一种加入Ce提高AlCuMnTi合金热疲劳性能的方法
【专利摘要】一种加入Ce提高AlCuMnTi合金热疲劳性能的方法，属于铝铜合金【技术领域】，其特征在于：选取合金化学成分为(质量分数)：Cu4.5%，Mn0.4%，Ti0.35%，Ce0.1-0.6%，其余为Al。合金在坩埚电阻炉中熔炼，炉温采用热电偶测定，熔炼时，在坩埚中依次放入铝、铜、铝锰中间合金、铝钛中间合金、铝铈中间合金，加热至熔化，除气精炼，约5分钟后扒渣，然后浇注，空冷后制取热疲劳试样。热疲劳试样规格为40×20×5mm。采用电阻炉加热自约束热疲劳试验机进行热疲劳试验，设时自控，热电偶测量并控制温度，试样在水温25℃至加热300℃之间进行冷热循环，采用计数器进行自动计数。
【专利说明】-种加入Ce提高AICuMnTi合金热疲劳性能的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于铝铜合金【技术领域】，特指一种加入Ce提高AlCuMnTi合金热疲劳性能 的方法。
【背景技术】
[0002] 所谓热疲劳，是指材料经受温度变化时，因其自由膨胀、收缩受到了约束而产生循 环应力或循环应变，最终导致龟裂而破坏的现象。热疲劳裂纹的扩展与热疲劳裂纹的萌生 一样，反映了材料抵抗热疲劳破坏的能力。有些材料尽管裂纹萌生寿命较长，但因其裂纹扩 展速率快，材料也会很快失效；而有些材料尽管裂纹较早萌生，但由于裂纹扩展缓慢，甚至 停止扩展，其实际使用寿命也较长。材料在实际使用过程中，其使用寿命更大程度取决于热 疲劳裂纹的扩展寿命，因此对热疲劳裂纹扩展的研究具有实际意义。
[0003] 热疲劳的影响因素可分为材料内部因素(化学成分、力学性能和热处理制度等）和 材料服役的外部因素(服役温度、加热冷却速度、保持时间、外部环境等)。在特定的工况下， 外部因素是一定的。因此，了解材料内部因素对热疲劳抗力的影响就可使材料的热疲劳抗 力相应提1?。
[0004] 元素对热疲劳性能的影响取决于其存在状态。合金元素形成的化合物，其类型、尺 寸、形状、数量和热稳定性与热疲劳抗力密切相关。一些零散的分布于各资料中的信息表 明，人们对热疲劳过程中合金元素的影响的研究并不系统。总的来说，稀土、Ti、Mn、W、Cr、 Mo、V等合金兀素含量在一定范围内时有利于提1?材料的热疲劳抗力，反之有害。
[0005] 稀土元素在黑色金属中的应用，国内外在这方面已经做了大量工作，并且成熟的 运用于钢铁工业中。在铸钢和铸铁中稀土的应用已十分广泛，但在铝合金中的应用还很 少。近年来人们发现稀土能在铝合金中形成金属间化合物，使晶界强化，并提高合金的耐热 性。加入什么稀土元素、什么样的加入量可以即提高合金机械性能，又提高热疲劳性能的效 果呢？这方面国内外还没有系统的研究。针对这一问题，本发明开发了一种加入Ce提高 AlCuMnTi合金热疲劳性能的方法。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种加入Ce提高AlCuMnTi合金热疲劳性能的方法。其特 征在于：选取合金化学成分为（质量分数）：Cu4. 5%，MnO. 4%，TiO. 35%，CeO. 1-0. 6%，其余为 A1。合金在坩埚电阻炉中熔炼，炉温采用热电偶测定，熔炼时，在坩埚中依次放入铝、铜、铝 锰中间合金、铝钛中间合金、铝铈中间合金，加热至熔化，除气精炼，约5分钟后扒渣，然后 浇注，空冷后制取热疲劳试样。热疲劳试样规格为40 X 20 X 5mm，是有预制裂纹的缺口试样， 缺口长3_，试样形状及尺寸如图1所示。试验前，用砂纸磨去试样表面机械加工痕迹并抛 光，以消除试样表面因素对试验结果的影响。
