铸造zl205合金的显微组织和力学性能

铸造zl205合金的显微组织和力学性能

高强度、高耐腐蚀性和良好的综合力学性，如高强度、高延长、塑料、高高温性能和易于切削性，已被广泛应用于航空产品的高强度、高延展性和耐候性。其中ZL205A合金是一种高纯高强度铸造铝合金,在T6状态下,其强度是目前世界上使用的铸造铝合金中最高的合金之一,具有非常好的塑性、韧性和抗蚀性,易焊接,易加工。在高强韧铸造铝合金领域,我国取得了世界瞩目的成绩。20世纪60年代至70年代,北京航空材料研究院研制成功了ZL205A高强度铸造铝合金*。在此基础上,北京航空材料研究院吕杰等成功研制出一种与ZL205A成分相近、韧性特别好的铸造铝合金材料(高韧205A)。目前,ZL205A已应用于汽车、飞机和航天等零部件,使用效果良好,随着推广工作的展开,其应用领域还将进一步扩大。近些年来,优化合金成分设计、提高纯度、发展新的热处理制度、超细化合金的组织结构、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。因而研究分析铸造铝合金的组织和性能有实际的意义。本课题对砂型铸造的ZL205A合金铸态和热处理态的圆柱形铸锭组织作了观察分析,并研究了温度对合金力学性能的影响。1试验过程与结果试验用合金为砂型铸造的ZL205A合金,用电阻坩埚炉进行熔炼,Cu、Mn、Zr、V、Ti、B等元素均以中间合金的形式加入,Al-Mn、Al-Zr、Al-V与纯Al在室温下同时装炉,705～715℃加入Al-Cu,740～750℃加入Al-Ti-B,加入后搅拌5min,720～730℃精炼除气(精炼剂:TiO2,Cl6C2)。合金化学成分如表1所示。合金的热处理工艺(T6):在540℃进行固溶处理,时间为18h,然后在40～80℃的水中淬火。在170℃时效,时间为3.5h,然后出炉空冷。分别研究铸态和T6态下的组织和性能。组织观察在X650型扫描电子显微镜(SEM)上进行。用电火花线切割制备试样,试样规格为ϕ10mm×5mm,试样用金相砂纸从200#磨到1200#,抛光液为Cr2O3水溶液,腐蚀液为0.5%HF+99.5%H2O。拉伸用片状试样的尺寸见图1所示。试样经500#砂纸磨光,以消除线切割刀痕,然后在美国instron1186型电子万能材料试验机上进行拉伸试验,拉伸速度为1mm/min。试验结果为3个试样的平均值。常温和高温的测试点为23℃、50℃、100℃、150℃、200℃、250℃、300℃。2结果和分析2.1zl205a晶界借助Al-Cu-Mn和Al-Cu-Ti三元相图,我们可知合金的结晶过程为:首先是α(Al)结晶,然后有L→α(Al)+θ(Al2Cu)二元共晶或L→α(Al)+θ(Al2Cu)+T(Al12CuMn2)三元共晶反应,一直到完全凝固为止。由于合金中Cd含量较低,且有一部分溶于α(Al)中,剩余的Cd以圆球形质点的形式与θ和T相一起分布在枝晶间或晶界上。圆柱形铸锭横截面的金相组织观察表明,铸态下ZL205A合金基体相为α(Al)固溶体,枝晶间和晶界上有α(Al)、θ(Al2Cu)相和Cd相的共晶组织(图2)。对晶界处的网状组织(A处)作进一步分析,能谱分析表明(图3b),主要含有Al和Cu元素,以及少量的Mn元素,为白亮色θ(Al2Cu)和黑灰色T(Al12CuMn2)相的混合组织。另外,还有少量的灰色块状ZrAl3相,条状Al3Ti(B)相分布在α(Al)固溶体上(图3a)。由于ZL205A合金中添加了少量的Ti、V、Zr和B等元素,在凝固过程中会形成Al7V、Al3Zr、Al3Ti和TiB2化合物,它们可作为α(Al)的外来结晶核心,有效地细化晶粒。