鑄造zl205合金的顯微組織和力學(xué)性能

鑄造zl205合金的顯微組織和力學(xué)性能

高強(qiáng)度、高耐腐蝕性和良好的綜合力學(xué)性，如高強(qiáng)度、高延長、塑料、高高溫性能和易于切削性，已被廣泛應(yīng)用于航空產(chǎn)品的高強(qiáng)度、高延展性和耐候性。其中ZL205A合金是一種高純高強(qiáng)度鑄造鋁合金,在T6狀態(tài)下,其強(qiáng)度是目前世界上使用的鑄造鋁合金中最高的合金之一,具有非常好的塑性、韌性和抗蝕性,易焊接,易加工。在高強(qiáng)韌鑄造鋁合金領(lǐng)域,我國取得了世界矚目的成績。20世紀(jì)60年代至70年代,北京航空材料研究院研制成功了ZL205A高強(qiáng)度鑄造鋁合金*。在此基礎(chǔ)上,北京航空材料研究院呂杰等成功研制出一種與ZL205A成分相近、韌性特別好的鑄造鋁合金材料(高韌205A)。目前,ZL205A已應(yīng)用于汽車、飛機(jī)和航天等零部件,使用效果良好,隨著推廣工作的展開,其應(yīng)用領(lǐng)域還將進(jìn)一步擴(kuò)大。近些年來,優(yōu)化合金成分設(shè)計(jì)、提高純度、發(fā)展新的熱處理制度、超細(xì)化合金的組織結(jié)構(gòu)、精確調(diào)控合金中強(qiáng)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。因而研究分析鑄造鋁合金的組織和性能有實(shí)際的意義。本課題對(duì)砂型鑄造的ZL205A合金鑄態(tài)和熱處理態(tài)的圓柱形鑄錠組織作了觀察分析,并研究了溫度對(duì)合金力學(xué)性能的影響。1試驗(yàn)過程與結(jié)果試驗(yàn)用合金為砂型鑄造的ZL205A合金,用電阻坩堝爐進(jìn)行熔煉,Cu、Mn、Zr、V、Ti、B等元素均以中間合金的形式加入,Al-Mn、Al-Zr、Al-V與純Al在室溫下同時(shí)裝爐,705～715℃加入Al-Cu,740～750℃加入Al-Ti-B,加入后攪拌5min,720～730℃精煉除氣(精煉劑:TiO2,Cl6C2)。合金化學(xué)成分如表1所示。合金的熱處理工藝(T6):在540℃進(jìn)行固溶處理,時(shí)間為18h,然后在40～80℃的水中淬火。在170℃時(shí)效,時(shí)間為3.5h,然后出爐空冷。分別研究鑄態(tài)和T6態(tài)下的組織和性能。組織觀察在X650型掃描電子顯微鏡(SEM)上進(jìn)行。用電火花線切割制備試樣,試樣規(guī)格為?10mm×5mm,試樣用金相砂紙從200#磨到1200#,拋光液為Cr2O3水溶液,腐蝕液為0.5%HF+99.5%H2O。拉伸用片狀試樣的尺寸見圖1所示。試樣經(jīng)500#砂紙磨光,以消除線切割刀痕,然后在美國instron1186型電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn),拉伸速度為1mm/min。試驗(yàn)結(jié)果為3個(gè)試樣的平均值。常溫和高溫的測試點(diǎn)為23℃、50℃、100℃、150℃、200℃、250℃、300℃。2結(jié)果和分析2.1zl205a晶界借助Al-Cu-Mn和Al-Cu-Ti三元相圖,我們可知合金的結(jié)晶過程為:首先是α(Al)結(jié)晶,然后有L→α(Al)+θ(Al2Cu)二元共晶或L→α(Al)+θ(Al2Cu)+T(Al12CuMn2)三元共晶反應(yīng),一直到完全凝固為止。由于合金中Cd含量較低,且有一部分溶于α(Al)中,剩余的Cd以圓球形質(zhì)點(diǎn)的形式與θ和T相一起分布在枝晶間或晶界上。圓柱形鑄錠橫截面的金相組織觀察表明,鑄態(tài)下ZL205A合金基體相為α(Al)固溶體,枝晶間和晶界上有α(Al)、θ(Al2Cu)相和Cd相的共晶組織(圖2)。對(duì)晶界處的網(wǎng)狀組織(A處)作進(jìn)一步分析,能譜分析表明(圖3b),主要含有Al和Cu元素,以及少量的Mn元素,為白亮色θ(Al2Cu)和黑灰色T(Al12CuMn2)相的混合組織。另外,還有少量的灰色塊狀ZrAl3相,條狀A(yù)l3Ti(B)相分布在α(Al)固溶體上(圖3a)。由于ZL205A合金中添加了少量的Ti、V、Zr和B等元素,在凝固過程中會(huì)形成Al7V、Al3Zr、Al3Ti和TiB2化合物,它們可作為α(Al)的外來結(jié)晶核心,有效地細(xì)化晶粒。圖4為ZL205A合金鑄態(tài)下晶粒形貌,晶粒比較細(xì)小,在枝晶間和晶界上分布著α(Al)、θ相和Cd相的共晶組織。ZL205A合金進(jìn)行T6固溶處理時(shí),θ相和Cd相溶入,α固溶體中,二次T相呈彌散小質(zhì)點(diǎn)析出,這將大大提高合金的性能,典型組織見圖5。