【摘要】：Al-Cu-Mg-Ag合金具有比強度高、耐熱耐蝕性好、加工性優(yōu)、來源廣泛、性價比高等特點,相當(dāng)契合未來超音速民航客機的需求,具有廣闊的發(fā)展前景。高溫蠕變試驗可以很好模擬超音速客機飛行時合金的服役狀態(tài),穩(wěn)態(tài)蠕變速率和蠕變斷裂時間是衡量合金蠕變性能的重要參數(shù)。本試驗以Al-5.3Cu-0.4Mg-0.4Ag-0.3Mn-0.1Ti為基礎(chǔ)合金,通過熔鑄的方法制備了兩大類的試驗合金:單獨添加Zr元素(0、0.15、0.25、0.3、0.35wt.%)的Al-Cu-Mg-Ag-Mn-Ti-xZr試驗合金,研究了欠時效態(tài)(180℃/8 h)下試驗合金的室溫力學(xué)性能和高溫蠕變性能,并利用蠕變本構(gòu)方程?=A~nexp(-Q/RT)進行了數(shù)學(xué)擬合;Cu元素含量(5.23、5.56、5.82wt.%)不同的Al-xCu-Mg-Ag-Mn-Ti-Zr-Sc試驗合金,探索了不同時效狀態(tài)試驗合金的室溫力學(xué)性能和欠時效態(tài)(180℃/8 h)合金的高溫蠕變行為,并利用了蠕變本構(gòu)方程進行了數(shù)學(xué)擬合。試驗結(jié)果表明:(1)Zr元素加入顯著提高了試驗合金的室溫拉伸性能,Zr含量為0.35 wt.%的合金,在180℃/8 h時效狀態(tài)下室溫拉伸強度最高,0.15 wt.%的合金稍次,0.25wt.%的合金最差,但均高于無Zr合金。0.35 wt.%Zr合金的抗拉強度、屈服強度和延伸率分別為455.52 MPa、387.29 MPa和11.61%,與無Zr合金相比,抗拉強度提升9.29%、屈服強度提升14.83%、而延伸率降低16.77%。(2)200℃/150 MPa和200℃/200 MPa條件下的蠕變試驗中,最高Zr含量合金占據(jù)優(yōu)勢,0.35 wt.%Zr含量的合金穩(wěn)態(tài)蠕變速率最低,100 h蠕變試驗后合金的應(yīng)變最小,表現(xiàn)出相對優(yōu)異的蠕變性能;在較高應(yīng)力200℃/250 MPa、200℃/300MPa和較高溫度220℃/200 MPa、240℃/200 MPa、260℃/200 MPa的蠕變試驗中,無Zr合金反而具有了相對優(yōu)異的蠕變性能,Zr元素的加入削弱了合金的蠕變抗性,隨溫度增高和應(yīng)力增大,這一現(xiàn)象越為明顯。較大應(yīng)力200℃/300 MPa蠕變試驗時,0wt.%Zr含量試驗合金的蠕變斷裂時間為70.01 h,為相同蠕變條件下0.35 wt.%Zr含量合金的2.68倍;較高溫度260℃/200 MPa蠕變試驗時,無Zr合金的蠕變斷裂時間為15.99 h,為相同蠕變條件下0.35 wt.%Zr含量合金的2.35倍。(3)Cu含量(5.23、5.56、5.82 wt.%)的升高并未對180℃/(8、12、14 h)不同時效狀態(tài)下合金的室溫拉伸性能產(chǎn)生顯著影響,3種試驗合金不同時效狀態(tài)下室溫拉伸時的屈服強度、抗拉強度和延伸率等數(shù)值多元統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn),屈服強度、抗拉強度和延伸率的統(tǒng)計平均值分別為374.3±29.3 MPa、453.5±24.43 MPa和10.2±1.07%;由于3種試驗合金的Zr、Sc含量相同,時效態(tài)試驗合金中存在的大量對時效不敏感變形W相(AlCuScZr)導(dǎo)致了這一試驗結(jié)果,室溫拉伸時其具有較好的彌散強化作用。(4)Cu含量(5.23、5.56、5.82 wt.%)的升高卻對試驗合金的蠕變性能產(chǎn)生了較大的影響,相同條件下的蠕變試驗中,5.82 wt.%Cu含量的試驗合金始終具有相對優(yōu)異的抗蠕變能力,隨溫度升高和應(yīng)力增大這種現(xiàn)象就越為明顯。其在較高溫度(240℃/200 MPa)條件下的蠕變斷裂時間為64.43 h,約為其他兩種Cu含量試驗合金的3倍;在較高應(yīng)力條件下(200℃/250 MPa)5.82 wt.%Cu含量試驗合金的穩(wěn)態(tài)蠕變速率為6.31×10~-77 s~(-1),僅約為其他兩種試驗合金的30%。(5)通過觀察試驗合金Ω相的TEM高分辨照片可知,Ω相的析出長大是原子擴散的結(jié)果,為擴散型相變,且Ω相與基體晶格錯配度小,可以有效提高試驗合金的熱穩(wěn)定性,θ′相也存在相似的作用。試驗合金的Ω相在260℃/200 MPa蠕變試驗中發(fā)生了明顯的粗化現(xiàn)象,蠕變試驗前Ω相厚度約為2 nm,蠕變試驗后達到了5 nm左右,合金的熱穩(wěn)定性降低。此過程中試驗合金的晶界處發(fā)生了大量的溶質(zhì)原子偏聚現(xiàn)象,晶界附近無沉淀析出帶(PFZ)寬度由蠕變試驗前約200 nm,在蠕變試驗后增大了一倍,達到400 nm左右。
【圖文】：

