（材料学专业论文）alculimgag合金组织和耐热性能的研究.pdf

q + ， ， 、 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的成果。尽我所知，除论文中特别加以标注和致谫 的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中南大学或其他单位的学位或证明而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献已在论文的致谢语中作了明确的说明。 作者签名： 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文；学校 可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者始龃尊新躲继1吼过年月半日 、 一 、 厂- 硕士学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t s i i i 第一章文献综述l 1 1 耐热铝合金1 1 1 1 铸造耐热铝合金1 1 1 2 形变耐热铝合金2 1 - l 。3 其它耐热铝合金9 1 2 提高形变合金耐热性能的方法1 0 1 2 1 微合金化1 0 1 3 2 热处理及制备方法1 2 1 3 形变耐热铝合金中相的特点1 3 1 3 1a l - c u - m g 系合金中相的特点1 3 1 3 2a l - c u - m g a g 系合金中相的特点1 5 1 3 3 铝锂系合金中相的特点1 6 1 4 本文研究背景及意义1 8 第二章实验方案2 0 2 1 合金成分设计2 0 2 2 合金制备2 0 2 3 样品制备2 1 2 4 性能测试2 2 2 4 1 拉伸性能2 2 2 4 2 金相组织观察2 3 2 4 3 透射电镜观察2 4 2 4 4 断口扫描2 4 第三章a g 、m n 微合金化对m l 3 7 7 合金耐热性能的影响2 5 3 1a g 微合金化对m l 3 7 7 合金耐热性能的影响2 5 3 1 1 引言2 5 3 1 2 实验结果2 5 3 1 3 分析与讨论3 4 3 1 4 小结3 7 3 2m n 微合金化对m l 3 7 7 合金耐热性能的影响3 7 3 2 1 引言3 7 3 2 2 实验结果3 8 3 2 3 分析讨论4 7 3 2 4 小结4 9 第四章微量元素c e 、s c 的添加对m l 3 7 7 合金耐热性能的影响5 0 4 1 引言5 0 4 2 实验结果5 0 4 2 1 热暴露后的室温拉伸性能5 0 4 2 2 高温拉伸性能5 4 4 2 3 显微组织5 6 4 3 分析与讨论6 4 目录 6 5 性能的研究6 6 6 6 。6 6 申性能6 6 6 8 7 2 7 2 7 3 7 5 8 ( ) 8 1 e ， 观察，得到的主要结论如下： ( 1 ) m l 3 7 7 合金在1 0 7 c 具有非常好的热稳定性，热暴露5 0 0 0 h 小时后，拉伸性 能没有明显下降。在1 5 0 。c 热暴露至5 0 0 小时，合金强度仍未见下降，直至热暴 露1 0 0 0 小时后，m l 3 7 7 合金的抗拉强度和屈服强度分别下降了4 9 和5 8 。 2 0 0 热暴露导致m l 3 7 7 合金强度快速下降。显微组织观察表明t l 相在1 0 7 和 1 5 0 表现出良好的抗粗化能力：在2 0 0 热暴露，t 1 相的明显粗化以及富含c u 、 m g 、a g 的无规则相的析出是强度快速下降的主要原因。 ( 2 ) 不含他的m 1 合金在1 0 7 热暴露过程中强度呈上升趋势，热暴露5 0 0 0 小 时后，抗拉强度上升4 1 m p a ，这是由于合金中a g 的缺少抑制了时效态t 1 相的析 出，导致1 0 7 热暴露析出额外的t 1 相。m 1 合金在1 5 0 热暴露1 0 0 0 小时后， 抗拉强度下降8 9 ，这比含a g 的基础合金m l 3 7 7 下降更快，显微组织分析表 明m 1 合金中a g 的缺少降低了t 1 相的稳定性，不仅t 1 相的尺寸比m l 3 7 7 合金更 粗大，并且m 1 合金中0 相数量较热暴露前有所增加。但在2 0 0 热暴露1 0 0 0 小 时后，不含a g 的m 合金中析出大量07 相，使其抗拉强度和屈服强度反而分别比 在同等热暴露条件下的m l 3 7 7 合金高4 1 7 m p a 、5 2 1 m p a 。 ( 3 ) 显微组织分析表明不含m n 的m 2 合金主要是未完全再结晶组织，含m n 的基 础合金m l 3 7 7 中的m n 与a 1 形成a 1 c u m n 型粗大粒子，这些粒子成为再结晶形核核 心，促进合金发生再结晶。再结晶晶粒结构使m l 3 7 7 合金热暴露后的延伸率下降 比m 2 合金缓慢，同时降低了合金在热暴露前后的各向异性。