[0007] 采用电阻炉加热自约束热疲劳试验机进行热疲劳试验，板状试样装卡在立方卡具 的四个侧面，保证每块试样的加热与冷却位置一致，通过传动装置上下垂直运动，从而达到 试样加热以及冷却的自动化完成。采用设时自控，热电偶测量并控制温度，试样在水温25°C 至加热300°C之间进行冷热循环，采用计数器进行自动计数。
[0008] 从图2和表1可以看出，冷热循环4000次时，裂纹已经开始萌生，但是扩展的速率 都很缓慢，相比较而言，加入Ce 0.1%、Ce 0.5%和Ce 0.6%扩展速率快，加入Ce 0.3%扩展 速率慢。
[0009] 从图3可见表1可以看出，当冷热循环次数达到6000次时，各试样的热疲劳裂纹 在长度、宽度及深度等方面继续发展，裂纹变得更加粗大清晰。加入Ce 0.1%、Ce 0.5%和 Ce 0. 6%的裂纹变得更加粗大，裂纹尖端的分枝继续扩展，且裂纹的缝隙内出现明显的氧化 迹象。加入Ce 0.3%的主裂纹形成可扩展裂纹，且较为均衡的扩展，其附近出现一些不连 续、不规则的微裂纹，主裂纹相对其他加入量的扩展较慢。比较每种组织的裂纹，发现加入 Ce 0. 1%、Ce 0. 5%和Ce 0. 6%的最长且最粗，加入CeO. 3%的最短而最细。
[0010] 上述铝铜锰钛铈合金中，铈的加入量可优选为：CeO. 3%。
【专利附图】
【附图说明】
[0011] 图1热疲劳试样示意图； 图2热疲劳裂纹形貌(冷热循环4000次） a、Ce 0.1% ;b、Ce 0.3%;c、Ce 0.6% ; 图3热疲劳裂纹形貌(冷热循环6000次） a、Ce 0.1% ;b、Ce 0.3%;c、Ce 0.6%。
【具体实施方式】
[0012] 实施例1 选取合金化学成分为（质量分数）：Cu4. 5%，MnO. 4%，TiO. 35%，CeO. 1%，其余为Al。合 金在坩埚电阻炉中熔炼，炉温采用热电偶测定，熔炼时，在坩埚中依次放入铝、铜、铝锰中间 合金、铝钛中间合金、铝铈中间合金，加热至熔化，除气精炼，约5分钟后扒渣，然后浇注，空 冷后制取热疲劳试样。热疲劳试样规格为40X20X5mm，是有预制裂纹的缺口试样，缺口长 3mm，试样形状及尺寸如图1所示。试验前，用砂纸磨去试样表面机械加工痕迹并抛光，以消 除试样表面因素对试验结果的影响。
[0013] 采用电阻炉加热自约束热疲劳试验机进行热疲劳试验，板状试样装卡在立方卡具 的四个侧面，保证每块试样的加热与冷却位置一致，通过传动装置上下垂直运动，从而达到 试样加热以及冷却的自动化完成。采用设时自控，热电偶测量并控制温度，试样在水温25°c 至加热300°C之间进行冷热循环，采用计数器进行自动计数。
[0014] 由图2、图3可见，加入Ce 0.1%的热疲劳裂纹长且粗，由表1可见，加入CeO. 1% 时，冷热循环6000次时合金热疲劳裂纹扩展达到20. 32mm。
[0015] 实施例2 选取合金化学成分为（质量分数）：Cu4. 5%，MnO. 4%，TiO. 35%，CeO. 3%，其余为Al。合 金在坩埚电阻炉中熔炼，炉温采用热电偶测定，熔炼时，在坩埚中依次放入铝、铜、铝锰中间 合金、铝钛中间合金、铝铈中间合金，加热至熔化，除气精炼，约5分钟后扒渣，然后浇注，空 冷后制取热疲劳试样。热疲劳试样规格为40X20X5mm，是有预制裂纹的缺口试样，缺口长 3_，试样形状及尺寸如图1所示。试验前，用砂纸磨去试样表面机械加工痕迹并抛光，以消 除试样表面因素对试验结果的影响。
