葉片用新型鋁合金的鑄態(tài)組織與性能研究

陳昱晨

（中國民航大學(xué) 中歐航空工程師學(xué)院，天津 300300）

0 引言

鋁合金因其比重較輕、比強(qiáng)度較高、耐腐蝕性能較好等原因，在軌道交通、航空航天、建筑、化工、電力等行業(yè)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。葉片是航空設(shè)備中的重要組成部分，航空葉片的性能提升，對提高航空設(shè)備效率、降低企業(yè)成本有著重要作用。鋁合金是一種常用航空葉片材料，但是現(xiàn)有的鋁合金往往存在力學(xué)性能不理想等問題，難以滿足航空葉片的市場需求，迫切需要開發(fā)新的鋁合金材料[1,2]。本文采用磁場輔助攪拌法，制備了航空葉片用新型鋁合金Al-1.2Ti-0.2Cu-0.2Mg-0.2Sr-0.1Y，并進(jìn)行了該新型鋁合金的鑄態(tài)組織、物相組成和力學(xué)性能的測試與分析。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試樣材料

采用工業(yè)級金屬原料，在ZG-10型中頻感應(yīng)爐中熔煉航空葉片用新型鋁合金Al-1.2Ti-0.2Cu-0.2Mg-0.2Sr-0.1Y試樣，熔煉時添加六氟化硫作為保護(hù)劑，并添加1#精煉劑進(jìn)行精煉；再在720℃采用鐵模進(jìn)行鑄態(tài)合金的澆注，澆注過程中用固定交變感應(yīng)線圈進(jìn)行磁場輔助攪拌，磁場強(qiáng)度為8000At，線圈電流頻率為25Hz；然后空冷，再車去表面氧化皮，獲得試驗(yàn)所需的新型鋁合金鑄態(tài)試樣（以下簡稱試樣），試樣尺寸為Φ18mm×100mm。試樣的化學(xué)成分，采用EDX1800型X射線熒光光譜儀進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表1所示。

1.2 試驗(yàn)方法

采用D8 ADVANCE型X射線衍射儀對試樣進(jìn)行物相組成分析，掃描角度0°～80°、掃描速度3°/min；采用BX5型金相顯微鏡和JSM6510型掃描電鏡分別進(jìn)行試樣顯微組織的OM和SEM分析；采用UH-100型拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測試，拉伸速度為1mm/min，拉伸溫度為室溫，并用JSM6510型掃描電鏡觀察拉伸斷口形貌；采用VXMMH-30型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行耐磨損性能測試，測試溫度為室溫、磨損載荷為90N、磨輪轉(zhuǎn)速為200r/min、相對滑動速度為90mm/min、摩擦轉(zhuǎn)數(shù)為2000r，并用BX5型金相顯微鏡觀察試樣的磨損表面。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 XRD分析

試樣的XRD圖譜，如圖4所示。從圖4可以看出本試驗(yàn)采用磁場輔助攪拌法制備的航空葉片用新型鋁合金Al-1.2Ti-0.2Cu-0.2Mg-0.2Sr-0.1Y鑄態(tài)試樣由α-Al基體和少量的Al3Ti第二相組成。合金中未發(fā)現(xiàn)含Cu、Mg、Sr或Y的化合物相，這主要是因?yàn)镃u、Mg、Sr或Y的添加量太少。

表1 試樣化學(xué)成分

圖1 試樣XRD圖譜

2.2 顯微組織

試樣的顯微組織OM和SEM照片，分別如圖2和圖3所示。圖4是合金試樣第二相的微區(qū)能譜（EDS）分析結(jié)果。從圖2～圖4可以看出，采用磁場輔助攪拌法制備的航空葉片用新型鋁合金Al-1.2Ti-0.2Cu-0.2Mg-0.2Sr-0.1Y的鑄態(tài)組織較為細(xì)小、均勻，無明顯的孔洞、氣孔等缺陷。合金由α-Al基體和彌散細(xì)小的Al3Ti第二相組成。