合金中m n 的存在对 热暴露前后主要强化相t 1 相的形貌影响不大，m 2 合金中的亚结构强化是其强度 在热暴露前后高于m 3 合金的主要原因。 ( 4 ) 在m l 3 7 7 合金中添加c e 、s c ，延缓了时效硬化响应，导致热暴露前基体中 保留部分过饱和溶质原子。1 0 7 热暴露会促进额外t 1 相的析出，使得加c e 的 m 4 合金和加s c 的m 5 合金的抗拉强度在1 0 7 热暴露1 0 0 0 小时后都提高了约 2 5 m p a 。在1 5 0 热暴露下，m 4 和m 5 合金表现出比m l 3 7 7 合金更好的热稳定性。 在热暴露1 0 0 0 小时后，m 4 合金强度未见下降，m 5 合金强度下降幅度较m l 3 7 7 合金小。在2 0 0 热暴露1 0 0 0 小时后，m 4 和m 5 合金屈服强度分别比m l 3 7 7 合金 高1 3 m p a 、2 6 m p a 。这是由于c e 、s c 的添加减缓了溶质原子的扩散速率，提高了 l i 6 飞 ，- 硕士学位论文 a b s t r a c t s a b s t p a c t s t h ep r e s e n tw o r kd e a l s 、析t ht h ee f f e c t so ft h ep r e s e n c eo fa g m na n di n d i v i d u a l a d d i t i o n so fc e 、s ca l l o ye l e m e n t so nt h eh e a tr e s i s t a n tp r o p e r t i e sa n dm i c r o s t r u c t u r e s o fm l 37 7a l l o y a d d i t i o n a l l y , s t a b i l i t yo fa i c u - m g - a ga l l o y sa l s oi ss t u d i e da f t e r t h e r m a le x p o s u r e v a r i o u st e s t i n gm e t h o d sw e r eu s e d ，i n c l u d i n gt e n s i l ep r o p e r t i e s a f t e rt h e r m a le x p o s u r e ，o p t i c a lm i c r o s c o p y , t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y ( t e m ) a n ds c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) o b s e r v a t i o n s t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea s f o l l o w i n g ： ( 1 ) m l 3 7 7a l l o ye x h i b i t se x c e l l e n tt h e r m a ls t a b i l i t y a t1 0 7 ca n d1 5 0 。ct h e r m a l e x p o s u r ec o n d i t i o n s a t10 7 ct h e r m a le x p o s u r eu pt o5 0 0 0 h ，t e n s i l es t r e n g t ho f m l 3 7 7a l l o yh a s n tr e d u c e do b v i o u s l y a t15 0 ct h e r m a le x p o s u r e ，p r i o rt o5 0 0 h ， s t r e n g t ho fm l 3 7 7a l l o ys t i l lh a sn o tb e e nf o u n dt or e d u c ea n du n t i la f t e re x p o s u r eu p t o1 0 0 0 h ，t e n s i l ea n dy i e l ds t r e n g t ho f m l 3 7 7a l l o yo n l yd e c r e a s e sb y4 9 ，5 8 o f t h eu n e x p o s u r e dv a l u e ，r e s p e c t i v e l y h o w e v e r , a t2 0 0 ct h e r m a le x p o s u r ec o n d i t i o n ， t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fm l 37 7a l l o yr e d u c er a p i d l y m i c r o s t r u c t u r es h o w st h a t t1 p h a s ee x h i b i t se x c e l l e n tr e s i s t a n tc o a r s e n i n gb e h a v i o r sa t 10 7 。