铸造WE43-Zn镁合金微观组织与力学性能研究

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WE43合金具有良好的室温和高温力学性能,在航空航天领域应用广泛,是较为成功的商用耐热镁合金之一。然而,在某新型直升机WE43合金机匣的研制过程中发现,砂型铸造慢冷速条件下铸件的强度和塑性偏低,远远不能满足该航空构件的使用要求,已成为该机匣铸件研制中的瓶颈问题。因此,如何提高砂型铸造WE43合金的力学性能是该机匣研制成功的关键。Zn元素合金化是调控镁合金组织与性能的一种有效手段,已有较多研究表明Zn元素微合金化能在很多Mg-RE合金中起到强韧化效果,但关于Zn的合金化对WE43合金的影响还缺乏报导。因此,有必要研究Zn元素的添加对铸造WE43合金微观组织、力学性能以及相应热处理工艺的影响,为其实际应用奠定基础。本文以WE43合金为基础,分别通过金属型铸造和砂型铸造制备了不同含Zn量的WE43-Zn合金,系统地研究了在不同凝固条件下,Zn元素对WE43合金组织与性能的影响规律,并优化出Zn的最佳含量。基于优化的WE43-Zn合金,采用砂型低压铸造方法研制了某型号直升机机匣铸件。并深入地研究了热处理对该铸件组织与性能的影响,优化其热处理工艺,为该合金的实际应用提供参考。研究结果表明,铸态下,添加Zn会形成晶内LPSO结构,随着Zn含量的提升,LPSO结构和共晶相的含量不断增大。砂型铸造较慢的凝固冷却速率有利于形成晶内LPSO结构。固溶处理后,含00.5wt.%Zn合金的第二相固溶比较完全,而含1.0wt.%Zn合金有部分共晶相残留,残留共晶相阻碍了晶粒长大,其平均晶粒尺寸比含00.5wt.%Zn合金小1520μm。由于Zn元素的固溶强化作用,T4态合金的强度随Zn含量的提高而提高。时效后,WE43-0.5Zn合金具有较强的固溶强化效果和充分的时效硬化效果,屈服强度和抗拉强度最高。WE43-1.0Zn合金由于共晶相固溶不充分,析出强化效果偏低,但对塑性的损害减弱,其抗拉强度低于WE43-0.5Zn合金,但延伸率高于00.5wt.%Zn含量合金。少量Zn的添加会起到固溶强化效果,但过量Zn的添加会降低高温下RE元素的固溶极限,降低析出相的密度,起到弱化效果。综合而言,WE43-0.5Zn合金具有良好的强度和塑性配比,为最优的合金成分。基于优化的WE43-0.5Zn合金研制了机匣铸件,对其热处理工艺进行了研究。研究结果表明,WE43-0.5Zn合金的峰时效强度随时效温度的上升而降低,但塑性不断升高。200℃和225℃峰时效的析出相主要为细小密集的β’相和β’’相,强化效果高,抗拉强度可达320MPa以上。250℃×10h过时效的析出相主要为相对稀疏的β1相和β’相,强化效果较低,但该状态的塑性较高。综合考虑强度和塑性,该WE43-0.5Zn合金机匣铸件优化的热处理工艺为:固溶处理525℃×6h,热水(约90℃)淬火;时效处理250℃×10h。此工艺下的室温拉伸性能为:YS=198MPa,UTS=277MPa,EL=7.5%,满足了该机匣铸件的使用需求。
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