圖2 試樣顯微組織OM照片

圖3 試樣顯微組織SEM照片

圖4 試樣第二相EDS分析結(jié)果

2.3 力學(xué)性能

試樣在室溫拉伸的力學(xué)性能測試結(jié)果，如圖5所示。從圖5可以看出，基于磁場輔助攪拌法制備的航空葉片用新型鋁合金Al-1.2Ti-0.2Cu-0.2Mg-0.2Sr-0.1Y鑄態(tài)試樣具有較佳的拉伸性能，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長率分別達(dá)到518MPa、427MPa、33.6%。圖6是試樣的室溫拉伸斷口SEM照片。從圖6可以看出，該合金的拉伸斷口由眾多細(xì)小的韌窩和少量的撕裂棱組成，斷口呈現(xiàn)出明顯的塑性斷裂特征。這與材料的拉伸性能測試結(jié)果一致。

圖5 試樣力學(xué)性能測試結(jié)果

圖6 試樣拉伸斷口SEM

2.4 討論與分析

本試驗(yàn)采用磁場輔助攪拌法制備的航空葉片用新型鋁合金Al-1.2Ti-0.2Cu-0.2Mg-0.2Sr-0.1Y鑄態(tài)試樣，組織細(xì)小、均勻，并具有優(yōu)異的力學(xué)性能。這主要?dú)w功于兩個方面的作用。

一方面，合金元素的協(xié)同作用，減少鑄造缺陷，并有效細(xì)化晶粒，提高合金的性能。合金元素Ti的添加使得合金中形成眾多的彌散細(xì)小Al3Ti第二相，有效細(xì)化晶粒；合金元素Cu、Mg和Sr的添加，可以共同發(fā)揮細(xì)化鋁晶粒的作用，使得鋁合金性能得到顯著提高；合金元素Y對鋁合金熔體可以起到有效凈化、變質(zhì)作用，改善鋁合金的鑄造性能，減少鑄造缺陷，并在合金凝固過程中通過在晶界和枝晶界的聚集，促使枝晶斷裂、游離，從而有效細(xì)化晶粒[3,4]。

另一方面，磁場輔助攪拌法的采用，進(jìn)一步改善了合金鑄態(tài)試樣的質(zhì)量，提高了合金的性能。澆注過程中用固定交變感應(yīng)線圈進(jìn)行磁場輔助攪拌，則在鋁合金熔體的稀薄區(qū)域形成壓力促使熔體中原有的氣泡長大，并在固液界面出現(xiàn)空穴；在磁場的反復(fù)拉伸和壓縮作用下，這些氣泡和空穴將崩潰，產(chǎn)生的沖擊波將使臨近晶粒破碎；這些崩潰的氣泡和空穴還會引發(fā)相鄰氣泡和空穴的崩潰，從而使晶粒產(chǎn)生大量的破碎，顯著增加熔體中的形核核心數(shù)量，顯著細(xì)化晶粒[5,6]。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)在澆注過程中用固定交變感應(yīng)線圈進(jìn)行磁場輔助攪拌，制備了航空葉片用新型鋁合金Al-1.2Ti-0.2Cu-0.2Mg-0.2Sr-0.1Y，并對鑄態(tài)試樣進(jìn)行了物相組成、顯微組織和力學(xué)性能的測試與分析，得到了如下結(jié)論：

1）采用磁場輔助攪拌法制備的航空葉片用新型鋁合金Al-1.2Ti-0.2Cu-0.2Mg-0.2Sr-0.1Y的鑄態(tài)組織均勻、細(xì)小，無明顯的氣孔、孔洞等缺陷，并具有優(yōu)異的力學(xué)性能。

2）采用磁場輔助攪拌法制備的航空葉片用新型鋁合金Al-1.2Ti-0.2Cu-0.2Mg-0.2Sr-0.1Y鑄態(tài)試樣由α-Al基體和少量的Al3Ti第二相組成。

3）基于磁場輔助攪拌法制備的航空葉片用新型鋁合金Al-1.2Ti-0.2Cu-0.2Mg-0.2Sr-0.1Y鑄態(tài)試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長率分別達(dá)到518MPa、427MPa、33.6%。這主要?dú)w功于兩個方面：一是合金元素的協(xié)同作用，有效細(xì)化晶粒，減少鑄造缺陷；二是澆注過程中用固定交變感應(yīng)線圈進(jìn)行磁場輔助攪拌，提高鑄件質(zhì)量，增加熔體中的形核核心數(shù)量，顯著細(xì)化晶粒。

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