ca n d15 0 c t h e r m a le x p o s u r e 2 0 0 ct h e r m a le x p o s u r eb r i n g sa b o u tt h es i g n i f i c a n tc o a r s e n i n go f t1p h a s ea n df o r m a t i o no fi r r e g u l a rp h a s e sf i c h e di nc u , m g ，a ga t o m s ，w h i c hi st h e m a i nr e a s o no fr a p i dd e c r e a s eo fs t r e n g t h ( 2 ) s t r e n g t ho fm 1 a l l o yw i t h o u ta gt e n d st oi n c r e a s e sa t10 7t h e r m a le x p o s u r e ，谢t l l t e n s i l es t r e n g t hi n c r e a s i n g41m p aa f t e re x p o s u r e5 0 0 0 h ，w h i c hr e s u l t sf o r ma b s e n c e o fa gr e s t r a i n st h ep r e c i p i t a t i o n so ft 1p h a s ea ta g i n gc o n d i t i o na n dt h e r e f o r e ，10 7 c t h e r m a le x p o s u r el e a d st oa d d i t i o n a lp r e c i p i t a t i o no ft 1p h a s e a f t e rt h e r m a le x p o s u r e 1 0 0 0 ha t1 5 0 c ，t h et e n s i l es t r e n g t ho f t h em 1a l l o yr e d u c e s8 9 b yt h eu n e x p o s u r e d v a l u e ，d i s p l a y i n gm o r er a p i dr e d u c t i o nt h a nt h a to fm l 3 7 7a l l o yw i t ha g a n a l y s i so f m i c r o s t r u c t u r e ss h o w st h a ta b s e n c eo fa gi nt h ea l l o ym 1i sh a r m f u lt os t a b i l i t yo ft1 p h a s e t h es i z eo ft 1p h a s ei nm1a l l o yn o to n l yb e c o m e sl a r g e rt h a nt h a to fm l 37 7 a l l o ya t15 0 ct h e r m a le x p o s u r ef o r10 0 0 h ，b u ta l s oa m o u n to f0 p h a s ei sg r e a t e rt h a n t h a to ft h eu n e x p o s u r e d c o n d i t i o n h o w e v e r , a t2 0 0 4 ct h e r m a le x p o s u r ef o r10 0 0 h ，t h e t e n s i l ea n dy i e l ds t r e n g t ho fm 1a l l o yi sh i g h e r4 1 7 m p a 、5 2 1m p at h a nt h a to f m l 37 7a l l o ya tt h es a m et h e r m a le x p o s u r ec o n d i t i o n ，r e s p e c t i v e l y , w h i c hi sr e l a t e dt o c o p i o u sp r e c i p i t a t i o n so f0 p h a s ei nm 1a l