2022和2139合金组织性能及热处理研究

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20世纪90年代初,欧美国家开始研制新一代超音速民航客机,其设计航速达到了Mach2.4,在机身与空气的摩擦作用下,此时机身蒙皮温度将达到160-190℃,局部温度可达200℃以上,而这已超过传统铸造冶金铝合金的使用温度范围。为了满足这一要求,Alcan公司于2004年研究开发了新型高Cu/Mg比铝合金2022和2139,者在成分上的差别主要是前者不含Ag,而后者含有少量Ag。研究表明,2022具有高强、耐损伤、可时效成型等特点;而2139合金除了具有高强、可焊等优点外,而且在200℃热暴露后表现出高的断裂韧性和抗蠕变性能且强度损失较小,有望取代2618、2519等传统耐热铝合金,成为新一代超音速民用客机理想的蒙皮结构材料。目前,国内尚未开展有关2022和2139合金的研究。鉴于此,本研究以自制的2022和2139合金为研究对象,通过硬度测试、力学性能测试、透射电镜(TEM),扫描电镜(SEM)等方法研究了时效制度和Ag对合金常规力学性能、热稳定性及其微观组织结构的影响,并通过晶间腐蚀及电化学测试探讨了两种合金的腐蚀行为,且较系统地分析了时效制度和Ag对合金的作用机理。主要结论如下:(1)添加Ag元素使高Cu/Mg比Al-Cu-Mg合金主要析出相由0’相转变为Ω相,使含Ag的2139合金的时效硬化效果大于2022合金,显著提高了时效硬化速率和强化效果。(2)与T6态相比,预变形显著加快了2022合金的时效硬化响应,缩短峰值时效时间,峰值强度显著提高;但是降低了2139合金的峰值强度。透射电镜观察结果表明,2022-T8合金析出了大量Ω相,而θ’相较2022-T6合金细小且数量有所减少;2139-T8合金中的Ω相较2139-T6合金明显减少。(3)2022合金在175℃下进行应力时效析出的θ"相尺寸极为细小。应力时效推后了θ’相的析出,使得合金的在时效初期的主要析出相为θ”相,因此合金硬化速率较慢,且硬化峰值平台延长。在时效初期形核阶段就可观察到θ”相具有轻微的位向效应,且这种位向效应随着所加应力越大而越明显。(4)2139合金的良好耐热性源于Ω相具有优异的热稳定性。合金经过6%预变形后,主要析出相Ω相的密度降低,尺寸减小,故使得2139-T8合金热暴露后的强度都略低于T6态,因此2139合金T6态耐热性要优于T8态。(5)2022和2139合金在175℃时效后,两种合金在欠时效和峰时效都产生晶间腐蚀,且峰时效的晶间腐蚀敏感性最高,过时效由于强化相长大消耗了基体中所有的Cu,产生大面积腐蚀坑。Ω相与A1基体之间存在稳定的Mg-Ag原子层, Mg-Ag原子层的存在使Ω相作为腐蚀阴极的电位负移,阻碍了腐蚀反应的进行,使得在峰时效状态下,2139合金抗腐蚀性能优于2022合金,因此在高Cu/Mg的2XXX系铝合金中添加Ag可显著提高合金的晶间腐蚀抗性。
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