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Zr对2E12铝合金显微组织和力学性能的影响

来源期刊:中国有色金属学报2009年第2期

论文作者:王剑钊 王少华 房灿峰 杨守杰 戴圣龙 孟令刚 张兴国

文章页码:247 - 251

关键词:2E12铝合金;锆;电磁连铸;显微组织;力学性能

Key words:2E12 aluminum alloy; Zr; electromagnetic continuous casting; microstructure; mechanical properties

摘    要:研究Zr元素对2E12铝合金T4态显微组织及力学性能的影响。结果表明:添加质量分数0.3%的Zr元素可以细化合金的铸态组织,使晶粒平均尺寸从42 μm降低至30 μm左右,并促使晶粒等轴化;锻造过程中Zr可以抑制合金的再结晶,防止晶粒长大,改善2E12-T4态的显微组织,提高合金的力学性能,其抗拉强度、屈服强度、伸长率和断面收缩率分别提高5.4%、11.3%、9.7%和12.6%;合金的强化机理主要包括晶粒细化、颗粒弥散强化及形变强化。

Abstract: Effects of Zr on microstructures and mechanical properties of 2E12 aluminum alloy were studied. The results show that compared with 2E12 alloy the as-cast microstructures of alloy with 0.3% (mass fraction) Zr can be refined of grain sizes decreasing from 42 μm to 30 μm and characterized with equiaxed grains. Moreover, recrystallization during the forging process can be inhibited. σb, σ0.2, δ and ψ are improved with increasing Zr content, and the improving amplitudes reach 5.4%, 11.3%, 9.7% and 12.6%, respectively. Combined with the microstructures of alloys, the strengthening mechanism are mainly grain-refine, particles dispersion strengthening and improvement of deformation strengthening.

基金信息:国家自然科学基金资助项目
国家重点基础研究计划资助项目



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文章编号:1004-0609(2009)02-0247-05

Zr对2E12铝合金显微组织和力学性能的影响

王剑钊1,王少华1 房灿峰1,杨守杰2,戴圣龙2,孟令刚1 张兴国1

 (1. 大连理工大学 铸造中心,大连 116024;

2. 北京航空材料研究院,北京 100095)

摘  要:研究Zr元素对2E12铝合金T4态显微组织及力学性能的影响。结果表明:添加质量分数0.3%的Zr元素可以细化合金的铸态组织,使晶粒平均尺寸从42 μm降低至30 μm左右,并促使晶粒等轴化;锻造过程中Zr可以抑制合金的再结晶,防止晶粒长大,改善2E12-T4态的显微组织,提高合金的力学性能,其抗拉强度、屈服强度、伸长率和断面收缩率分别提高5.4%、11.3%、9.7%和12.6%;合金的强化机理主要包括晶粒细化、颗粒弥散强化及形变强化。

关键词:2E12铝合金;锆;电磁连铸;显微组织;力学性能

中图分类号:TG 146. 2       文献标识码: A

Effects of Zr on microstructures and mechanical properties of

2E12 aluminum alloy

 

WANG Jian-zhao1, WANG Shao-hua1, FANG Can-feng1, YANG Shou-jie2,

DAI Sheng-long2, MENG Ling-gang1, ZHANG Xing-guo1

(1. Research Center of Foundry Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China;

2. Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China)

Abstract: Effects of Zr on microstructures and mechanical properties of 2E12 aluminum alloy were studied. The results show that compared with 2E12 alloy the as-cast microstructures of alloy with 0.3% (mass fraction) Zr can be refined of grain sizes decreasing from 42 μm to 30 μm and characterized with equiaxed grains. Moreover, recrystallization during the forging process can be inhibited. σb, σ0.2, δ and ψ are improved with increasing Zr content, and the improving amplitudes reach 5.4%, 11.3%, 9.7% and 12.6%, respectively. Combined with the microstructures of alloys, the strengthening mechanism are mainly grain-refine, particles dispersion strengthening and improvement of deformation strengthening.

Key words: 2E12 aluminum alloy; Zr; electromagnetic continuous casting; microstructure; mechanical properties

                    


铝合金具有密度小、比强度高、耐蚀性和成型性好、成本低等一系列优点, 在航空、航天、船舶、核工业及兵器工业等领域都有着广阔的应用前景及不可替代的地位, 因而,铝合金技术被列为国防科技关键技术及重点发展的基础技术[1?3]。2E12铝合金为高纯Al-Cu-Mg系合金,是在2A12(2024)合金的基础上通过降低 Fe和Si等杂质元素的含量以改善合金的断裂韧性、疲劳和抗应力腐蚀性能的新型铝合金[4?6],该合金首先在波音777飞机上获得应用[7?8],最近又被应用于A380大型客机上,被认为是目前最理想的飞机蒙皮材料。随着我国航空事业的迅速发展,开发并研制出具有优良使用性能的飞机蒙皮材料具有重要的经济和社会意义。2E12铝合金的主要强化相是S(Al2CuMg)相和θ(Al2Cu)相,该合金主要用于100 ℃以下的工作环境,否则,合金性能会因强化相的显著粗化而下    降[9?10]。因此,仅通过热处理来提高其强度具有很大局限性,目前,微合金化方法已成为提高2E12铝合金性能的另一个主要方法。1956年,前苏联学者Frindlyander首次在铝合金中添加Zr元素。此后,国内外针对Zr在Al-Zn-Mg-Cu系合金中的存在形式及对其组织、性能的影响进行了许多研究。结果表明,微量Zr元素具有细化组织、提高强度和再结晶温度的作用[11]