l o y ( 3 ) m i c r o s t r u c t u r e ss h o wt h a tt h ef r e e m na l l o ym 2a r ep r e d o m i n a n t l yf o u n dt ob e u n r e c r y s t a l l i s e dg r a i n ，w h i l s tm na t o m si nt h eb a s i ca l l o ym l 3 7 7c o n t a i n i n gm n i i i 硕士学位论文 a b s t r a c t s c o n n e c t s 谢t ha 1a t o m st of o r mt h eb u l k yp a r t i c l e so fa 1 c u m nt y p e ，w h i c hb e c o m e s t h en u c l e a t e dc o r eo fr e c r y s t a l l i z a t i o na n dt h e ne n c o u r a g er e c r y s t a l l i z a t i o ni nm l 37 7 a l l o y t h er e c r y s t a l l i z e ds t r u c t u r em a k e st h ee l o n g a t i o no fm l 3 7 7a l l o ya f t e rt h e r m a l e x p o s u r ed e c r e a s e sm o r es l o w l yt h a nt h a to fm 2a l l o y , a n da tt h es a m et i m e ，r e d u c e s a n i s o t r o p i cp r o p e r t yo fm l 3 7 7a l l o y t h ep r e s e n c eo fm nh a sn oe f f e c t so ns i z ea n d d i s t r i b u t i o no ft h es t r e n g t h e n e dp h a s eo ft1p h a s ep r i o rt oa n da f t e rt h e r m a le x p o s u r e t h es u b s t r u c t u r es t r e n g t hi nm 2a l l o yi st h em a i nr e a s o nt h a tt h es t r e n g t ho fm 2a l l o y i sh i g h e rt h a nt h a to fm 3p r i o rt oa n da f t e rt h e r m a le x p o s u r e ( 4 ) i n d e p e n d e n ta d d i t i o n so fc ea n ds ci nm l 3 7 7a l l o yr e t a r da g i n gh a r d e n i n g r e s p o n da n dr e m a i n sal i t t l eo fs o l u t ea t o m si nt h eu n e x p o s e dc o n d i t i o n t h e r e f o r e ， 10 7 ct h e r m a le x p o s u r ee n c o u r a g ea d d i t i o n sp r e c i p i t a t i o n so ft lp h a s e s ，r e s u l t i n gi n i n c r e a s e2 5m p ao ft e n s i l es t r e n g t hi nt h em 4 a l l o yw i t hc ea n di nt h em 5a l l o yw i t h s ca t10 7 t h e r m a le x p o s u r e10 0 0 h a tl5 0 t h e r m a le x p o s u r ec o n d i t i o n m 4a n d m 5a l l o y sd i s p l a yab e t t e rh e a ts t a b i l i t yt h a nm l 3 7 7 a f t e rt h e r m a le x p o s u r e10 0 0 ha t 15o ，t h es t r e n g t ho fm 4i sn o tf o u n dt or e d u c ea n dt h a to fm 5d e c r e a s e sm o r e s l o w l yt h a nm l 3 7 7a l l o y a t2 0 0 。