[0016] 采用电阻炉加热自约束热疲劳试验机进行热疲劳试验，板状试样装卡在立方卡具 的四个侧面，保证每块试样的加热与冷却位置一致，通过传动装置上下垂直运动，从而达到 试样加热以及冷却的自动化完成。采用设时自控，热电偶测量并控制温度，试样在水温25°c 至加热300°C之间进行冷热循环，采用计数器进行自动计数。
[0017] 由图2、图3可见，加入Ce 0.3%的热疲劳裂纹短而细，由表1可见，加入CeO. 3% 时，冷热循环6000次时合金热疲劳裂纹扩展达到13. 41mm。
[0018] 实施例3 选取合金化学成分为（质量分数）：Cu4. 5%，MnO. 4%，TiO. 35%，CeO. 6%，其余为Al。合 金在坩埚电阻炉中熔炼，炉温采用热电偶测定，熔炼时，在坩埚中依次放入铝、铜、铝锰中间 合金、铝钛中间合金、铝铈中间合金，加热至熔化，除气精炼，约5分钟后扒渣，然后浇注，空 冷后制取热疲劳试样。热疲劳试样规格为40X20X5mm，是有预制裂纹的缺口试样，缺口长 3_，试样形状及尺寸如图1所示。试验前，用砂纸磨去试样表面机械加工痕迹并抛光，以消 除试样表面因素对试验结果的影响。
[0019] 采用电阻炉加热自约束热疲劳试验机进行热疲劳试验，板状试样装卡在立方卡具 的四个侧面，保证每块试样的加热与冷却位置一致，通过传动装置上下垂直运动，从而达到 试样加热以及冷却的自动化完成。采用设时自控，热电偶测量并控制温度，试样在水温25°c 至加热300°C之间进行冷热循环，采用计数器进行自动计数。
[0020] 由图2、图3可见，加入Ce 0. 6%的热疲劳裂纹长且粗，由表1可见，加入CeO. 6% 时，冷热循环6000次时合金热疲劳裂纹扩展达到24. 75mm。
[0021] 表1热疲劳裂纹扩展数据（mm)
【权利要求】
1. 一种加入Ce提高AlCuMnTi合金热疲劳性能的方法，其特征在于：选取合金化学成 分为（质量分数）：Cu4. 5%，MnO. 4%，TiO. 35%，CeO. 1-0. 6%，其余为A1 ;合金在坩埚电阻炉中 熔炼，炉温采用热电偶测定，熔炼时，在坩埚中依次放入铝、铜、铝锰中间合金、铝钛中间合 金、铝铈中间合金，加热至熔化，除气精炼，约5分钟后扒渣，然后浇注，空冷后制取热疲劳 试样；热疲劳试样规格为40 X 20 X 5mm，是有预制裂纹的缺口试样，缺口长3mm ;试验前，用 砂纸磨去试样表面机械加工痕迹并抛光，以消除试样表面因素对试验结果的影响。
2. 根据权利要求1所述的一种加入Ce提高AlCuMnTi合金热疲劳性能的方法，采用电 阻炉加热自约束热疲劳试验机进行热疲劳试验，板状试样装卡在立方卡具的四个侧面，保 证每块试样的加热与冷却位置一致，通过传动装置上下垂直运动，从而达到试样加热以及 冷却的自动化完成；采用设时自控，热电偶测量并控制温度，试样在水温25°C至加热300°C 之间进行冷热循环，采用计数器进行自动计数；当冷热循环次数达到6000次时，比较每种 组织的裂纹，发现加入Ce 0? 1%、Ce05%和Ce 0? 6%的最长且最粗，加入CeO. 3%的最短而最 细。
3. 根据权利要求2所述的一种加入Ce提高AlCuMnTi合金热疲劳性能的方法，铈的加 入量可优选为〇. 3%。
【文档编号】C22C21/12GK104372219SQ201310358458
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2013年8月16日 优先权日:2013年8月16日
【发明者】齐克尧, 司松海, 李晓薇, 刘光磊, 张志敏 申请人:镇江忆诺唯记忆合金有限公司