圖中基體相為α固溶體,呈黑色點(diǎn)狀彌散析出的是二次T相。對(duì)圖5中A、B兩處進(jìn)行了掃描能譜分析(見圖6),分析表明A處為片狀A(yù)l3Ti的偏析物,B處為未完全溶解殘留在晶界上的Al2Cu相,從圖5中可以看到殘留的Al2Cu相很少,但是Al2Cu相在晶界上的殘留將影響材料的力學(xué)性能。在ZL205A合金中,Cu元素是基本強(qiáng)化元素,與Al形成θ相起固溶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化作用,在T6狀態(tài)時(shí),含Cu固溶體分解,析出大量的θ″相和少量片狀θ′相,提高合金的力學(xué)性能。Mn與Al、Cu反應(yīng)形成T相,固溶處理時(shí)呈彌散質(zhì)點(diǎn)析出,可提高室溫和高溫強(qiáng)度。Cd可加速人工時(shí)效,促進(jìn)高溫下的沉淀過程,加速θ″相的長大和θ′相的析出。合金中添加少量Ti,和Al生成Al3Ti相。Al3Ti在高溫下可直接從液相中析出,是初生相,Al3Ti的彌散質(zhì)點(diǎn)可作為α相的結(jié)晶核心,使α(Al)的晶粒細(xì)化。當(dāng)Ti含量過高時(shí)造成偏析,將出現(xiàn)粗大的片狀A(yù)l3Ti相(圖7)。2.2cd對(duì)合金強(qiáng)度的影響對(duì)于Al-Cu-Mn系合金,合金中Cu是基本強(qiáng)化元素,與Al形成θ相起固溶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化作用。Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5%～5.5%時(shí)具有最強(qiáng)的固溶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化作用,合金這時(shí)具有最佳的熱處理效果。Mn是主要合金化元素之一,其含量對(duì)合金力學(xué)性能有顯著影響。通常,在Al-Cu-Mn系合金中,Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%～1%,除可能出現(xiàn)的Al2Cu相外,一般還會(huì)出現(xiàn)三元化合物Al12CuMn2。Mn的強(qiáng)化作用包括兩部分:一部分Mn溶入α固溶體,起固溶強(qiáng)化作用;另一部分Mn在合金中形成Al12CuMn2相,熱處理后大部分以二次Al12CuMn2相質(zhì)點(diǎn)彌散分布于基體中,起彌散強(qiáng)化作用,還有少量Al12CuMn2相呈不連續(xù)網(wǎng)狀分布于α晶界。Cd元素對(duì)合金的鑄態(tài)力學(xué)性能影響不大,但熱處理強(qiáng)化作用卻非常明顯。加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的Cd可使合金的抗拉強(qiáng)度提高15%。鑄態(tài)和T6熱處理狀態(tài)下溫度對(duì)ZL205A合金抗拉強(qiáng)度的影響見圖8所示。由圖8可知,常溫下ZL205A合金鑄態(tài)和熱處理態(tài)常溫的抗拉強(qiáng)度比50℃略高,此后抗拉強(qiáng)度隨溫度的升高呈下降的趨勢。高溫拉伸時(shí)合金材料發(fā)生了塑性變形,韌性變好,因而抗拉強(qiáng)度下降。在相同溫度下,熱處理態(tài)的抗拉強(qiáng)度比鑄態(tài)的高。常溫時(shí),T6處理后合金的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了467.5MPa。這是因?yàn)閆L205A合金進(jìn)行T6固溶處理時(shí),θ相和Cd相溶入α固溶體中,二次T相呈彌散小質(zhì)點(diǎn)析出,還有一些殘留的θ相,起到固溶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化作用。另外,也與Cd元素的熱處理強(qiáng)化作用有關(guān)。圖9是ZL205A合金(T6)在不同溫度下的拉伸斷口形貌,合金在不同溫度下均為延性斷裂,隨著溫度的升高,拉伸斷口的韌窩越來越明顯,說明合金的韌性越來越好,因而合金的抗拉強(qiáng)度呈下降趨勢。研究表明,ZL205A合金經(jīng)過T6處理,強(qiáng)度得到了提高,在高溫下具有很好的韌性。3增強(qiáng)mt2al重相混合的晶粒(1)鑄態(tài)ZL205A合金基體相為α(Al)固溶體,枝晶間和晶界上有α(Al)、θ(Al2Cu)相和Cd相的共晶組織。晶界處存在θ相和T(Al12CuMn2)相的混合組織。另外,還有少量的灰色塊狀ZrAl3相,條狀A(yù)l3Ti相分布在α(Al)固溶體上。合金中添加的少量Ti、V、Zr和B等