ct h e r m a le x p o s u r el0 0 0 h ，t h es t r e n g t ho fm 4a n d m 5i sh i g h e ra b o u t13 m p aa n d2 6 m p at h a nt h a to fm l 3 7 7 a l l o y ，r e s p e c t i v e l y t h i si s b e c a u s ea d d i t i o no fc ea n ds cs l o w sd i f f u t i o n a lr a t ea n d i m p r o v e sr e s i s t a n t c o a r s e n i n ga b i l i t yo fp r i m a r ys t r e n g t h e n e dp h a s eo ft 1p h a s e a d d i t i o n a l l y ，t h e10 7 c ， 15 0 ca n d2 0 0 cs h o r te l e v a t e dp r o p e r t i e so fm 4 a l l o yc o n t a i n i n gc ei sf a v o r a b l et o t h a to fm l 3 7 7a l l o y ( 5 ) c o m p a r i n gw i t ht r a d i t i o n a la l l o y su s e de l e v a t e dt e m p e r a t u r e ，r 6a l l o y ，o fw h i c h p r i m a r ys t r e n g t h e n e dp h a s ei sqp h a s e ，e x h i b i t sm o r eb e r e rh e a tr e s i s t a n tp r o p e r t ya t 10 7 * c 、15 0v 、2 0 0 ct h e r m a le x p o s u r e i na d d i t i o n ，a t2 0 0 t h e r m a le x p o s u r e l0 0 0 h ，t h et e n s i l es t r e n g t ho fr 6i sg r e a t e r2 8 3 m p at h a nt h a to fm l 3 7 7 a l l o y , w h i c h r e s u l t sf r o mag r e a tn u m b e ro f p r e c i p i t a t i o n so f0 p h a s ea t2 0 0 t h e r m a le x p o s u r ei n r 6a l l o y k e yw o r d s ：m l 3 7 7a l l o y , a i c u m g a ga l l o y , m i c r o a l l o y i n g ，a g ，m n ，s c ，c e ，h e a t r e s i t s t a n tp r o p e r t y , t1p h a s e ，0 p h a s e ，q p h a s e i v 枣 厂 硕士学位论文 1 1 耐热铝合金 第一章文献综述弟一早义陬练途 所谓耐热铝合金，是在温度及载荷( 动态的和静态的) 的长时间作用下，具有 抵抗塑性变形( 蠕变) 和破坏能力以及有足够的高温抗氧化性的金属和合金。耐热 铝合金由于具有导热性好和比重轻等优点，所以在航空航天上得到广泛利用，比 如航空发动机的汽缸头和活塞，飞机蒙皮等n 1 。 1 1 1 铸造耐热铝合金 铸造铝合金，同形变合金相比，组织粗大，分布不均匀，往往有缩松、气孔 ( 针孔) 、偏析和夹杂等缺陷，故其强度和塑性都比变形态低，但是，铸造合金的 耐热性反而比形变合金高。铸造合金第二相沿晶界形成薄膜或网状骨架，阻碍扩 散过程及位错运动，而且铸造合金在加热时没有再结晶，晶粒长大倾向小，此外， 铸态组织中螺型位错较多，而螺型位错与刃型位错不同，它只能滑移，不能发生 攀移，故铸造合金的抗蠕变能力强，因此其耐热性比变形合金高乜】。此外，与形 变铝合金相比，铸造铝合金的另一优点是合金成分没有过多的限制，其中一个成 分复杂的例子就是a l c u n i c o s b z r 合金，其使用温度可达到3 5 0 口3 最简单的铸造耐热铝合金是a i - 3 m n 合金，用于燃气灶，其最高使用温度可 达5 0 0 ，这可能代表铝合金最高的使用温度。锰与铝形成a l d d n 质点，可提高 合金强度和再结晶温度，这主要是锰在铝合金中的扩散系数很小，同时由于锰的 影响，铝的自扩散系数也降低，从而提高合金的高温使用性能1 。 