0 55 . 2 70 . 0 0 0 40 . 0 50 . 1 32 . 1 8 合金采用i m 法在1 吨铝铿合金专用熔铸机组上进行熔炼和铸造。选用工 业纯金属和中间合金作为原料， 其中z r 和b e 以中间合金加入。在熔剂保护下 进行熔化和精炼， 氢气保护气氛水冷模浇注。熔铸工艺试验流程为: 合金配料 铝及铝错中间合金在感应炉中熔化 扒渣 加铝被中 间合金、金属镁 搅拌、扒渣 一 加金属铿 一 成分调整 氨气精炼 一 转入真空静置炉 成分调整 一 扒渣、真空精炼 一 铸造 均热 取 样分析 表2 . 1 给出了 试验合金的 成品 铸锭成分。 从结果可看出， 采用感应炉 熔制 合金， 氢气和真空 相结合的方式对合金熔体进行精炼，并在氢气保护下进行铸 造，能够得到满足行业标准o m 9 0 2 9 6 - 8 1 和e 口s 3 m o 0 5 - 1 9 9 8 技术要求的 合 金铸锭。合金中氢含量测定为 h 卜 o . 6 0 c m / l 0 0 g ，满足技术要求 h - r 一一 一 一 - 一 3 1 4 2 0 a 全 #lsx 鱼 x z j