賈東鵬開題正式報告

1、哈爾濱理工大學學士學位論文開題報告學院材料科學與工程學院學科、專業(yè)金屬材料導師 石德全本科生賈東鵬入學時間 20069開題報告日期20104論 文題目熱處理參數(shù)對2219合金組織和性能影響的研究課題研究的目的和意義Al-Cu-Mn系（簡稱2000系）鋁合金是析出強化型合金，由于它具有高的 比強度和硬度、密度小、熱加工性能好、焊接性能優(yōu)良等優(yōu)點，使之廣泛 應用于航空航天、交通運輸和其它工業(yè)部門，并成為這些領域的重要結構 材料之一 1。尤其在航空工業(yè)中，無論是軍用飛機還是民用飛機，超高強 鋁合金都占據(jù)十分重要的地位，其中民用飛機上鋁合金占結構材料重量百 分比達到70%80%。隨著航空工業(yè)的發(fā)展，新

2、一代飛機對材料提出了更高 的要求，希望具有較高強度的同時具有較好的韌度和耐腐蝕性等，為了滿 足這些要求，世界上許多國家都競相研究開發(fā)新型高強高韌鋁合金。超高 強鋁合金采用鑄造、粉末冶金、電磁攪拌和噴射成形等技術制胚，采用軋 制、擠壓、鍛造等技術進行加工，采用固溶時效方式對合金進行強韌化處 理，由于合金的化學成分、熔煉和凝固方式、加工工藝及熱處理制度不同， 合金的性能差異很大。因此，通過優(yōu)化合金成分設計、提高純度、發(fā)展新 的熱處理制度、析出強化型合金的組織結構、精確調控合金中強化相的最 佳三維分布，成為發(fā)展高性能鋁合金的重要方向。國內外2219合金技術的研究現(xiàn)狀2000系高強鋁合金的發(fā)展可以追溯

3、到20世紀20年代，德國科學家 Sander發(fā)現(xiàn)Al-Cu-Mn合金經(jīng)淬火、時效后具有很高的強度。以此為基礎， 發(fā)展出了后來的2000系鋁合金。1932年，韋伯提出了一種含6%Cu，0.2%Mn 的合金，這是第一種以Al-Cu-Mn為基的析出強化型鋁合金，經(jīng)過淬火時 效后，合金抗拉強度可達588MPa，屈服強度可達549MPa，延伸率為6%， 盡管在加入Cu的同時添加了少量Mn，改善了其抗應力腐蝕性能，但由于 合金仍具有較高的應力腐蝕敏感性而未得到實際應用。為了進一步提高合 金性能，70年代后期，西方發(fā)達國家著手進行了兩方面的研究工作。一方 面投入大量人力物力研究新的熱處理工藝。80年代末，美

4、國Alcoa公司開 發(fā)出處理工藝，并應用于IM/2219合金，使之獲得T3態(tài)強度和T2態(tài)抗腐 蝕性能。2219合金板材和擠壓材目前已大量用于制造飛機框架、艙壁等結 構件。另一方面的工作是開發(fā)快速凝固/粉末冶金（RS/PM ）制造工藝，發(fā)展 RS/PM鋁合金。80年代，美國Alcoa公司采用傳統(tǒng)RS/PM制備方法， 研制出了 PM/2090、PM/2091等合金，其強度相當于IM/2075-T3，耐腐蝕 性相當于IM/2025-T2。90年代，以噴射成形技術為代表的新一代RS/PM 工藝走向大規(guī)模實用化，使規(guī)模生產實用朝高強鋁合金材料變?yōu)楝F(xiàn)實。美國陸軍戰(zhàn)車應用2219鋁合金，獄、晾的2519-T

