喷射成形2195铝合金Al3Zr析出调控及其变形板材组织与性能研究

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喷射成形技术发展及其在制备大规格铝合金锭坯上应用的成熟,为航空航天高端装备制造所需的轻量化高性能铝合金基础材料提供重要保障。铝锂合金具有轻质、高强、高模量、良好断裂韧性、耐腐蚀性及耐疲劳裂纹扩展等优良的综合性能,在军、民用飞机及各类飞行器结构件上大量应用。喷射成形工艺具有快速凝固特点,制备的合金锭坯基本无成分偏析、晶粒细小等轴、残余应力低等优点,结合后续制备加工工序,可获得综合性能优异的合金材料或构件。2195铝锂合金作为最具代表性的第三代铝锂合金之一,是航空航天结构件制造主要选材之一。目前工业化喷射成形制备的大规格2195铝合金热机械加工后常出现严重的表层粗晶现象,使合金的性能恶化,难以满足应用需求。本论文以工业生产的大规格喷射成形2195铝锂合金锭坯为研究对象,研究挤压、轧制、热处理等工艺条件下合金板材表层组织二次再结晶行为,以期建立有效控制再结晶及粗晶层形成的工艺技术。为对喷射成形2195板材表层再结晶进行调控,制定了双级均匀化处理工艺,并对其板材加工工艺流程进行设计,致力于调控β’(Al3Zr)相析出,实现2195板材再结晶控制。本论文针对喷射成形2195合金锭坯,设计了两种板材加工工艺路线,Process1:均匀化-挤压-轧制-固溶;Process2:挤压-均匀化-轧制-固溶。运用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、差式扫描量热仪(DSC)、显微硬度分析、拉伸测试等表征与测试方法,对这两种工艺路线的喷射成形2195铝合金多个工艺阶段进行了研究,得到以下主要结论:(1)、喷射成形2195锭坯初生第二相主要有:沿晶的θ(Al2Cu)相、S(Al2Cu Mg)相与Al7Cu2Fe相,晶内有取向性分布的针状T1(Al2Cu Li)相、以及部分含Zr的块状Al-Cu-Zr相。均匀化处理(RH350℃/10 h+470℃/24 h)后,T1相全部回溶,θ相、含Zr相则回溶不足,存在不同程度残余,含Fe相几乎未溶。当均匀化处理温度为505℃时,θ相回溶程度有一定提高,含Fe相在各个工艺流程任意阶段均得到保留,无法回溶。(2)、Process1、Process2两种工艺路线经过双级均匀化处理,均可调控大量球状β’相析出,β’相直径尺寸在40 nm以下。Process1中β’相主要沿T1相呈特征取向的链状分布,在晶界周围出现2~4μm宽的β’相无析出区(Precipitates Free Zone,PFZ)。Process2中β’相呈均匀、弥散分布,PFZ宽度缩窄至约1μm。此外,均匀化慢速升温相比到温放样使β’相析出密度有略微提升,但两种工艺下最终β’相尺寸差异不明显。(3)、β’相形成针状偏聚、均匀弥散两种不同分布状态,其原因为:Process1双级均匀化处理第一阶段,T1相的未完全回溶使得β’相以T1相为异质形核点偏聚性析出。而Process2均匀化处理前为热挤态,T1相遭到破碎并全部回溶,后续均匀化阶段β’相析出仅受固溶Zr元素浓度影响,在基体均匀、弥散析出。(4)、轧板固溶处理后,未均匀化处理的无β’相析出的对比试样出现400~500μm厚的表层粗晶层。对于Process1,由于β’相针状偏聚分布,固溶处理后边部异常长大晶粒层厚度减至约80~100μm;Process2中,β’相均匀分布,试样粗晶层厚度范围50~100μm。表明调控β’相析出可有效降低边部粗晶层厚度。(5)、Process1固溶板材的变形板条晶粒的宽度最窄,获得最大加工硬化效果,最终时效板材抗拉强度较高,达605 MPa,相比未进行均匀化处理样品提升10.7%;Process2工艺固溶板材等轴状再结晶晶粒占比低,变形板条晶粒宽度较宽,加工硬化程度仅由轧制决定。最终Process2时效板材相比未进行均匀化处理对比试样提升4.7%~5.9%。
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