專利名稱：一種高強耐熱耐疲勞損傷鋁合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高熱穩(wěn)定性高強抗疲勞微結(jié)構(gòu)的鋁合金。
技術(shù)背景Al-Cu-Mg系合金由于具有中等強度，良好的韌性和優(yōu)異的疲勞性能，是 航空航天中廣泛應(yīng)用的沉淀硬化型鋁合金。在A1-Cu-Mg系合金中添加微量的 Ag元素，促進了一種新的盤片狀單斜晶系彌散強化相——Q相在鋁基體Ull〉 面上析出，該相具有較高的沉淀硬化能力和較好的熱穩(wěn)定性。以Q相為主要強 化相的A1-Cu-Mg-Ag系列合金，其耐熱性能要比現(xiàn)在使用的2618、 2124等鋁合 金優(yōu)異得多，可以滿足下一代超音速飛機以及超音速巡航導(dǎo)彈的使用溫度環(huán) 境要求，美國、歐洲等國都在加緊研制該合金?，F(xiàn)有A1-Cu-Mg-Ag系列合金的研究主要集中在熱穩(wěn)定性方面。對于航空、 航天用鋁合金，除了熱穩(wěn)定性能之外，合金的抗疲勞斷裂性能也直接影響到 Al-Cu-Mg-Ag系列合金在航空、航天領(lǐng)域的工業(yè)化應(yīng)用。大量研究表明，由于 具有高的層錯能，發(fā)生在純鋁合金多個滑移系中的滑移是不可回復(fù)的；而 Al-Cu-Mg系合金中，自然時效或者人工時效初期形成的溶質(zhì)原子偏聚團能夠 使滑移集中到一個平面上去，因此這一類型的滑移將有利于循環(huán)加載過程中 變形的回復(fù)，從而減少疲勞損壞。各種耐疲勞2x24鋁合金一般都在自然時效 狀態(tài)下使用，有著優(yōu)異的疲勞性能，而以GPB區(qū)強化為主的微觀組織也被認 為是A1-Cu-Mg系合金的主要抗疲勞微組織。由于A1-Cu-Mg-Ag合金為了保證 耐熱性性能，其主要強化相必須控制為Q相，使得其微觀組織并不是最佳的抗 疲勞組織。同時，通過控制沉淀相尺寸和體積分數(shù)，降低位錯在滑移面上運 動的阻力，也有利于提高合金的疲勞性能。對添加稀土合金化的研究表明，在沉淀強化型合金中添加稀土元素能夠 在不改變強化相類型的前提下，細化沉淀相尺寸、強化合金晶界，是一種提 高合金耐熱性、改善合金疲勞性能的有效方法。但是稀土元素的種類與添加 量直接影響到稀土微合金化效果，如何選定稀土元素、確定元素添加量，通過稀土微合金化方法綜合提高鋁合金的耐熱性、耐疲勞損傷性能，卻是該類研究中的一個難點，也是A1-Cu-Mg-Ag合金研制開發(fā)的一個重要方向。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于綜合提高A1-Cu-Mg-Ag鋁合金的耐熱性和耐疲勞損傷 性能，制備出一種高熱穩(wěn)定性高強抗疲勞微結(jié)構(gòu)的鋁合金。為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，發(fā)明人經(jīng)過反復(fù)試驗表明，在A1-Cu-Mg-Ag系合金 中添加質(zhì)量百分數(shù)為0.2-0.5Q/。的Er，能使合金的耐熱抗疲勞損傷性顯著提高。更具體地說，本發(fā)明的高熱穩(wěn)定性高強抗疲勞鋁合金的各組成元素質(zhì)量 百分數(shù)為Cu 4.7-6.5%， Mn 0.2-0.28%， Mg 0.47-0,61%， Ag 0.44-0.6%， Zr 0,1-0.25%， Ti 0.05-0.15%, Er 0.2-0.5%，余量為A1。按上述各成分配比合金元素，在490 525。C下進行固溶處理，水淬，然后 在165 25(TC進行人工時效，合金獲得最佳的耐熱抗疲勞組織。