贾东鹏开题正式报告

1、哈尔滨理工大学学士学位论文开题报告学院材料科学与工程学院学科、专业金属材料导师 石德全本科生贾东鹏入学时间 20069开题报告日期20104论 文题目热处理参数对2219合金组织和性能影响的研究课题研究的目的和意义Al-Cu-Mn系（简称2000系）铝合金是析出强化型合金，由于它具有高的 比强度和硬度、密度小、热加工性能好、焊接性能优良等优点，使之广泛 应用于航空航天、交通运输和其它工业部门，并成为这些领域的重要结构 材料之一 1。尤其在航空工业中，无论是军用飞机还是民用飞机，超高强 铝合金都占据十分重要的地位，其中民用飞机上铝合金占结构材料重量百 分比达到70%80%。随着航空工业的发展，新

2、一代飞机对材料提出了更高 的要求，希望具有较高强度的同时具有较好的韧度和耐腐蚀性等，为了满 足这些要求，世界上许多国家都竞相研究开发新型高强高韧铝合金。超高 强铝合金采用铸造、粉末冶金、电磁搅拌和喷射成形等技术制胚，采用轧 制、挤压、锻造等技术进行加工，采用固溶时效方式对合金进行强韧化处 理，由于合金的化学成分、熔炼和凝固方式、加工工艺及热处理制度不同， 合金的性能差异很大。因此，通过优化合金成分设计、提高纯度、发展新 的热处理制度、析出强化型合金的组织结构、精确调控合金中强化相的最 佳三维分布，成为发展高性能铝合金的重要方向。国内外2219合金技术的研究现状2000系高强铝合金的发展可以追溯

3、到20世纪20年代，德国科学家 Sander发现Al-Cu-Mn合金经淬火、时效后具有很高的强度。以此为基础， 发展出了后来的2000系铝合金。1932年，韦伯提出了一种含6%Cu，0.2%Mn 的合金，这是第一种以Al-Cu-Mn为基的析出强化型铝合金，经过淬火时 效后，合金抗拉强度可达588MPa，屈服强度可达549MPa，延伸率为6%， 尽管在加入Cu的同时添加了少量Mn，改善了其抗应力腐蚀性能，但由于 合金仍具有较高的应力腐蚀敏感性而未得到实际应用。为了进一步提高合 金性能，70年代后期，西方发达国家着手进行了两方面的研究工作。一方 面投入大量人力物力研究新的热处理工艺。80年代末，美

4、国Alcoa公司开 发出处理工艺，并应用于IM/2219合金，使之获得T3态强度和T2态抗腐 蚀性能。2219合金板材和挤压材目前已大量用于制造飞机框架、舱壁等结 构件。另一方面的工作是开发快速凝固/粉末冶金（RS/PM ）制造工艺，发展 RS/PM铝合金。80年代，美国Alcoa公司采用传统RS/PM制备方法， 研制出了 PM/2090、PM/2091等合金，其强度相当于IM/2075-T3，耐腐蚀 性相当于IM/2025-T2。90年代，以喷射成形技术为代表的新一代RS/PM 工艺走向大规模实用化，使规模生产实用朝高强铝合金材料变为现实。美国陆军战车应用2219铝合金，狱、晾的2519-T

5、:侧拉伸强度和抗弹性 能与7039-T64相当）的推广应用却首次提供了一种可作为轻型战车结构件 替代材料的高强度、抗扰SCC的铝合金。这种新近研制的适合于轻型战车 的合金是由A1。以（美国铝公司）与“毗（福特汽车公司）联合研制并由Alcoa 公司生产的。2219-TS协合金（M孔-A训118）也是一种抗SCC的铝合余， 但悬这种合余装甲板的拉伸性能未必能保特其抗弹性能能赶上7039-T64。新一代运载火箭贮箱材料用2219铝合金，研制其配用焊丝成为新一代运 载火箭贮箱焊接的关键技术之一。研制的焊丝应适用于2219铝合金常、低 温贮箱焊接,低温贮箱包括液氢贮箱和液氧贮箱（工作温度分别为-253、

6、 -183C）。2219铝合金配用焊丝已有国产720焊丝和进口 2319焊丝14。 720焊丝和仿制国外的2319焊丝（称为F2319）均不能满足新一代运载火箭 贮箱焊接使用要求,主要表现为接头伸长率较低。进口 2319焊丝若用于航 天产品则易受制于人，焊丝国产化具有重要意义。焊丝研制分为焊丝初步设 计阶段和焊丝改进设计阶段，评价结果表明，新研制的焊丝所焊接头性能优 异，满足新一代运载火箭贮箱焊接使用要求32219铝合金同当时在美国航天工业中主要被作为大型贮箱材料使用的 Al 一 Cu 一 Mg系的2014合金相比，在低温和高温力学性能、断裂韧性、 焊接性能以及抗应力腐蚀性能等方面具有明显的优