更多的铸造耐热铝合金主要由a 卜s i 系发展而来，这是因为s i 的存在提高 合金的流动性，降低合金收缩量和热裂倾向。含s i 量在1 5 - - - , 2 4 的a l - s i 合金 被广泛用作内燃发动机的活塞等零件材料。在a i - s i 中加入m g 形成a i - s i - m g 三元合金，通过时效热处理析出中间相m g ：s i 化合物，并呈弥散分布，使固溶体 结晶点阵发生畸变( 扭曲) ，从而使强度提高，例如a 3 5 7 t 6 ( a i - 7 s i 一0 5 m g ) 就 是其中一种耐热的航空结构材料。由于a i - s i - m g 合金的耐热性能较低，其工作 温度一般低于1 8 5 。为了获得更高使用温度，要在a i - s i 中同时加入c u 和。 通常加入1 2 c u ，合金的耐热性能和耐腐蚀性都很好，其工作温度可达2 0 0 - - - 2 2 5 。进一步在其中加入少量n i ，形成的a 卜s i c u m g n i 合金会产生新的耐 热相，进一步提高合金的高温抗拉强度，适合制作内燃机活塞h 5 6 1 。 a 卜c u 系耐热铸造铝合金中有我国的z l 2 0 6 ，z l 2 0 7 ，z l 2 0 8 和前苏联的ai ip l 等。这些合金都是采用复杂合金化的手段( 包括加入了混合稀土) ，使合金 组织中形成复杂的金属间化合物并存在于晶界面上，阻止晶粒滑移，同时选用了 硕士学位论文文献综述 高纯材料，辅以热处理强化手段而达到提高高温( 3 5 0 4 0 0 ) 强度和热稳定性。 z l 2 0 7 合金适合在4 0 0 c 以下工作的各种结构构件。如飞机发动机上的活门壳体、 炼油行业中的一些耐热结构件等n 3 。 a 1 一r e ( 混合稀土) 系铸造耐热稀土铝合金，其主要特点是形成高熔点化合 物。如在a 1 - - c e 合金系中，于5 6 4 5 处形成a 1 。c e 相，其熔点为1 2 5 0 。当温 度为6 3 8 ( 共晶温度) 时，铈在铝中的溶解度为0 0 5 ，且温度下降时固溶度不 变，加之a l 。c e 成分一定，结构复杂，合金在高温下很稳定，且其热硬性很高， 所以a 1 - - c e 系合金有很高的热硬性。此外，稀土元素为表面活性元素，可集中 分布在晶界上，降低相与相之间的拉力，从而细化晶粒，对改善合金性能有利。 但二元a 1 - - r e 性能不高，应加入c u ，m n 强化。文献报道a i - r e - c u - m n - s i 在3 5 0 4 0 0 下仍具有优良的高温力学性能，其耐热温度比一般的耐热铸造铝合金高近 5 0 7 1 。 1 1 2 形变耐热铝合金 最为广泛使用的耐热铝合金都是2 0 0 0 系合金发展而来，该合金体系是 a l f r e dw i l m 在第一次世界大战前发现的第一个时效硬化铝合金。 1 1 2 1a 卜c u - m n 系耐热铝合金 a l - c u - m n 系耐热铝合金主要有美国的2 2 1 9 。苏联的皿2 0 、皿2 1 ，我国的2 a 1 6 、 2 a 1 7 。这些合金的主要特点是含有较高的c u ，较低的m g 。合金中的m n 是保证合 金具有高耐热性的一个主要元素。另外，2 2 1 9 合金在基体中有意识的添加了少 量的z r 和v 元素以改善合金的晶粒组织，其良好的可焊性能、优良的低温韧性 和较高的抗应力腐力性能是其在某些特殊领域获得广泛应用的主要原因h 3 ，工作 温度范围是一2 7 0 3 0 0 ，主要应用在航天火箭焊接氧化槽与燃料槽，超音速飞 机蒙皮与结构零件陆1 。且2 0 、皿2 1 合金可以制造成在高温长期工作的制件，如发 动机零件( 叶片、园盘、叶轮、导风轮、活塞等) 以及超音速飞机或是其它结构 上使用的结构材料，还可制作在室温和高温短时使用的焊接容器。研究表明在温 度超过2 5 0 以后，2 a 1 6 的强度比2 a 1 7 高，2 a 1 7 合金用作2 2 5 , - - - 2 5 0 以下工作 的锻件，2 a 1 6 可在1 5 0 3 5 0 工作哺6 1 。 1 9 5 0 1 9 7 0 年，为了进一步优化铝合金板材的高温性能，h i g hd u t y 系合 金应运而生，其中有h d a 5 4 ，h d a 5 4 3 。这两种h i g hd u t y 合金主要在2 2 1 9 基体 上添加了少量的m g 和s i 。m g 、s i 的添加使得合金即使在固溶淬火和时效之间不 引入预变形的条件下，也可获得与合金在引入预变形处理后相似的性能，由于锻 2 硕士学位论文 文献综述 造合金不易引入冷变形，因此这一优点有利于锻造铝合金获得更广泛的应用陋1 。 此外，m g 的添加还可以提高溶质原子与空位的结合能，增加析出相的密度，降 低扩散速率，延缓析出相的长大。