時效工藝對ZL101A合金組織及力學性能的影響

劉娟娟（沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司技術中心，遼寧 沈陽 110862）

?

時效工藝對ZL101A合金組織及力學性能的影響

劉娟娟
（沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司技術中心，遼寧 沈陽 110862）

摘 要：航空工業是一個國家工業發展的重要體現，隨著經濟的快速發展，我國的航空航天工業步入了高速發展期，各種新型材料的使用使得航空工業正在向著輕量化、可靠性高、性能強以及成本低等的方向發展。以往航空航天工業中所使用的各種鑄、鍛件、鈑金件等通過焊接、鉚接等連接而成的航空航天等零部件正在逐漸被整體鑄造并經過后期復雜機加工的零部件所替代，這就對材料的力學性能提出了新的要求和挑戰，不同的加工工藝會對材料的性能造成不同的影響，應當在做好對于材料各種力學性能檢測的基礎上對各種不同的工藝會對材料所造成的不同的力學影響進行分析，從而為更好的做好對于材料的使用奠定良好的基礎。

關鍵詞：時效工藝；ZL101A合金；金相組織；力學性能

材料學是現代工業的基礎和社會發展的創新驅動力，隨著我國經濟的快速發展，我國的航空工業也進入了蓬勃發展期，ZL101A合金是一種在航空工業中應用較多的低強度合金，其延伸率低抗拉強度高的特點使得其在很多鑄件中難以得到廣泛的利用，在對其進行加工的過程中，不同的時效溫度與時效時間會對ZL101A合金的加工性能產生不同的影響，做好對于ZL101A合金的各種時效工藝檢驗和驗證，確定ZL101A合金在各種時效工藝時的力學性能對于促進航空業發展有著十分重要的意義，通過利用合理的熱處理工藝來提高材料本身的性能以使得ZL101A合金能夠在不同的時效工藝下形成較為良好的材料性能用以滿足航空、航天工業領域對于高性能鋁合金精密鑄件的需求。

1 做好ZL101A合金在不同時效工藝下的力學性能試驗

1.1 ZL101A合金在不同時效工藝下性能的實驗方法

在實驗中采用高純度的Al-12%Si的中間合金，高純度的鋁錠以及鎂錠等來制備ZL101A合金，同時鍵入高純度的Al-5%Ti-B中間合金細化的晶粒，并采用六氯乙烷對對其進行一定的精煉，而后將制備好的ZL101A合金澆注成棒型試件，在完成澆注后固溶制度為530℃～540℃，在澆注完成后的12h內對澆注件進行保溫，并對5組同一批次的試件分別測試保溫9h～13h而后對其進行不同熱處理的時效對ZL101A合金的力學性能的影響。

1.2 ZL101A合金時效實驗的結果分析

針對ZL101A合金所采用的化學成分為Si7.0%，Mg0.44%，Ti0.08%，Fe0.04%，其百分比是按照質量比來確定的，通過試驗數據表明，ZL101A合金在保溫溫度在155℃和160℃時其材料的力學性能是隨著保溫時效時間的延長而逐步提升的，但是其延伸率在同步下降，在170℃時，ZL101A合金的強度達到最大值，同時其延伸率在很小的區間內波動，且保持一致。當時效溫度在180℃～200℃時，ZL101A合金的強度隨著時間的延長而不斷的下降，同時ZL101A合金的延伸率也保持在同一的下降趨勢，通過對實驗數據分析表明，ZL101A合金較為適宜的時效溫度是170℃，保溫時間保持在9h～12h內即可。ZL101A合金的時效試驗數據見表1。

