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时效工艺对ZL101A合金性能的影响39
时效工艺对ZL101A合金性能的影响
EffectofAgingProcessonMechanicalPropertiesofZL101AAlloy
洪润洲,周永江,姚惟斌(北京航空材料研究院,北京100095)
HONGRun-zhou,ZHOUYong-jiang,YAOWei-bin
(BeijingInstituteofAeronauticalMaterials,Beijing100095,China)
摘要:采用不同的时效工艺,研究了时效温度和时间对ZL101A合金性能的影响,得出了该合金较理想的时效制度,在此制度下,ZL101A合金的金属型典型性能达到e%,为满足航空、航天等领域对高性能铝合b≥330MPa,W5≥10金精密铸件的需求奠定了材料基础。
关键词:ZL101A合金;时效工艺;力学性能
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中图分类号:TG146.21 文献标识码:A 文章编号:
1001-4381(2004)10-0039-03
:Withdifferentagingprocesses,theeffectsofagingtemperatureandtimeonZL101AAbstract
alloy'smechanicalpropertieshadbeenstudied.Anoptimizedagingprocesswasobtained.Accordingtotheresults,typicalmechanicalpropertiesofthealloyhasbeenimprovedtoeb≥330MPa,W5≥10%,whichcanmeettheaeronauticandastronauticdemandofhighpropertiesofAl-alloyprecisioncastings.
Keywords:ZL101Aalloy;agingprocess;mechanicalproperties 随着现代航空航天工业轻量化、高可靠、高性能、低成本制造技术的发展,过去由若干铸件、锻件、机加件、钣金件等通过焊接、铆接、螺纹连接等组合而成的零部件逐渐被整体、薄壁、复杂的铸件代替,从而对铸造合金的铸造性能和力学性能提出了较高的要求。ZL101A合金由于其良好的铸造性能、较高的致密性而成为制造这些整体、薄壁、复杂铸件比较理想的铸造铝合金,在国内外有广泛的应用,但ZL101A合金的性能较低,HB962-90中ZL101A合金的性能为:eb=270MPa,W5=3%;高强度铸造铝合金标准HB5480-91中,其最高的切取性能为:eb=310MPa,
[1]
W5=3%。HB963-90中合金的强度和延伸率都很低,HB5480-91中的抗拉强度较高,而延伸率很低,难以满足很多铸件较高力学性能的要求,从而限制了ZL101A合金的广泛应用。提高铸件性能的基础是提高材料本身的性能,合理的热处理制度是提高铸造铝合金性能的重要措施之一。本研究通过采用不同的时效制度,研究ZL101A合金性能随时效温度和时效时间的变化,从而确定比较理想的热处理制度。
合金,高纯Al-5%Ti-B中间合金细化晶粒,六氯乙烷精炼。将熔炼好的合金浇注成金属型试棒,试棒的固溶制度为:535℃±5℃,保温12h,固溶后采用不同的温度分别保温9～13h进行时效,测定其室温力学性能。1.2 实验结果
实验合金的化学成分见表1,采用的时效制度及对应的性能见表2。
表1 ZL101A合金的化学成分(质量分数/%)
ChemicalcontentsofZL101AalloyTable1
(massfraction/%)
Si7.0
Mg0.44
Ti0.08
Fe0.04
由表2可以看出,ZL101A合金在155,160℃时,
其强度随时效时间的延长逐渐升高,延伸率逐渐降低;在170℃时,其强度达到最大值,而且强度、延伸率随时间变化很小;在180,190,200℃时效时,合金强度随时间的延长而降低,延伸率的趋势也是降低。因此ZL101A合金理想的时效制度为170℃,保温9～13h。
1 实验方法和结果
1.1 实验方法
采用高纯的Al-12%Si(质量分数,下同)中间合金、高纯铝锭(99.96%),镁锭(99.9%)配制ZL101A2 分析和讨论
2.1 时效温度对合金性能的影响40
ZL101A合金的主要相组成为α相、Si相和β相(Mg2Si)[2],在时效阶段,溶入α相基体中的β相,形成弥散状的GPⅠ,GPⅡ,β′过渡相,这些过渡相的晶格由于和α相基体存在一定的错配度,使α相产生晶格畸变,强化合金。过渡相的数量越多,合金的强度越高而延伸率越低。过渡相的数量在一定的温度范围内随温度的升高和保温时间的延长而增多,超过一定的温度范围和保温时间后,过渡相变成稳定的弥散状β相,由于β相和α相的晶格常数差距较大,两相之间形成明显的界面,β相的强化作用降低,这些脆性β相
[3]
的存在也使合金的塑性降低。
表2 ZL101A合金的不同时效制度及对应的性能Table2 MechanicalpropertiesofZL101Aalloy
atdifferentagingprocesses
Agingtemperature
/℃
Agingtime
/h
10
155
111213910
160
1112139
170
10111213910
180
111213910