为了提高合金的焊接性能，在该合金体系上分 别添加微量的0 5 a g 和0 1 2 z r ，形成了h d a 5 4 3 a g 和h d a 2 5 4 合金。英国的 f u l m e r 研究院在h i g hd u t y 合金系中用g e 代替s i ，提高了时效强度，但对延缓 0 相的粗化作用不大。尽管h i g hd u t y 系合金展示出优良的高温使用性能，其 各向指标也达到标准要求，且该系合金( 除h d a 5 4 3 a g ) 相关的专利技术也有注 册，但并未获得广泛应用。 1 9 8 5 年，美国注册2 5 1 9 合金，该合金也属于a l - c u m n 热处理可强化铝合 金，和2 2 1 9 合金的主要不同之处是成分中含有少量m g 。工作温度为2 2 5 - - - 2 5 0 ，主要用于飞机蒙皮、火箭、舰船等的结构件和两栖装甲突击车、空投空降车 等的装甲材料巧9 1 。 1 1 2 2 a 1 一c u m g ( 一f e n i ) 耐热铝合金 大约在上世纪5 0 年代，英国发展了一大批使用温度在1 5 0 - 3 5 0 的变形铝 合金，其中获得最广泛应用的是杜拉铝合金- - r r 5 7 和- - r r 5 8 n 叫。在美国，与 该合金成分相似的是2 6 1 8 合金。在1 2 0 以上的温度下，2 6 1 8 合金的力学性能 高于7 0 0 0 系合金，这主要是由于合金在2 0 0 以上形成的半共格s 相的沉淀强 化作用和稳定的a i 。f e n i 相在高温下对合金变形起阻碍作用。2 6 1 8 合金中s i 的 存在还可以促进s 相的析出并起到减缓过时效的作用。在现阶段实际应用中， 2 6 1 8 合金除应用于“协和 飞机的蒙皮和许多结构件外，还用于1 5 0 以上具有 较高强度的重要承力构件，如超音速战斗机的座舱中央地板、横梁、接头肋、外 翼隔板、新型“斯贝 发动机的叶片和机壳n 1 。苏联开发的a l - c u - m g 为基的耐 热铝合金主要有a k 2 ，a k 4 和a k 4 - 1 合金。a k 2 合金位于a + a l ：c u + s 三相区，该相 区在1 5 0 以下具有最好的强度，是最早的耐热铝合金之一，长期以来，一直用 作航空发动机的零件；a k 4 和a k 4 - 1 合金比a k - 2 合金的c u 含量低，与2 6 1 8 合 金成分相似，位于a + s 两相区，s 相的耐热性能比0 更好，因此a k 4 和a k 4 1 合 金比a k 2 合金的耐热性能更高。a k 4 一l 合金板材在1 2 5 加热2 0 0 0 0 小时后，强 度性能仍不降低，在1 5 0 和1 7 5 加热时，半成品的强度分别降低8 1 0 和 2 0 ，其合金的锻件和模锻件广泛应用于喷气发动机零件，同时还作为制造新式 超音速飞机的主要结构材料。在我国，与2 6 1 8 ，a k 4 - 1 合金成分相似的主要有 2 a 7 0 ，2 a 8 0 。此外我国a i - c u - m g 系的耐热铝合金主要还有位于a + a l ：c u + s 的2 a 1 2 、 位于a i + s 相区的2 a 0 2 和2 a 0 6 。2 a 0 6 合金的c u 、m n 比2 a 0 2 高，并加有微量b e 和t i 。在2 0 0 以下，2 a 0 2 合金的的瞬时高温拉伸性能在三种合金中最高，但 硕士学位论文文献综述 温度超过2 0 0 ，2 a 0 6 合金的高温性能表现最好。2 a 0 6 主要用作工作温度为1 5 0 - - 2 0 0 工作的结构板材。 c e c 资助的b r i t e e u r a m n e w a l l 5 0 项目旨在开发更先进的耐热铝合金， 要求其1 5 0 的蠕变性能以及耐损伤性能优于2 6 1 8 合金。2 6 5 0 合金在2 6 1 8 合金 基础上通过调整合金元素含量( 降低f e 、n i 含量，提高m g 含量) ，优化了合金 综合性能。该合金的蠕变性能与2 6 1 8 合金相似，但具有更优越的耐损伤性能n “垤1 。 俄罗斯航空材料研究院与有关冶金工厂合作在对a k 4 - 1 ( 相当于美国的2 6 1 8 合金 和我国的2 a 7 0 合金) 进行深入研究的基础上已研制出一种供新一代超音速民航 客机用的可靠性更高的变形耐热铝合金，并命名为a k 4 - 2 合金或1 1 4 3 合金，a k 4 - 2 的化学成分与a k 4 1 合金相比，主要是f e 和n i 的含量降低了1 2 ，各种力学性 能实验显示( 见表卜2 ) a k 4 2 合金的冲击韧性、低周疲劳、断裂韧性和裂纹扩 展速率等优于a k 4 一l 合金，个别指标甚至高出4 0 n 羽。 