7、势，尤其是焊接性能良 好这一优势，更令运载贮箱设计者倍感兴趣。因为应用2014合金作为贮箱 材料，在焊接上遇到了极大的困难，焊接裂纹问题始终没有得到根本性的解决2219合金问世后，在美国，1962年至1967年间研制土星V火箭时，被 用于一子级的直径10.6m的贮箱上，取代2014作为箱体材料。在贮箱研 制生产过程中，2219合金所表现出的优良的加工工艺性能，特别是良好的 焊接性能，包括可补焊性和重复焊接性，以及较高的焊缝断裂韧性，使得 用2219合金焊接的贮箱可靠性大为提高，为航天界所公认，而后陆续为许 多新型号所采用。在上世纪70年代，美国研制航天飞机的外贮箱，这是一 个直径8.35m，长

8、达47m的大型复杂焊接构件，也采用了 2219合金。随 着该合金的工艺日趋成熟、性能日益稳定，从上世纪70年代开始2219作 为优良的贮箱结构材料全面取代了 2014合金，延续至今仍在广泛应用。前苏联从上世纪70年代中期开始研制重型通用运载火箭“能源号”时， 开发并应用了许多新型合金材料，直径sm的大型液氢液氧贮箱所采用的 1201铝合金即是其中之一。该合金的化学成分与性能同美国的2219合金 相同或相近（见表1），也属于Al 一 Cu 一 Mn系可热处理强化、耐热、司- 焊铝合金。据悉，在前苏联，1201合金近20年来也已取代A1 一 Mg系合 金，成为运载火箭贮箱的主要箱体材料。我国的ZB

9、16铝合金（研制时代号为5147）是从60年代开始，参照美国 2219合金的成分配比和冶炼工艺研制的A1 一 Cu 一 Mn系高强可焊铝合金，具有与2219合金相近的综合性能，故本文把2219、1201和ZB16统称为 2219类铝合金经过几十年的发展，ZBI6合金在我国已进人工业化生产和 工程应用阶段。可以相信，ZB16合金在我国新一代运载火箭的大型贮箱 的研制生产中也将得到应用43.研究方案及进度安排，预期达到的目标3.1 2219铝合金的热处理工艺材料的热处理工艺是由于材料在应用时有局限性，不能满足实际需要而 不断探索发展起来的。超高强铝合金热处理的目的是通过工艺参数的合理 选择，达到M

10、Pt、GBP、PFZ三个组织参数间的最佳配合，使合金得到良 好的综合性能。超高强铝合金热处理主要包括均匀化、固溶淬火、时效等 工艺，其中时效工艺又包括单级时效、双级时效和回归再时效等。3.1.1固溶处理超高强铝合金主要通过时效析出而强化，过饱和程度的提高将提高时效 析出相的数量，增加强化效果。研究表明Al-Zn-Mg-Cu合金高温固溶中， 通常是富Mg/Zn相的非平衡共晶相熔点低，固溶速度快先行溶入基体，富 Cu的非平衡相熔点高，固溶较慢随后溶解，而不含Cu的T相 (AlB2BZnB3BMgB3B)成分和含量具有较宽的变化范围最后溶入基体。铝 合金的固溶必须避免出现过渡液相使晶界弱化所致的过烧

11、现象，多相共晶 是导致固溶过程中过渡液相形成从而限制固溶温度的原因。针对2219合金 进行了强化固溶工艺的研究，指出逐步升温处理可使极限固溶温度高于多 相共晶温度，避免过烧组织的形成，有效强化了残余结晶相的固溶，显著 提高合金的力学性能。强化固溶与一般固溶相比，在不提高合金元素总含 量的前提下提高了固溶的过饱和度，同时减少了粗大未溶结晶相，对于提 高时效析出程度和改善抗断裂性能具有积极意义，是提高超高强铝合金综 合性能的一个有效途径。3.1.2单级时效单级时效是一级时效，完全时效后，晶内析出细小的共格或半共格弥散 相，晶界分布着较粗大的连续链状质点，这种晶界组织对应力腐蚀和剥落 腐蚀十分敏感。