實驗表明，本發(fā)明的Al-Cu-Mg-Ag-Er合金其強度與不添加Er元素的 Al-Cu-Mg-Ag合金強度基本相同，但本發(fā)明成分范圍內(nèi)的Al-Cu-Mg-Ag-Er合金 20(TC 25(TC高溫持久強度高于A1-Cu-Mg-Ag鋁合金，疲勞裂紋擴展速率低于 2524鋁合金疲勞裂紋擴展速率；本成分范圍內(nèi)Al-Cu-Mg-Ag-Er合金能夠承受 最大38 MPa*m1/2大應(yīng)力因子幅的作用。在AKS25 MPa*m1/2時， da/dN^lE-03mm/cycle 。在Al-Cu-Mg-Ag合金中添加Er元素能夠細化Q相，增加Q相之間的間距， 使得合金的強化相保持為Q相，從而具有較好的熱穩(wěn)定性能。而在疲勞過程中， 尺寸較小的Q相在往復(fù)運動的位錯作用下比大尺寸Q相更有利于位錯往復(fù)運 動；較大O相之間的間距使得相鄰粒子周圍產(chǎn)生的位錯環(huán)之間間距增加，減小 了位錯運動的阻力，延長了位錯塞積的時間，裂紋擴展的阻滯效應(yīng)增加；而 Er元素添加強化了合金的晶界，增加了疲勞過程中裂紋擴展的阻力，降低了 裂紋擴展速率。因此，添加Er元素增加了Al-Cu-Mg-Ag合金疲勞裂紋的閉合效 應(yīng)而使得合金的疲勞性能提高。綜上所述，本發(fā)明的元素成分范圍制備的合金能夠得到較小尺寸和較大 間距的Q相強化組織，從而使合金具有優(yōu)異的高的室溫強度、優(yōu)良的耐熱性以 及抗疲勞性能的合金成分。


圖l合金2的裂紋擴展速率曲線圖；圖2合金1 5室溫的力學(xué)性能圖；圖3合金1 5的高溫持久性能圖；圖4合金l、 2、 3以及2524合金的疲勞裂紋擴展速率；圖5合金4、 5以及2524合金的疲勞裂紋擴展速率。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。各實施例中合金成 分均為質(zhì)量百分比。合金的疲勞性能采用2524合金在相同實驗環(huán)境下，C(T) 試樣的疲勞裂紋擴展速率作為比較。參比2524合金在AK^25 MP^m^時， da/dNS2.6E-03mm/cycle,當(dāng)AK〉25 MPa+m"2時，合金發(fā)生疲勞斷裂。參比 例的疲勞裂紋擴展速率性能參見圖3 。實施例h合金l成分為4.7%Cu,0.47%Mg,0.45%Ag，0.21%Er，0.28°/。Mn,0.22%Zr, 0.P/。Ti，余量為Al。在495'C下進行固溶處理，水淬，然后在165。C進行人工時 效，合金l板材在室溫下的力學(xué)性能抗拉強為441MPa，屈服強度為415MPa， 延伸率為14°/。(參見圖2); 20(TC/100小時的持久強度為220MPa; 250°C/100 小時的持久強度為120MPa (參見圖3);在A7^25MPafm^時， ^/dTV^1.87E-03mm/cycle，裂紋擴展速率(參見圖1和圖4)低于2524合金。實施例2:合金2成分為6.21%Cu,0.61%Mg,0.44%Ag,0.23%Er,0.28%Mn, 0.15%Zr, 0.09。/。Ti,余量為Al。板材經(jīng)過在515-C下進行固溶處理，水淬，然后在175。C進 行人工時效，合金2在室溫下的力學(xué)性能抗拉強為502MPa，屈服強度為 490MPa，延伸率為13% (參見圖2); 200'C/100小時的持久強度為240MPa; 250。C/100小時的持久強度為140MPa (參見圖3);在A7^251VD^mW時， ^/c A^lE-03mm/cycle，而且Aii^38MPa承m"2時，i/a/d7V^3.65E-03mm/cycle， 裂紋擴展速率低于2524合金(參見圖4)，同時具有較好的大應(yīng)力因子幅疲勞 斷裂抗力。實施例3:合金3成分為6.36%Cu,0.6%Mg,0.46%Ag,0,43o/oEr,0.28%Mn, 0.12%Zr, 0.05。/。Ti,余量為Al。在49(TC下進行固溶處理，水淬，然后在200。