中强可焊铝镁钪合金制备及其相关基础研究

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在工业化生产条件下,采用半连续铸造、热轧、冷轧和稳定化处理技术制备了厚度为2.0mm、宽度为1200mm的铝镁钪合金板材。采用热加工模拟、热塑性、硬度和电导率测试方法,室温拉伸、金相和电子显微分析方法研究了铝镁钪合金在不同均匀化处理、不同热加工工艺和稳定化处理工艺条件下的力学性能、腐蚀性能和显微组织结构及其变化。在此基础上,还研制成功了铝镁钪合金板材配用焊丝和研究了合金成品板材的焊接性能。论文研究获得以下主要结论:(1)铝镁钪合金的成分范围为Al-(5.5~6.5)Mg-(0.15~0.40)Mn-(0.2-0.4)Sc-(0.1~0.15)Zr-0.02Ti-0.0025Be,成分优化结果表明,Mg应当控制在中上限,取6.0%~6.2%,Mn应当控制在中限,取0.3%,Sc和Zr含量应当分别控制在0.25%和0.12%。(2)Mn以Al-10%Mn中间合金的形式随铝锭一道加入,装在铝锭的上层;Sc以Al-2%Sc中间合金、Zr以Al-4%Zr中间合金的形式在铝锭熔化后熔体温度达到800℃以上时加入;Ti以块状Al-4%Ti和线状Al-5%Ti-1%B中间合金两种形式加入,其中块状Al-4%Ti中间合金在炉前取样分析前加入,线状Al-5%Ti-1%B中间合金则是在半连续铸造时通过专用送线机构加入到静止炉与铸造机之间的流槽熔体中。(3)铝镁钪合金最佳精炼工艺由炉内熔体精炼净化和炉外在线精炼净化组成。炉外在线精炼净化需要在精炼净化装置中始终通入惰性气体,且保证气泡均匀细小。(4)设计并改进了结晶器二次冷却水出水孔的角度,将原来的45°改为30°,可避免大规格铸锭冷隔和裂纹的产生。铝镁钪合金最佳的熔铸工艺参数如下:(5)半连续激冷铸造条件下生产的铝镁钪合金铸锭在均匀化过程中有类似于传统铝合金固溶后时效过程中的析出特性,即半连续急冷铸造过程中形成的过饱和固溶体会分解析出纳米级的Al3(Sc,Zr)相。(6)铝镁钪合金铸锭均匀化的目的除了消除铸锭的宏观应力从而降低铸锭热轧过程中的变形抗力外,主要是调控过饱和固溶体分解析出Al3(Sc,Zr)的特性,使其均匀弥散分布在铝基固溶体基体上。(7)综合考虑析出粒子的特性和适当降低铸锭热轧过程中的变形抗力以及热轧后板材的最终拉伸力学性能,铝镁钪合金铸锭均匀化的最佳工艺为300~350℃/8h。(8)铝镁钪合金高温压缩变形时,应变速率的对数lnε和流变应力、lnσ、ln[sinh(ασ)]之间,ln[sinh(ασ)]和温度T的倒数1/T之间满足线性关系,说明该合金变形过程是一种类似于高温蠕变的热激活过程。据此求得该合金的高温变形材料常数为:铝镁钪合金热压缩变形的流变应力方程为:(9)随热塑性试验温度升高,铝镁钪合金高温瞬时强度降低,塑性升高,350℃-400℃铸锭合金变形抗力适中,热塑性较好,合宜的热轧温度为400℃-420℃。大生产条件下,应严格控制道次和道次变形量,开始轧制时道次压下量和轧制速度不宜过大,轧制变形量超过25%后,应逐渐加大道次压下量和提高轧制速度,使变形深透到整个轧件厚度。(10)铝镁钪合金的再结晶温度比较高,合金可以在较高温度下进行稳定化退火处理。冷轧板材在200℃以下稳定化退火,腐蚀速率、剥落腐蚀反而增加和变差,200℃/1h稳定化退火后腐蚀速率最大、剥落腐蚀最严重;300℃/1h以上稳定化退火,腐蚀速率变小,剥落腐蚀性能由EB级逐步向N级和P级转化。综合考虑合金的力学性能和抗腐蚀性能,铝镁钪合金冷轧板材最佳稳定化退火处理工艺为300℃/1h。(11)设计和制备了铝镁钪合金板材配用焊丝,这种焊丝与基材有很好的焊接相容性,焊接接头强度系数为85%,微量Sc、Zr对焊接接头的强化作用主要来源于两个方面,一是微量Sc、Zr对焊缝凝固组织的晶粒细化强化和含Sc、Zr化合物的析出强化,二是Al3(Sc、Zr)析出粒子的存在显著提高了成品板材在焊接热循环过程中的抗再结晶软化能力。(12)研制的铝镁钪合金板材拉伸力学性能σb≥415 MPa,σ0.2≥302MPa,δ5≥15%,剥落腐蚀性能达到P级,焊接接头强度系数≥0.85,全面达到项目攻关要求。
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