5、:側拉伸強度和抗彈性 能與7039-T64相當）的推廣應用卻首次提供了一種可作為輕型戰(zhàn)車結構件 替代材料的高強度、抗擾SCC的鋁合金。這種新近研制的適合于輕型戰(zhàn)車 的合金是由A1。以（美國鋁公司）與“毗（福特汽車公司）聯(lián)合研制并由Alcoa 公司生產的。2219-TS協(xié)合金（M孔-A訓118）也是一種抗SCC的鋁合余， 但懸這種合余裝甲板的拉伸性能未必能保特其抗彈性能能趕上7039-T64。新一代運載火箭貯箱材料用2219鋁合金，研制其配用焊絲成為新一代運 載火箭貯箱焊接的關鍵技術之一。研制的焊絲應適用于2219鋁合金常、低 溫貯箱焊接,低溫貯箱包括液氫貯箱和液氧貯箱（工作溫度分別為-253、

6、 -183C）。2219鋁合金配用焊絲已有國產720焊絲和進口 2319焊絲14。 720焊絲和仿制國外的2319焊絲（稱為F2319）均不能滿足新一代運載火箭 貯箱焊接使用要求,主要表現(xiàn)為接頭伸長率較低。進口 2319焊絲若用于航 天產品則易受制于人，焊絲國產化具有重要意義。焊絲研制分為焊絲初步設 計階段和焊絲改進設計階段，評價結果表明，新研制的焊絲所焊接頭性能優(yōu) 異，滿足新一代運載火箭貯箱焊接使用要求32219鋁合金同當時在美國航天工業(yè)中主要被作為大型貯箱材料使用的 Al 一 Cu 一 Mg系的2014合金相比，在低溫和高溫力學性能、斷裂韌性、 焊接性能以及抗應力腐蝕性能等方面具有明顯的優(yōu)

7、勢，尤其是焊接性能良 好這一優(yōu)勢，更令運載貯箱設計者倍感興趣。因為應用2014合金作為貯箱 材料，在焊接上遇到了極大的困難，焊接裂紋問題始終沒有得到根本性的解決2219合金問世后，在美國，1962年至1967年間研制土星V火箭時，被 用于一子級的直徑10.6m的貯箱上，取代2014作為箱體材料。在貯箱研 制生產過程中，2219合金所表現(xiàn)出的優(yōu)良的加工工藝性能，特別是良好的 焊接性能，包括可補焊性和重復焊接性，以及較高的焊縫斷裂韌性，使得 用2219合金焊接的貯箱可靠性大為提高，為航天界所公認，而后陸續(xù)為許 多新型號所采用。在上世紀70年代，美國研制航天飛機的外貯箱，這是一 個直徑8.35m，長

8、達47m的大型復雜焊接構件，也采用了 2219合金。隨 著該合金的工藝日趨成熟、性能日益穩(wěn)定，從上世紀70年代開始2219作 為優(yōu)良的貯箱結構材料全面取代了 2014合金，延續(xù)至今仍在廣泛應用。前蘇聯(lián)從上世紀70年代中期開始研制重型通用運載火箭“能源號”時， 開發(fā)并應用了許多新型合金材料，直徑sm的大型液氫液氧貯箱所采用的 1201鋁合金即是其中之一。該合金的化學成分與性能同美國的2219合金 相同或相近（見表1），也屬于Al 一 Cu 一 Mn系可熱處理強化、耐熱、司- 焊鋁合金。據(jù)悉，在前蘇聯(lián)，1201合金近20年來也已取代A1 一 Mg系合 金，成為運載火箭貯箱的主要箱體材料。我國的ZB

9、16鋁合金（研制時代號為5147）是從60年代開始，參照美國 2219合金的成分配比和冶煉工藝研制的A1 一 Cu 一 Mn系高強可焊鋁合金，具有與2219合金相近的綜合性能，故本文把2219、1201和ZB16統(tǒng)稱為 2219類鋁合金經(jīng)過幾十年的發(fā)展，ZBI6合金在我國已進人工業(yè)化生產和 工程應用階段?？梢韵嘈?，ZB16合金在我國新一代運載火箭的大型貯箱 的研制生產中也將得到應用43.研究方案及進度安排，預期達到的目標3.1 2219鋁合金的熱處理工藝材料的熱處理工藝是由于材料在應用時有局限性，不能滿足實際需要而 不斷探索發(fā)展起來的。超高強鋁合金熱處理的目的是通過工藝參數(shù)的合理 選擇，達到M