图4为ZL205A合金铸态下晶粒形貌,晶粒比较细小,在枝晶间和晶界上分布着α(Al)、θ相和Cd相的共晶组织。ZL205A合金进行T6固溶处理时,θ相和Cd相溶入,α固溶体中,二次T相呈弥散小质点析出,这将大大提高合金的性能,典型组织见图5。图中基体相为α固溶体,呈黑色点状弥散析出的是二次T相。对图5中A、B两处进行了扫描能谱分析(见图6),分析表明A处为片状Al3Ti的偏析物,B处为未完全溶解残留在晶界上的Al2Cu相,从图5中可以看到残留的Al2Cu相很少,但是Al2Cu相在晶界上的残留将影响材料的力学性能。在ZL205A合金中,Cu元素是基本强化元素,与Al形成θ相起固溶强化和弥散强化作用,在T6状态时,含Cu固溶体分解,析出大量的θ″相和少量片状θ′相,提高合金的力学性能。Mn与Al、Cu反应形成T相,固溶处理时呈弥散质点析出,可提高室温和高温强度。Cd可加速人工时效,促进高温下的沉淀过程,加速θ″相的长大和θ′相的析出。合金中添加少量Ti,和Al生成Al3Ti相。Al3Ti在高温下可直接从液相中析出,是初生相,Al3Ti的弥散质点可作为α相的结晶核心,使α(Al)的晶粒细化。当Ti含量过高时造成偏析,将出现粗大的片状Al3Ti相(图7)。2.2cd对合金强度的影响对于Al-Cu-Mn系合金,合金中Cu是基本强化元素,与Al形成θ相起固溶强化和弥散强化作用。Cu的质量分数为4.5%～5.5%时具有最强的固溶强化和弥散强化作用,合金这时具有最佳的热处理效果。Mn是主要合金化元素之一,其含量对合金力学性能有显著影响。通常,在Al-Cu-Mn系合金中,Mn的质量分数为0.1%～1%,除可能出现的Al2Cu相外,一般还会出现三元化合物Al12CuMn2。Mn的强化作用包括两部分:一部分Mn溶入α固溶体,起固溶强化作用;另一部分Mn在合金中形成Al12CuMn2相,热处理后大部分以二次Al12CuMn2相质点弥散分布于基体中,起弥散强化作用,还有少量Al12CuMn2相呈不连续网状分布于α晶界。Cd元素对合金的铸态力学性能影响不大,但热处理强化作用却非常明显。加入质量分数为0.2%的Cd可使合金的抗拉强度提高15%。铸态和T6热处理状态下温度对ZL205A合金抗拉强度的影响见图8所示。由图8可知,常温下ZL205A合金铸态和热处理态常温的抗拉强度比50℃略高,此后抗拉强度随温度的升高呈下降的趋势。高温拉伸时合金材料发生了塑性变形,韧性变好,因而抗拉强度下降。在相同温度下,热处理态的抗拉强度比铸态的高。常温时,T6处理后合金的抗拉强度达到了467.5MPa。这是因为ZL205A合金进行T6固溶处理时,θ相和Cd相溶入α固溶体中,二次T相呈弥散小质点析出,还有一些残留的θ相,起到固溶强化和弥散强化作用。另外,也与Cd元素的热处理强化作用有关。图9是ZL205A合金(T6)在不同温度下的拉伸断口形貌,合金在不同温度下均为延性断裂,随着温度的升高,拉伸断口的韧窝越来越明显,说明合金的韧性越来越好,因而合金的抗拉强度呈下降趋势。研究表明,ZL205A合金经过T6处理,强度得到了提高,在高温下具有很好的韧性。3增强mt2al重相混合的晶粒(1)铸态ZL205A合金基体相为α(Al)固溶体,枝晶间和晶界上有α(Al)、θ(Al2Cu)相和Cd相的共晶组织。晶界处存在θ相和T(Al12CuMn2)相的混合组织。另外,还有少量的灰色块状ZrAl3相,条状Al3Ti相分布在α(Al)固溶体上。合金中添加的少量Ti、V、Zr和B等