12、完全时效后合金强度可达峰值(T6态)，但抗应力腐蚀性能 较差。3.1.3双级时效这是一种这可提高抗应力腐蚀性能的热处理工艺。双级时效的第一级时 效为低温时效，相当于成核阶段，形成大量的GP区。第二级是高温时效， 那些能在高温时效温度下稳定存在的GP区优先成核转化为相，在晶 内主要形成均匀分布的盘状相，随时效时间的延长，晶内n 相粗化，质 点间距增大，强化相体积分数减小，晶界n 相稳定并长大。亚晶界上pfz 明显增宽，晶界析出物呈连续链状分布或断续离散分布。经双级时效处理， 合金中的主要强化相是较细的n 相。这些热处理工艺属于过时效处理， 在明显改善抗应力腐蚀性能的同时，强度损失了 10%15%

13、。3.2具体研究方案3.2.1 2219合金成分与力学性能2219合金的主要强化元素为铜，它使合金产生时效强化，其含量约比2014 合金高出50%以上。锰可以大大提高合金的耐热性，同时还可以显著降低 合金的焊接裂纹倾向性。错对2219铝合金耐热性的影响也很大，既可以提 高合金的热稳定性，又可以细化铸态晶粒，改善合金的焊接性能，提高焊 缝金属的塑性。钦亦能细化铸态晶粒，提高合金的热稳定性。具体数据见 表1表1 2219合金成分与力学性能牌号化学成分力学性能CuMnTiZrVAl合金状态及厚度/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熔炼3.2.2.1做好熔炼前的准备工作严格控制炉料质量，必须做到：严格控制炉 料中新旧炉料的比例，回炉料所占炉料的质量分数应W 70%。保证炉料干净，炉料需经吹砂处理后使用。 三等回炉料(如浇冒口等)使用前应经重熔精炼处理。 炉料应充分预热，去除水分、油污等杂质。由于铝 合金有铝硅类、铝铜类、铝镁类等合金，合金牌号较 多，使用的元素也较多，且互相影响，因此要求严格管 理，不可混料。配料、称量要准确5。（2）熔炼使用的坩埚及熔炼工具需清理干净且涂上涂料，以保证使用时与铝合金有效隔离，减少合金液受 到杂质污染。另外，坩埚

15、需充分预热，应烘烤至暗红色 再加入炉料熔炼，以防将水蒸气带入合金中，使针孔度 增加。（3）严格按要求做好覆盖剂、精炼剂及变质剂的准备工作。3.2.2.2熔炼过程（1）熔炼温度控制在670 一 760范围内，过高温度会发生氧化或吸气，过低温度不 易分离炉渣。（2）熔炼设备铝合金熔化可采用反射炉，但氧化、吸气严重，烧损大、温度难控制， 浪费能源，污染环境，采用感应电炉，铝水在炉内的翻腾有利于成分均匀 化，但感应炉磁场对测温仪有干扰。连续高效燃气炉比较合适，可实现炉 料预热、连续熔化、成分均匀、温控精确、节约能源、坏境干净，适合大 规模的生产要求7。（3）保温时间熔炼过程保持液面平稳，合理控制出料温

16、度、时间、减少保温时间。保温时间一般在10-15分钟（4）精炼铝合金精炼的主要目的是清除熔液内的气体和非金属夹杂物，均匀合 金成分。精炼是熔炼中极为重要的一个工艺过程，应正确选用精炼剂，控 制好加入量（一般加入合金质量的0.5%-0.7%），把握好精炼温度，精炼 温度一般控制在700-720P.。在精炼的过程中，用钟罩将精炼剂分批压入 熔液面下约2/3处（不要压入坩埚底部），均匀缓慢做顺时针转动，速度要缓，动作要平稳，以避免金属液大幅度搅动，防止增加氢含量和卷入夹3.2.3浇铸试样浇铸方式如图1砂型剖面图所示，溶液从浇口进入，1,2,3,4为试样。3.2.4固溶处理表3-1温度（C）时间(mi

17、n)5155102040525612214153581321423.2.5时效处理表3-2温度（C）时间（h）1651620242917017212630180182328333.2.6正交实验利用正交实验处理固溶处理数据和时效处理数据如下表固溶温度固溶时间时效温度时效时间1527 C18min170 C20h2530 C20min173 C22h3.2.7准备拉伸标准试样，金相组织观察3.3进度安排2010.3.7-4.7查找资料，写开题报告。2010.4.7-4.20做相关实验2010.4.21-5.15数据分析2010.5.16-5.31进一步实验分析2010.6.1-6.204.参考文

18、献攥写论文。1陈昌麟，超高强度铝合金的发展，中国有色金属学报,2002(3):22272王洪斌，黄进峰，杨滨等.Al-Zn-Mg-Cu系超高强度铝合金的研究现状与 发展趋势.材料导报.2003,17(9):143戴晓元，夏长清.热处理对Al-9.0Zn-2.5Mg-1.2Cu-0.12Sc-0.15Zr合金组织 与性能的影响.热加工工艺.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