目前,国内外针对电磁连铸条件下在2E12合金中添加Zr元素的研究还很少,而对于其锻件T4态的研究更是未见相关报道。为此,本文作者研究了电磁连铸条件下Zr对2E12铝合金铸态组织的细化作用,并分析Zr对2E12铝合金锻件T4态显微组织及力学性能的影响。

1  实验

以高纯Al(99.99%,质量分数)、纯Mg(99.9%),及Al-50%Cu、Al-10%Mn和Al-4%Zr中间合金为原料,在电磁连铸条件下制备2E12及2E12+0.3Zr铝合金铸锭,合金成分列于表1。

合金在中频感应炉熔化后转移至保温炉中,用氩气精炼,利用电磁连续铸造技术制备d120 mm×1 000 mm的铸锭。电磁连铸参数如下:磁场频率2.5 kHz,功率7.5 kW,浇注温度710~730 ℃,冷却水流量1.8m3/h, 拉坯速度3×10?3 m/s

表1  实验合金的化学成分

Table 1  Chemical composition of alloys (mass fraction, %)

在铸锭同一部位取尺寸为d110 mm×150 mm的样品,进行均匀化处理(于490 ℃保温10 h),经过自由锻后得到的尺寸为380 mm×150 mm×25 mm的锻件(锻造前450 ℃保温4 h)。自由锻过程示意图如图1所示。将所得锻件进行热处理,固溶处理后(495 ℃,保温60 min)水淬(转移时间小于15 s),自然时效96 h,得到T4状态的合金。

图1  自由锻加工流程示意图

Fig.1  Schematic diagram of free forging

将铸态和T4态的2种合金分别进行磨制 、抛光、腐蚀制成金相试样,腐蚀剂为凯氏溶液(95% H2O、1.5% HCl、1.0% HF和2.5% HNO3),在MEFS型多功能金相显微镜下观察显微组织。使用HV?10A型轻负荷硬度计测量合金在时效过程中不同时间的硬度,载荷为1 MN,加载时间为30 s。将T4态合金制成直径为10 mm,标距长为50 mm的拉伸试样,在WDW?100KN微机控制电子万能机上测试其纵向室温力学性能。试样拉断后的显微断口分析在JSM?5600LN扫描镜上进行。


2  结果及分析

2.1  合金的铸态显微组织

2E12及2E12+0.3Zr合金的典型铸态显微组织如图2所示。其中,图2(a)所示为2E12铝合金的铸态组织,由于连铸过程中电磁场的电磁搅拌作用,晶粒从边缘到铸坯中心均匀分布,平均尺寸约为40 μm,存在较为明显的枝晶组织。扫描电镜能谱分析显示,在晶界处富集了主要强化相S(Al2CuMg)相和θ(Al2Cu)相。添加0.3%Zr元素之后,晶粒平均尺寸细化为30 μm,且合金的铸态组织为均匀的等轴晶,基本消除了枝晶组织,结果如图2(b)所示。这表明添加微量的Zr元素可以促使铸态晶粒等轴化, 消除枝晶偏析,并且可显著细化合金的铸态晶粒组织。

图2  2E12及2E12+0.3Zr合金典型铸态显微组织

Fig.2  Typical as-cast microstructures of 2E12 and 2E12+0.3Zr alloys: (a) Typical as-cast microstructure of 2E12 alloy; (b) Typical as-cast microstructure of 2E12+0.3Zr alloy

2.2  合金T4态的显微组织

图3所示为2E12及2E12+0.3Zr合金锻件热处理前后各自的纵向显微组织。铸锭经过锻造加工后,铸态组织已经全部消失,并具有明显的沿纵向的组织方向性,如图3(a)和3(c)所示。锻件通过热处理得到T4态合金。由图3(b)和3(d)可以看出,未添加Zr元素的合金晶粒比较粗大,发生再结晶,添加微量Zr元素的合金纵向组织更加细长、均匀,没有明显的长大倾向,原因是在均匀化处理和热加工过程中析出Al3Zr粒子,而Al3Zr能抑制再结晶[12],保持合金在高温下的稳定性。

图3  2E12及2E12+0.3Zr合金锻件热处理前后纵向显微组织

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