10、Pt、GBP、PFZ三個組織參數(shù)間的最佳配合，使合金得到良 好的綜合性能。超高強鋁合金熱處理主要包括均勻化、固溶淬火、時效等 工藝，其中時效工藝又包括單級時效、雙級時效和回歸再時效等。3.1.1固溶處理超高強鋁合金主要通過時效析出而強化，過飽和程度的提高將提高時效 析出相的數(shù)量，增加強化效果。研究表明Al-Zn-Mg-Cu合金高溫固溶中， 通常是富Mg/Zn相的非平衡共晶相熔點低，固溶速度快先行溶入基體，富 Cu的非平衡相熔點高，固溶較慢隨后溶解，而不含Cu的T相 (AlB2BZnB3BMgB3B)成分和含量具有較寬的變化范圍最后溶入基體。鋁 合金的固溶必須避免出現(xiàn)過渡液相使晶界弱化所致的過燒

11、現(xiàn)象，多相共晶 是導致固溶過程中過渡液相形成從而限制固溶溫度的原因。針對2219合金 進行了強化固溶工藝的研究，指出逐步升溫處理可使極限固溶溫度高于多 相共晶溫度，避免過燒組織的形成，有效強化了殘余結晶相的固溶，顯著 提高合金的力學性能。強化固溶與一般固溶相比，在不提高合金元素總含 量的前提下提高了固溶的過飽和度，同時減少了粗大未溶結晶相，對于提 高時效析出程度和改善抗斷裂性能具有積極意義，是提高超高強鋁合金綜 合性能的一個有效途徑。3.1.2單級時效單級時效是一級時效，完全時效后，晶內析出細小的共格或半共格彌散 相，晶界分布著較粗大的連續(xù)鏈狀質點，這種晶界組織對應力腐蝕和剝落 腐蝕十分敏感。

12、完全時效后合金強度可達峰值(T6態(tài))，但抗應力腐蝕性能 較差。3.1.3雙級時效這是一種這可提高抗應力腐蝕性能的熱處理工藝。雙級時效的第一級時 效為低溫時效，相當于成核階段，形成大量的GP區(qū)。第二級是高溫時效， 那些能在高溫時效溫度下穩(wěn)定存在的GP區(qū)優(yōu)先成核轉化為相，在晶 內主要形成均勻分布的盤狀相，隨時效時間的延長，晶內n 相粗化，質 點間距增大，強化相體積分數(shù)減小，晶界n 相穩(wěn)定并長大。亞晶界上pfz 明顯增寬，晶界析出物呈連續(xù)鏈狀分布或斷續(xù)離散分布。經(jīng)雙級時效處理， 合金中的主要強化相是較細的n 相。這些熱處理工藝屬于過時效處理， 在明顯改善抗應力腐蝕性能的同時，強度損失了 10%15%

13、。3.2具體研究方案3.2.1 2219合金成分與力學性能2219合金的主要強化元素為銅，它使合金產生時效強化，其含量約比2014 合金高出50%以上。錳可以大大提高合金的耐熱性，同時還可以顯著降低 合金的焊接裂紋傾向性。錯對2219鋁合金耐熱性的影響也很大，既可以提 高合金的熱穩(wěn)定性，又可以細化鑄態(tài)晶粒，改善合金的焊接性能，提高焊 縫金屬的塑性。欽亦能細化鑄態(tài)晶粒，提高合金的熱穩(wěn)定性。具體數(shù)據(jù)見 表1表1 2219合金成分與力學性能牌號化學成分力學性能CuMnTiZrVAl合金狀態(tài)及厚度/mm5 b /Mpa5c/Mpaa/%22195.6-6.80.2-0.40.02-0.10.1-0.2

