专利名称：一种高强耐热耐疲劳损伤铝合金及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种高热稳定性高强抗疲劳微结构的铝合金。
技术背景Al-Cu-Mg系合金由于具有中等强度，良好的韧性和优异的疲劳性能，是 航空航天中广泛应用的沉淀硬化型铝合金。在A1-Cu-Mg系合金中添加微量的 Ag元素，促进了一种新的盘片状单斜晶系弥散强化相——Q相在铝基体Ull〉 面上析出，该相具有较高的沉淀硬化能力和较好的热稳定性。以Q相为主要强 化相的A1-Cu-Mg-Ag系列合金，其耐热性能要比现在使用的2618、 2124等铝合 金优异得多，可以满足下一代超音速飞机以及超音速巡航导弹的使用温度环 境要求，美国、欧洲等国都在加紧研制该合金。现有A1-Cu-Mg-Ag系列合金的研究主要集中在热稳定性方面。对于航空、 航天用铝合金，除了热稳定性能之外，合金的抗疲劳断裂性能也直接影响到 Al-Cu-Mg-Ag系列合金在航空、航天领域的工业化应用。大量研究表明，由于 具有高的层错能，发生在纯铝合金多个滑移系中的滑移是不可回复的；而 Al-Cu-Mg系合金中，自然时效或者人工时效初期形成的溶质原子偏聚团能够 使滑移集中到一个平面上去，因此这一类型的滑移将有利于循环加载过程中 变形的回复，从而减少疲劳损坏。各种耐疲劳2x24铝合金一般都在自然时效 状态下使用，有着优异的疲劳性能，而以GPB区强化为主的微观组织也被认 为是A1-Cu-Mg系合金的主要抗疲劳微组织。由于A1-Cu-Mg-Ag合金为了保证 耐热性性能，其主要强化相必须控制为Q相，使得其微观组织并不是最佳的抗 疲劳组织。同时，通过控制沉淀相尺寸和体积分数，降低位错在滑移面上运 动的阻力，也有利于提高合金的疲劳性能。对添加稀土合金化的研究表明，在沉淀强化型合金中添加稀土元素能够 在不改变强化相类型的前提下，细化沉淀相尺寸、强化合金晶界，是一种提 高合金耐热性、改善合金疲劳性能的有效方法。但是稀土元素的种类与添加 量直接影响到稀土微合金化效果，如何选定稀土元素、确定元素添加量，通过稀土微合金化方法综合提高铝合金的耐热性、耐疲劳损伤性能，却是该类研究中的一个难点，也是A1-Cu-Mg-Ag合金研制开发的一个重要方向。 发明内容本发明的目的在于综合提高A1-Cu-Mg-Ag铝合金的耐热性和耐疲劳损伤 性能，制备出一种高热稳定性高强抗疲劳微结构的铝合金。为实现上述发明目的，发明人经过反复试验表明，在A1-Cu-Mg-Ag系合金 中添加质量百分数为0.2-0.5Q/。的Er，能使合金的耐热抗疲劳损伤性显著提高。更具体地说，本发明的高热稳定性高强抗疲劳铝合金的各组成元素质量 百分数为Cu 4.7-6.5%， Mn 0.2-0.28%， Mg 0.47-0,61%， Ag 0.44-0.6%， Zr 0,1-0.25%， Ti 0.05-0.15%, Er 0.2-0.5%，余量为A1。按上述各成分配比合金元素，在490 525。C下进行固溶处理，水淬，然后 在165 25(TC进行人工时效，合金获得最佳的耐热抗疲劳组织。实验表明，本发明的Al-Cu-Mg-Ag-Er合金其强度与不添加Er元素的 Al-Cu-Mg-Ag合金强度基本相同，但本发明成分范围内的Al-Cu-Mg-Ag-Er合金 20(TC 25(TC高温持久强度高于A1-Cu-Mg-Ag铝合金，疲劳裂纹扩展速率低于 2524铝合金疲劳裂纹扩展速率；本成分范围内Al-Cu-Mg-Ag-Er合金能够承受 最大38 MPa*m1/2大应力因子幅的作用。在AKS25 MPa*m1/2时， da/dN^lE-03mm/cycle 。在Al-Cu-Mg-Ag合金中添加Er元素能够细化Q相，增加Q相之间的间距， 使得合金的强化相保持为Q相，从而具有较好的热稳定性能。而在疲劳过程中， 尺寸较小的Q相在往复运动的位错作用下比大尺寸Q相更有利于位错往复运 动；较大O相之间的间距使得相邻粒子周围产生的位错环之间间距增加，减小 了位错运动的阻力，延长了位错塞积的时间，裂纹扩展的阻滞效应增加；而 Er元素添加强化了合金的晶界，增加了疲劳过程中裂纹扩展的阻力，降低了 裂纹扩展速率。因此，添加Er元素增加了Al-Cu-Mg-Ag合金疲劳裂纹的闭合效 应而使得合金的疲劳性能提高。综上所述，本发明的元素成分范围制备的合金能够得到较小尺寸和较大 间距的Q相强化组织，从而使合金具有优异的高的室温强度、优良的耐热性以 及抗疲劳性能的合金成分。
图l合金2的裂纹扩展速率曲线图；图2合金1 5室温的力学性能图；图3合金1 5的高温持久性能图；图4合金l、 2、 3以及2524合金的疲劳裂纹扩展速率；图5合金4、 5以及2524合金的疲劳裂纹扩展速率。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。各实施例中合金成 分均为质量百分比。合金的疲劳性能采用2524合金在相同实验环境下，C(T) 试样的疲劳裂纹扩展速率作为比较。参比2524合金在AK^25 MP^m^时， da/dNS2.6E-03mm/cycle,当AK〉25 MPa+m"2时，合金发生疲劳断裂。参比 例的疲劳裂纹扩展速率性能参见图3 。实施例h合金l成分为4.7%Cu,0.47%Mg,0.45%Ag，0.21%Er，0.28°/。Mn,0.22%Zr, 0.P/。