190
111213
200
910
Tensilestrength/MPa296302304314309313317.6314312334332335333333331328326323321341311308301297289283
Elongation
/.117.416.816.216.715.914.714.514.212.512.612.712.312.4131212.51212.712.111.210.210.111.19.512
材料工程/2004年10期
图1 ZL101A合金性能随时效温度的变化曲线(保温11h)
Fig.1 MechanicalpropertiesofZL101Aalloyat
differentagingtemperatures(11h)
2.2 时效时间对合金性能的影响 GPⅠ,GPⅡ,β′过渡相都是亚稳相,通过长时间保温后,这些亚稳相都会转变成稳态的β相,从而使强化作用降低。图2,3为ZL101A合金分别在160℃和180℃保温不同时间其性能随时间的变化曲线,在160℃时,随着保温时间的延长,合金强度逐渐升高,在11h达到最大值,超过11h后开始降低,延伸率随保温时间的延长逐渐降低。这是由于ZL101A合金在时效过程中析出的过渡相数量在保温11h达到最大,保温时间再延长,过渡相将转变为稳定的β相,使性能降低。图3中,由于保温的温度比较高,合金在较短时间内即析出大量的过渡相,在保温9h后即具有较高的强度,在高温时,过渡相向稳定相转变的速度也较快,在随后的保温过程中,合金强度逐渐降低。过渡相的析出以及稳定的β相的析出都会使合金塑性降低,因此,在160℃和180℃保温时,合金的延伸率都随保温时间的延长而降低。而时效温度为更高的190℃和200℃时,析出相以稳态的β相为主,过渡相很少,使合金的强度和延伸率都比较低,且随保温时间的延长而下降。
图4为此状态下合金的显微组织,由图4可以看出,在此状态下,α相晶粒细小,Si相和少量的β相
图1为ZL101A合金在155,160,170,180,190℃
分别保温11h,其强度、延伸率随温度的变化曲线。在小于170℃的温度范围内,合金强度随时效温度的升高而升高,在170℃附近时强度达到最大值,约为335MPa,超过170℃后,合金的强度开始随温度的升高而降低,在190℃时,其强度已降至约300MPa。合金的延伸率在155℃时最高,约为17%,在170℃时约为12.5%,而在190℃时,其延伸率降至约10%。图2 ZL101A合金在160℃保温不同时间的性能变化曲线
Fig.2 MechanicalpropertiesofZL101Aalloyofdifferentmaintaintimeatagingtemperature160℃
时效工艺对ZL101A合金性能的影响41
收稿日期:2003-11-27;修订日期:2004-02-10
作者简介:洪润洲(1972-),男,硕士研究生,工程师,现在北京航空材料研究院铝镁合金研究室从事铸造铝合金及铝合金精密铸造工艺的研究和开发工作,联系地址:北京市81信箱2分箱(100095)。
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(上接第38页)
图3 ZL101A合金在180℃保温不同时间的性能变化曲线
Fig.3 MechanicalpropertiesofZL101Aalloyof℃differentmaintaintimeatagingtemperature180
图5 电场引起的α相固液界面出现的凹袋Fig.5 Grooveexistedinthesolid-liquidinterface
ofαphasearousedbytheelectricfield
图4 热处理后ZL101A合金的金相组织(固溶:535℃±5℃,12h;时效:
(solutionprocess:
170℃,11h)
170℃11h)
Fig.4 TheheattreatmentmicrostructureofZL101Aalloy
535℃±5℃12h;agingprocess:
成分过冷,降低了α-Al固-液界面的稳定性,从而造成
α-Al的“分叉”,导致共晶片层间距的细化。
(3)直流电场引起的液态金属离子的定向迁移及液态金属的流动对共晶片层的生长影响较小。
参考文献
都很细小,且分布均匀。由以上分析可知,ZL101A合金比较好的时效制度为170℃,保温9～13h,合金的性能可达到eb≥330MPa,W5≥10%。
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尔滨工业大学,1989.收稿日期:
2004-06-24;修订日期:2004-08-20
●3 结论
(1)ZL101A合金在小于170℃的温度时效时,强度随保温时间的延长逐渐升高,达到最高值后再逐渐降低,而延伸率一直降低;时效温度高于170℃时,合金强度和延伸率都随保温时间的延长而降低。
(2)ZL101A合金比较理想的时效制度为170℃,
b≥保温9～13h。在此制度下,合金的性能可达到e330MPa,W5≥10%。
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参考文献
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1991.作者简介:黄立国(1979-),男,硕士,联系地址:辽宁工程技术大学94信箱(123000)。