[发明专利]一种高强耐热耐疲劳损伤铝合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高热稳定性高强抗疲劳微结构的铝合金。

背景技术

Al-Cu-Mg系合金由于具有中等强度，良好的韧性和优异的疲劳性能，是航空航天中广泛应用的沉淀硬化型铝合金。在Al-Cu-Mg系合金中添加微量的Ag元素，促进了一种新的盘片状单斜晶系弥散强化相——Ω相在铝基体{111}面上析出，该相具有较高的沉淀硬化能力和较好的热稳定性。以Ω相为主要强化相的Al-Cu-Mg-Ag系列合金，其耐热性能要比现在使用的2618、2124等铝合金优异得多，可以满足下一代超音速飞机以及超音速巡航导弹的使用温度环境要求，美国、欧洲等国都在加紧研制该合金。

现有Al-Cu-Mg-Ag系列合金的研究主要集中在热稳定性方面。对于航空、航天用铝合金，除了热稳定性能之外，合金的抗疲劳断裂性能也直接影响到Al-Cu-Mg-Ag系列合金在航空、航天领域的工业化应用。大量研究表明，由于具有高的层错能，发生在纯铝合金多个滑移系中的滑移是不可回复的；而Al-Cu-Mg系合金中，自然时效或者人工时效初期形成的溶质原子偏聚团能够使滑移集中到一个平面上去，因此这一类型的滑移将有利于循环加载过程中变形的回复，从而减少疲劳损坏。各种耐疲劳2×24铝合金一般都在自然时效状态下使用，有着优异的疲劳性能，而以GPB区强化为主的微观组织也被认为是Al-Cu-Mg系合金的主要抗疲劳微组织。由于Al-Cu-Mg-Ag合金为了保证耐热性性能，其主要强化相必须控制为Ω相，使得其微观组织并不是最佳的抗疲劳组织。同时，通过控制沉淀相尺寸和体积分数，降低位错在滑移面上运动的阻力，也有利于提高合金的疲劳性能。

对添加稀土合金化的研究表明，在沉淀强化型合金中添加稀土元素能够在不改变强化相类型的前提下，细化沉淀相尺寸、强化合金晶界，是一种提高合金耐热性、改善合金疲劳性能的有效方法。但是稀土元素的种类与添加量直接影响到稀土微合金化效果，如何选定稀土元素、确定元素添加量，通过稀土微合金化方法综合提高铝合金的耐热性、耐疲劳损伤性能，却是该类研究中的一个难点，也是Al-Cu-Mg-Ag合金研制开发的一个重要方向。

发明内容

本发明的目的在于综合提高Al-Cu-Mg-Ag铝合金的耐热性和耐疲劳损伤性能，制备出一种高热稳定性高强抗疲劳微结构的铝合金。

为实现上述发明目的，发明人经过反复试验表明，在Al-Cu-Mg-Ag系合金中添加质量百分数为0.2-0.5％的Er，能使合金的耐热抗疲劳损伤性显著提高。

更具体地说，本发明的高热稳定性高强抗疲劳铝合金的各组成元素质量百分数为：Cu4.7-6.5％，Mn0.2-0.28％，Mg0.47-0.61％，Ag0.44-0.6％，Zr0.1-0.25％，Ti0.05-0.15％，Er0.2-0.5％，余量为Al。

按上述各成分配比合金元素，在490～525℃下进行固溶处理，水淬，然后在165～250℃进行人工时效，合金获得最佳的耐热抗疲劳组织。

实验表明，本发明的Al-Cu-Mg-Ag-Er合金其强度与不添加Er元素的Al-Cu-Mg-Ag合金强度基本相同，但本发明成分范围内的Al-Cu-Mg-Ag-Er合金200℃～250℃高温持久强度高于Al-Cu-Mg-Ag铝合金，疲劳裂纹扩展速率低于2524铝合金疲劳裂纹扩展速率；本成分范围内Al-Cu-Mg-Ag-Er合金能够承受最大38MPa*m^1/2大应力因子幅的作用。在ΔK≤25MPa*m^1/2时，da/dN≤1E-03mm/cycle。

在Al-Cu-Mg-Ag合金中添加Er元素能够细化Ω相，增加Ω相之间的间距，使得合金的强化相保持为Ω相，从而具有较好的热稳定性能。而在疲劳过程中，尺寸较小的Ω相在往复运动的位错作用下比大尺寸Ω相更有利于位错往复运动；较大Ω相之间的间距使得相邻粒子周围产生的位错环之间间距增加，减小了位错运动的阻力，延长了位错塞积的时间，裂纹扩展的阻滞效应增加；而Er元素添加强化了合金的晶界，增加了疲劳过程中裂纹扩展的阻力，降低了裂纹扩展速率。因此，添加Er元素增加了Al-Cu-Mg-Ag合金疲劳裂纹的闭合效应而使得合金的疲劳性能提高。

综上所述，本发明的元素成分范围制备的合金能够得到较小尺寸和较大间距的Ω相强化组织，从而使合金具有优异的高的室温强度、优良的耐热性以及抗疲劳性能的合金成分。

附图说明

图1合金2的裂纹扩展速率曲线图；

图2合金1～5室温的力学性能图；

图3合金1～5的高温持久性能图；