Ti，余量为Al。在495'C下进行固溶处理，水淬，然后在165。C进行人工时 效，合金l板材在室温下的力学性能抗拉强为441MPa，屈服强度为415MPa， 延伸率为14°/。(参见图2); 20(TC/100小时的持久强度为220MPa; 250°C/100 小时的持久强度为120MPa (参见图3);在A7^25MPafm^时， ^/dTV^1.87E-03mm/cycle，裂纹扩展速率(参见图1和图4)低于2524合金。实施例2:合金2成分为6.21%Cu,0.61%Mg,0.44%Ag,0.23%Er,0.28%Mn, 0.15%Zr, 0.09。/。Ti,余量为Al。板材经过在515-C下进行固溶处理，水淬，然后在175。C进 行人工时效，合金2在室温下的力学性能抗拉强为502MPa，屈服强度为 490MPa，延伸率为13% (参见图2); 200'C/100小时的持久强度为240MPa; 250。C/100小时的持久强度为140MPa (参见图3);在A7^251VD^mW时， ^/c A^lE-03mm/cycle，而且Aii^38MPa承m"2时，i/a/d7V^3.65E-03mm/cycle， 裂纹扩展速率低于2524合金(参见图4)，同时具有较好的大应力因子幅疲劳 断裂抗力。实施例3:合金3成分为6.36%Cu,0.6%Mg,0.46%Ag,0,43o/oEr,0.28%Mn, 0.12%Zr, 0.05。/。Ti,余量为Al。在49(TC下进行固溶处理，水淬，然后在200。C进行人工时效，合金3在室温下的力学性能抗拉强为472MPa，屈服强度为439MPa，延 伸率为15% (参见图2); 20(TC/100小时的持久强度为230MPa; 250'C/100小时 的持久强度为135MPa (参见图3 ); 在A7^25MPa*m1/2时， ^^A^1.87E-03mm/cycle,裂纹扩展速率优于2524合金(参见图4)。 实施例4:合金4成分为4.6o/oCu,0.58%Mg,0.55%Ag,0.42%Er,0.32%Mn， 0.15%Zr, 0.ln/。Ti，余量为Al。在505'C下进行固溶处理，水淬，然后在245。C进行人工时 效，合金4在室温下的力学性能抗拉强为417MPa，屈服强度为384MPa，延 伸率为18.5% (参见图2); 200。C/100小时的持久强度为230MPa; 250。C/100小 时的持久强度为130MPa (参见图3 ); 在Ai^25MPa*m1/2时， ^/dT^1.32E-03mm/cycle，裂纹扩展速率低于2524合金(参见图5)。实施例5 :合金5成分为4.56%Cu,0.37%Mg,0.45%Ag，0.54%Er,0.3%Mn， 0.15%Zr, 0.05。/。Ti,余量为Al。在525'C下进行固溶处理，水淬，然后在165。C进行人工时 效，合金5在室温下的力学性能抗拉强为432MPa，屈服强度为396MPa，延 伸率为14.8% (参见图2); 20(TC/100小时的持久强度为220MPa; 250。C/100小 时的持久强度为140MPa (参见图3 );在A/^25MPa9^1。时， ^3AiA^1.17E画03mm/cycle，当Ai^31MPa承m"2时，^"AiA^4.27E-03mm/cycle， 裂纹扩展速率低于2524合金(参见图5)，同时具有较好的大应力因子幅疲劳 断裂抗力。
权利要求
1.一种高强耐热耐疲劳损伤铝合金，其特征在于在Al-Cu-Mg-Ag系合金中添加质量百分数为0.2-0.5％的Er。
2. 如权利要求l所述的铝合金，其特征在于所述铝合金的各组成元素质量 百分数为Cu4.7-6.5%， Mn 0.2-0.28%， Mg 0.47-0.61%， Ag 0.44-0.6%， Zr 0.1-0.25%， Ti 0.05-0.15%， Er 0.2-0.5%，余量为A1。
3. —种制备权利要求1或2所述铝合金的方法，其特征在于按所述各成分 配比合金元素，在490 525'C下进行固溶处理，水淬，然后在165 25(TC 进行人工时效。
全文摘要
一种高强耐热耐疲劳损伤铝合金，各组成元素质量百分数为Cu4.7-6.5％，Mn 0.2-0.28％，Mg 0.47-0.61％，Ag 0.44-0.6％，Zr 0.1-0.25％，Ti0.05-0.15％，Er 0.2-0.5％，余量为Al。本发明在Al-Cu-Mg-Ag合金中添加Er元素，增加了Al-Cu-Mg-Ag合金疲劳裂纹的闭合效应，从而使得合金的疲劳性能提高。本发明的成分范围内的Al-Cu-Mg-Ag-Er合金与不添加Er元素的Al-Cu-Mg-Ag合金强度基本相同，但其200℃～250℃高温持久强度高于Al-Cu-Mg-Ag铝合金，疲劳裂纹扩展速率低于2524铝合金疲劳裂纹扩展速率；且能够承受最大38MPa*m<sup>1/2</sup>大应力因子幅的作用，在△K≤25MPa*m<sup>1/2</sup>时，da/dN≤1E-03mm/cycle。
文档编号C22C21/12GK101240390SQ200810030780
公开日2008年8月13日 申请日期2008年3月11日 优先权日2008年3月11日
发明者刘延斌, 刘志义, 杰 周, 李云涛, 马飞跃 申请人:中南大学