1.3 ZL101A合金的金屬性能的分析和討論

通過對ZL101A合金進行試驗分析后發現，ZL101A合金的主要是由α相，Si相和β相所組成，在ZL101A合金的時效階段中，溶入到α相基體中的β相能夠形成彌散狀的GPⅠ，GPⅡ以及β’過渡相，這些過渡相的晶格由于和α相基體存在一定的錯配度，這種錯配容易造成ZL101A合金的晶格產生一定的畸變，從而使得ZL101A合金的力學性能得到一定的強化，在ZL101A合金的時效中所存在的過渡相的數量越多，則ZL101A合金的力學性能確好，強度會明顯的提高，同時ZL101A合金的延伸率則會下降，在ZL101A合金的熱處理時，ZL101A合金中的過渡相會隨著保溫時間的升高和保溫時間的延長而不斷的增多，當其保溫溫度和時間超過一定的范圍后，ZL101A合金的過渡相則會演變成彌散狀的β相，β相和α相之間在晶格常數上有較大的差距，從而使得兩向之間出現極為明顯的界面，同時β相的存在會使得合金的力學性能的下降，應對塑形變形的能力降低。

1.4 ZL101A合金熱處理工藝中時效時間對ZL101A合金力學性能的影響

ZL101A合金熱處理過程中所形成的GPⅠ，GPⅡ以及β’過渡相都是不穩定相，通過在ZL101A合金升溫并保溫一定的時間后，ZL101A合金中所行的GPⅠ，GPⅡ以及β’過渡相等的不穩定相都會向著β相進行轉變，從而使得ZL101A合金的強化效果大為下降，在ZL101A合金的熱處理過程中，當實驗溫度在160℃時，ZL101A合金的強度將隨著保溫時間的不斷延長而逐漸的提高，這一強度提升將在保溫時間持續到11h時達到最高，而后則會隨著時間的提升而逐漸降低，ZL101A合金的延伸率則總體呈現線性下降趨勢.造成這一現象的最主要的原因是由于ZL101A合金在熱處理過程中析出的GPⅠ，GPⅡ以及β’過渡相的數量在11h時達到最多，隨著時間的延長，這些亞穩相將逐漸轉變為穩定的β相，從而造成隨著時間的不斷延長ZL101A合金的強度在降低.當ZL101A合金處于180℃進行保溫時，由于保溫的溫度較高，使得ZL101A合金會在較短的時間內析出較多的GPⅠ，GPⅡ以及β’的過渡相，并在保溫9h后ZL101A合金即可達到最高的強度，當保溫溫度較高時，ZL101A合金所形成的亞穩相向β相的轉變速率也較快，從而使得隨著保溫時間的延長，ZL101A合金中的亞穩相快速向β相進行轉變，進而降低ZL101A合金的強度。在ZL101A合金中的時效處理中，過渡相的析出和穩定的β相的析出都會影響ZL101A合金的塑形性能。所以，當ZL101A合金在160℃和180℃進行保溫時，ZL101A合金的延伸率都會隨著保溫時間的延長而不斷的降低。同時，當時效溫度較180℃更高時，ZL101A合金保溫時析出的主要是穩定的β相，其間有很少量的過渡相，從而造成ZL101A合金在時效處理后其強度和延伸率都處于較低的水平，同時其力學性能還會隨著保溫時間的延長在不斷的降低。ZL101A合金在180℃保溫溫度時隨著時間的延長其力學性能的變化曲線如圖1所示。

表1 ZL101A合金在不同時效制度下的金屬的性能

圖1 ZL101A合金在180℃保溫條件下隨時間延長的力學性能曲線

結語

通過對ZL101A合金進行時效實驗后發現，ZL101A合金在170℃時且保溫時間在9h～12h時能夠達到較好的力學性能，ZL101A合金的強度能夠達到330MPa以上，延伸率控制在10%以上.

參考文獻

［1］袁成祺.鑄造鋁合金.鎂合金標準手冊［M］.北京：中國環境出版社，1994.

［2］顧跟大.電場作用下金屬定向凝固行為的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，1989.

［3］胡漢起.金屬凝固原理［M］.北京：機械工業出版社，2000.

中圖分類號：TG146

文獻標識碼：A