表卜2 叫a k 一2 合金模锻板材的断裂韧性、低周疲劳裂纹扩展速率与a k 4 一i 合金的对比 合金牌号 取样 k i c ( m p a ) 低周疲劳周( k t = 2 6 ) 裂纹扩展速率( m m 周) 方向0 = = 2 0 0o = 1 6 0k = 1 5 6k = 2 1 9 a k 4 - 2 ( 11 4 3 )纵向 3 1 5 3 34 31 6 40 6 0 91 9 5 2 0 5 横向 2 7 3 24 6 1 5 7 高向 2 2 2 4 a k 4 - 1 纵向 2 4 2 83 5 49 21 36 8 横向 1 9 2 53 48 5 高向1 7 5 2 0 3 1 1 2 3 a l c u m g 一船系耐热铝合金 高c u m g 比的a i - c u - m g a g 合金是近年来众多研究者们青睐的耐热铝合金之 一，有望成为新一代超音速民航客机理想的蒙皮材料n 劓。尽管关于a l - c u m g a g 合金的研究在上世纪6 0 年代已有出驯1 5 1 ，但该合金系作为耐热合金以期取代传 统高温用铝合金( 2 6 1 8 ) 的研究工作主要起于8 0 年代末9 0 年代初。a g 添加到 高c u m g 比的a 卜c u - m g 合金中促进了一种新相q 相的析出，该相为六角形，惯 析面是 1 1 1 ) a 1 b , 1 7 , x s ，与基体共格，稳定性高，2 0 0 。c 有很好的抗粗化能力n 9 1 ，但 在2 5 0 高温时效被0 取代瞳叫。早期研究表明a l 一4 o c u 一0 3 m g 一0 4 a g 在1 2 5 和1 5 0 表现出令人满意的蠕变性能乜，但强度不高。p o l m e a r 在商业合金2 2 1 9 基础上添加微量m g 和a g 后，形成的合金的名义成分是a 卜6 3 c u 一0 4 5 m g 0 4 a g 一0 3 m n - o 2 z r ，电子衍射分析证明该合金的主要相组成为q 相和少量的0 相比2 j 。 实验结果表明该合金不仅有良好的焊接性，而且与相同规格挤压棒材2 6 1 8 一t 6 4 一 厂 硕士学位论文 相比，其室温屈服强度提高3 2 m p a ：在2 0 0 热暴露i 0 0 小时后，其2 0 0 高温 屈服强度分别比2 6 1 8 一t 6 ，2 2 1 9 一t 6 高出3 5 m p a ，8 0 m p a ，表现出优良的高温性能。 法国与澳大利亚合作把开发新一代结构蒙皮材料的研究工作集中在c u 含量 在3 6 6 3 ( w t ) 的a 卜c u 一0 4 5 m g 一0 4 5 a g 系列合金上。每增加1 的铜，铝合 金的密度增加2 3 。1 9 9 2 年，为降低铝合金的密度，法国航空公司a e r o s p a t i a l e 建议投入资金对该系列合金进行更精细的研究，通过评估不同c u 含量的挤 压棒材的力学性能( 室温拉伸性能和断裂性能、在1 5 0 和1 8 0 的蠕变性能) 以优化a i - c u - m g a g 合金成分。性能测试表明a l 一5 6 c u - o 4 5 m g - o 4 5 a g - o 3 m n - 0 1 8 z r 具有最优的综合力学性能，与传统的2 0 0 0 系合金相比( 见图i - i ) ，其 拉伸性能和蠕变性能得到明显的优化。并且此合金在9 0 下热暴露1 8 个月后， 其硬度值未发生变化髓朝。w a n g 瞳射等人研究了a i - 4 6 c u - o 4 m g - o 5 2 a g - o 3 m n - 0 1 6 z r - o i s i 一0 i f e 合金的蠕变性能，该合金在1 5 0 ，3 0 0 m p a 使用应力下的 应变速率变化缓慢，表现出良好的蠕变性能。 图i - i ：a 卜c u _ m g a g 、2 0 0 0 系合金蠕变速率一使用应力的曲线图 美国铝业公司a l o c a 则在2 5 1 9 基础上开发了c 4 1 5 ，c 4 1 6 合金。这两种合 金的c u 含量略低于2 5 1 9 ，同时添加少量的a g 以促进q 相的形成。c 4 1 5 合金的 c u m g 比为6 ，其c u 含量较c 4 1 6 的c u 含量略低，m g 含量略高，在t 8 处理状态 下，主要的强化相为q 相，室温和高温力学性能较c 4 1 6 高；c 4 1 6 的m g 和m n 含 p山卜芷t山芷u芝r、苫一z一芝 0 。= 5 2 3 m p a ，6 = 7 8 。该合金在2 2 5 以下使用比a l c u m n 和a i - c u - m g - f e - n i 系合金耐热性能要优越得多，其主要原因在于该合金的主要强化相( t 1 ，t b ) 的高温软化倾向比0 相和s 相小得多。1 9 5 8 年，美国航空公司对其首次评估， 就塑性、韧性间题进行了激烈地争论，最终给予肯定。次年，将其用于美国海军 r a 一5 c 警戒机的机翼蒙皮和尾冀水平安定面，减重效益6 乜引，架减重7 3 k g ， 先后服役约2 0 年，未发现腐蚀、应力腐蚀、疲劳破坏等