.1 Al-Cu-Mg 合金的研究進展從 1906 年 AlfredWilm 首次發(fā)現(xiàn) Al-Cu-Mg 合金的時效硬化行為開始，這金就得到了廣泛的發(fā)展。由于 Al-Cu-Mg 合金具有密度小、導(dǎo)熱性好、易于成型、高的比強度和較為優(yōu)異的耐蝕性能等優(yōu)點，目前已被廣泛的應(yīng)用于建車、輪船、航空航天等領(lǐng)域，對于國防和民生都尤為重要[1-4]。同時 Al-Cu-合金在飛機的機身蒙皮、機翼下蒙皮、機翼下銜弦條中應(yīng)用廣泛[5-8]，例如最大的客機法國空客 A380 就用到了大量的 Al 合金材料，其結(jié)構(gòu)材料組成為鋁合金 61%、復(fù)合材料 22%、鈦合金與鋼 10%、纖維金屬夾層材料 3%。 A380 型客機的下翼縱梁材料選用的是 2027-T3511 合金，機翼下蒙皮采用加拿大鋁業(yè)公司研制的厚板合金 2024A-T351，機身框架采用 2024-T432 合壓型材。另外中國的大飛機項目 C919 也采用了 2024 合金，支線客機 AR用的為 2524 合金如圖 1.1 所示。波音 777 客機應(yīng)用的 Al 合金材料如圖 1.2，其采用了具有最佳疲勞抗力的 2524-T3 合金作為飛機的蒙皮，2324-T39和 2224-T3511 合金分別作為機翼下表面蒙皮和弦條。[9-11]

圖 1.2 波音大型客機 B777 所用鋁合金分布圖[8]Al-Cu-Mg 合金富鋁端相圖如圖 1.3 所示[12]，，可以看出當(dāng) Al-Cu-Mg 合金Cu/Mg 比較小時，合金析出相為 +S+T 或 +T；Cu/Mg 比中等時，合金的析相為 +S；當(dāng)合金 Cu/Mg 比很大時，合金的析出相為 +θ+S 或 +θ。Al-Cu-合金的 Cu/Mg 比和熱處理過程，對合金析出相種類和分布起到巨大影響，此金具有很好的時效硬化行為。合金的 θ 相析出序列為：過飽和固溶(Supersaturated Solid Solution, SSS)→GP 區(qū) (Cu 原子偏聚區(qū) )→θ′′→θ′(Al2C→θ(Al2Cu)，從 θ′′→θ′→θ 析出相與基體的共格關(guān)系轉(zhuǎn)變依次為共格關(guān)系→半格關(guān)系→非共格關(guān)系。θ'相為正方結(jié)構(gòu)，沿{100}-Al析出,與基體的位向關(guān)系(100) //(100)θ′和[001] //[001]θ′，呈長方形或八邊形薄片狀[57-59]。合金中 S 相的出序列為：SSS→GP 區(qū)→S′′→S′(Al2CuMg)→S(Al2CuMg)，S 相與 θ 有相似共關(guān)系轉(zhuǎn)變，S 相為面心正交結(jié)構(gòu)，沿{210}-Al析出，呈棒狀[13-14]。
【學(xué)位授予單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TG146.21

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本文編號：2687994