14、50.05-0.15余量T62T8747541539529010103.2.2熔煉3.2.2.1做好熔煉前的準備工作嚴格控制爐料質量，必須做到：嚴格控制爐 料中新舊爐料的比例，回爐料所占爐料的質量分數(shù)應W 70%。保證爐料干凈，爐料需經(jīng)吹砂處理后使用。 三等回爐料(如澆冒口等)使用前應經(jīng)重熔精煉處理。 爐料應充分預熱，去除水分、油污等雜質。由于鋁 合金有鋁硅類、鋁銅類、鋁鎂類等合金，合金牌號較 多，使用的元素也較多，且互相影響，因此要求嚴格管 理，不可混料。配料、稱量要準確5。（2）熔煉使用的坩堝及熔煉工具需清理干凈且涂上涂料，以保證使用時與鋁合金有效隔離，減少合金液受 到雜質污染。另外，坩堝

15、需充分預熱，應烘烤至暗紅色 再加入爐料熔煉，以防將水蒸氣帶入合金中，使針孔度 增加。（3）嚴格按要求做好覆蓋劑、精煉劑及變質劑的準備工作。3.2.2.2熔煉過程（1）熔煉溫度控制在670 一 760范圍內，過高溫度會發(fā)生氧化或吸氣，過低溫度不 易分離爐渣。（2）熔煉設備鋁合金熔化可采用反射爐，但氧化、吸氣嚴重，燒損大、溫度難控制， 浪費能源，污染環(huán)境，采用感應電爐，鋁水在爐內的翻騰有利于成分均勻 化，但感應爐磁場對測溫儀有干擾。連續(xù)高效燃氣爐比較合適，可實現(xiàn)爐 料預熱、連續(xù)熔化、成分均勻、溫控精確、節(jié)約能源、壞境干凈，適合大 規(guī)模的生產要求7。（3）保溫時間熔煉過程保持液面平穩(wěn)，合理控制出料溫

16、度、時間、減少保溫時間。保溫時間一般在10-15分鐘（4）精煉鋁合金精煉的主要目的是清除熔液內的氣體和非金屬夾雜物，均勻合 金成分。精煉是熔煉中極為重要的一個工藝過程，應正確選用精煉劑，控 制好加入量（一般加入合金質量的0.5%-0.7%），把握好精煉溫度，精煉 溫度一般控制在700-720P.。在精煉的過程中，用鐘罩將精煉劑分批壓入 熔液面下約2/3處（不要壓入坩堝底部），均勻緩慢做順時針轉動，速度要緩，動作要平穩(wěn)，以避免金屬液大幅度攪動，防止增加氫含量和卷入夾3.2.3澆鑄試樣澆鑄方式如圖1砂型剖面圖所示，溶液從澆口進入，1,2,3,4為試樣。3.2.4固溶處理表3-1溫度（C）時間(mi

17、n)5155102040525612214153581321423.2.5時效處理表3-2溫度（C）時間（h）1651620242917017212630180182328333.2.6正交實驗利用正交實驗處理固溶處理數(shù)據(jù)和時效處理數(shù)據(jù)如下表固溶溫度固溶時間時效溫度時效時間1527 C18min170 C20h2530 C20min173 C22h3.2.7準備拉伸標準試樣，金相組織觀察3.3進度安排2010.3.7-4.7查找資料，寫開題報告。2010.4.7-4.20做相關實驗2010.4.21-5.15數(shù)據(jù)分析2010.5.16-5.31進一步實驗分析2010.6.1-6.204.參考文

18、獻攥寫論文。1陳昌麟，超高強度鋁合金的發(fā)展，中國有色金屬學報,2002(3):22272王洪斌，黃進峰，楊濱等.Al-Zn-Mg-Cu系超高強度鋁合金的研究現(xiàn)狀與 發(fā)展趨勢.材料導報.2003,17(9):143戴曉元，夏長清.熱處理對Al-9.0Zn-2.5Mg-1.2Cu-0.12Sc-0.15Zr合金組織 與性能的影響.熱加工工藝.2006,35(2):14T.Imamura,Current status and trend of applicable material technology foraerospace structure.Journal of Japan of Light Metals.1999,49(7):302309A.Heinz,Haszler A.Recent development in Aluminum alloys