C進行人工時效，合金3在室溫下的力學(xué)性能抗拉強為472MPa，屈服強度為439MPa，延 伸率為15% (參見圖2); 20(TC/100小時的持久強度為230MPa; 250'C/100小時 的持久強度為135MPa (參見圖3 ); 在A7^25MPa*m1/2時， ^^A^1.87E-03mm/cycle,裂紋擴展速率優(yōu)于2524合金(參見圖4)。 實施例4:合金4成分為4.6o/oCu,0.58%Mg,0.55%Ag,0.42%Er,0.32%Mn， 0.15%Zr, 0.ln/。Ti，余量為Al。在505'C下進行固溶處理，水淬，然后在245。C進行人工時 效，合金4在室溫下的力學(xué)性能抗拉強為417MPa，屈服強度為384MPa，延 伸率為18.5% (參見圖2); 200。C/100小時的持久強度為230MPa; 250。C/100小 時的持久強度為130MPa (參見圖3 ); 在Ai^25MPa*m1/2時， ^/dT^1.32E-03mm/cycle，裂紋擴展速率低于2524合金(參見圖5)。實施例5 :合金5成分為4.56%Cu,0.37%Mg,0.45%Ag，0.54%Er,0.3%Mn， 0.15%Zr, 0.05。/。Ti,余量為Al。在525'C下進行固溶處理，水淬，然后在165。C進行人工時 效，合金5在室溫下的力學(xué)性能抗拉強為432MPa，屈服強度為396MPa，延 伸率為14.8% (參見圖2); 20(TC/100小時的持久強度為220MPa; 250。C/100小 時的持久強度為140MPa (參見圖3 );在A/^25MPa9^1。時， ^3AiA^1.17E畫03mm/cycle，當(dāng)Ai^31MPa承m"2時，^"AiA^4.27E-03mm/cycle， 裂紋擴展速率低于2524合金(參見圖5)，同時具有較好的大應(yīng)力因子幅疲勞 斷裂抗力。
權(quán)利要求
1.一種高強耐熱耐疲勞損傷鋁合金，其特征在于在Al-Cu-Mg-Ag系合金中添加質(zhì)量百分數(shù)為0.2-0.5％的Er。
2. 如權(quán)利要求l所述的鋁合金，其特征在于所述鋁合金的各組成元素質(zhì)量 百分數(shù)為Cu4.7-6.5%， Mn 0.2-0.28%， Mg 0.47-0.61%， Ag 0.44-0.6%， Zr 0.1-0.25%， Ti 0.05-0.15%， Er 0.2-0.5%，余量為A1。
3. —種制備權(quán)利要求1或2所述鋁合金的方法，其特征在于按所述各成分 配比合金元素，在490 525'C下進行固溶處理，水淬，然后在165 25(TC 進行人工時效。
全文摘要
一種高強耐熱耐疲勞損傷鋁合金，各組成元素質(zhì)量百分數(shù)為Cu4.7-6.5％，Mn 0.2-0.28％，Mg 0.47-0.61％，Ag 0.44-0.6％，Zr 0.1-0.25％，Ti0.05-0.15％，Er 0.2-0.5％，余量為Al。本發(fā)明在Al-Cu-Mg-Ag合金中添加Er元素，增加了Al-Cu-Mg-Ag合金疲勞裂紋的閉合效應(yīng)，從而使得合金的疲勞性能提高。本發(fā)明的成分范圍內(nèi)的Al-Cu-Mg-Ag-Er合金與不添加Er元素的Al-Cu-Mg-Ag合金強度基本相同，但其200℃～250℃高溫持久強度高于Al-Cu-Mg-Ag鋁合金，疲勞裂紋擴展速率低于2524鋁合金疲勞裂紋擴展速率；且能夠承受最大38MPa*m^1/2大應(yīng)力因子幅的作用，在△K≤25MPa*m^1/2時，da/dN≤1E-03mm/cycle。
文檔編號C22C21/12GK101240390SQ200810030780
公開日2008年8月13日 申請日期2008年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月11日
發(fā)明者劉延斌, 劉志義, 杰 周, 李云濤, 馬飛躍 申請人:中南大學(xué)