一種加入鈰提高鋁銅錳鈦合金熱疲勞性能的方法
2023-06-04 23:21:06 1
專利名稱：一種加入鈰提高鋁銅錳鈦合金熱疲勞性能的方法
技術領域：
本發明屬於鋁銅合金技術領域，特指一種加入鈰提高鋁銅錳鈦合金熱疲勞性能的 方法。
背景技術：
所謂熱疲勞，是指材料經受溫度變化時，因其自由膨脹、收縮受到了約束而產生循 環應力或循環應變，最終導致龜裂而破壞的現象。熱疲勞裂紋的擴展與熱疲勞裂紋的萌生 一樣，反映了材料抵抗熱疲勞破壞的能力。有些材料儘管裂紋萌生壽命較長，但因其裂紋擴 展速率快，材料也會很快失效；而有些材料儘管裂紋較早萌生，但由於裂紋擴展緩慢，甚至 停止擴展，其實際使用壽命也較長。材料在實際使用過程中，其使用壽命更大程度取決於熱 疲勞裂紋的擴展壽命，因此對熱疲勞裂紋擴展的研究具有實際意義。熱疲勞的影響因素可分為材料內部因素(化學成分、力學性能和熱處理制度等) 和材料服役的外部因素(服役溫度、加熱冷卻速度、保持時間、外部環境等)。在特定的工況 下，外部因素是一定的。因此，了解材料內部因素對熱疲勞抗力的影響就可使材料的熱疲勞 抗力相應提高。元素對熱疲勞性能的影響取決於其存在狀態。合金元素形成的化合物，其類型、尺 寸、形狀、數量和熱穩定性與熱疲勞抗力密切相關。一些零散的分布於各資料中的信息表 明，人們對熱疲勞過程中合金元素的影響的研究並不系統。總的來說，稀土、Ti、Mn、W、Cr、 Mo、V等合金元素含量在一定範圍內時有利於提高材料的熱疲勞抗力，反之有害。稀土元素在黑色金屬中的應用，國內外在這方面已經做了大量工作，並且成熟的 運用於鋼鐵工業中。在鑄鋼和鑄鐵中稀土的應用已十分廣泛，但在鋁合金中的應用還很少。 近年來人們發現稀土能在鋁合金中形成金屬間化合物，使晶界強化，並提高合金的耐熱性。 加入什麼稀土元素、什麼樣的加入量可以即提高合金機械性能，又提高熱疲勞性能的效果 呢？這方面國內外還沒有系統的研究。針對這一問題，本發明開發了一種加入鈰提高鋁銅 合金熱疲勞性能的方法。
發明內容
本發明的目的是提供一種加入鈰提高鋁銅錳鈦合金熱疲勞性能的方法。其特徵在 於選取合金化學成分為(質量分數):Cu4. 5%,Mn0.4%,Ti0. 35%,CeO. 1_0.6%，其餘為 Al。合金在坩堝電阻爐中熔煉，爐溫採用熱電偶測定，熔煉時，在坩堝中依次放入鋁、銅、鋁 錳中間合金、鋁鈦中間合金、鋁鈰中間合金，加熱至熔化，除氣精煉，約5分鐘後扒渣，然後 澆注，空冷後製取熱疲勞試樣。熱疲勞試樣規格為40 X 10 X 5mm，是有預製裂紋的缺口試樣， 缺口長3mm，試樣形狀及尺寸如圖1所示。試驗前，用砂紙磨去試樣表面機械加工痕跡並拋 光，以消除試樣表面因素對試驗結果的影響。採用電阻爐加熱自約束熱疲勞試驗機進行熱疲勞試驗，板狀試樣裝卡在立方卡具 的四個側面，保證每塊試樣的加熱與冷卻位置一致，通過傳動裝置上下垂直運動，從而達到試樣加熱以及冷卻的自動化完成。採用設時自控，熱電偶測量並控制溫度，試樣在水溫25°C 至加熱300°C之間進行冷熱循環，採用計數器進行自動計數。從圖2和表1可以看出，冷熱循環4000次時，裂紋已經開始萌生，但是擴展的速率 都很緩慢，相比較而言，加入Ce 0. I0AXe 0. 5%和Ce 0. 6%擴展速率快，加入Ce 0. 3%擴
展速率慢。從圖3可見表1可以看出，當冷熱循環次數達到6000次時，各試樣的熱疲勞裂紋 在長度、寬度及深度等方面繼續發展，裂紋變得更加粗大清晰。加入CeO. 1%、Ce 0.5%和 Ce 0.6%的裂紋變得更加粗大，裂紋尖端的分枝繼續擴展，且裂紋的縫隙內出現明顯的氧 化跡象。加入Ce 0. 3%的主裂紋形成可擴展裂紋，且較為均衡的擴展，其附近出現一些不連 續、不規則的微裂紋，主裂紋相對其他加入量的擴展較慢。比較每種組織的裂紋，發現加入 Ce 0.1%、Ce 0. 5%和Ce 0. 6%的最長且最粗，加入CeO. 3%的最短而最細。上述鋁銅錳鈦鈰合金中，鈰的加入量可優選為CeO. 3%。
圖1熱疲勞試樣示意2熱疲勞裂紋形貌(冷熱循環4000次)a、Ce 0. 1% ；b、Ce 0. 3% ；c、Ce 0. 6%圖3熱疲勞裂紋形貌(冷熱循環6000次)a、Ce 0. 1% ；b、Ce 0. 3% ；c、Ce 0. 6%
具體實施例方式實施例1選取合金化學成分為(質量分數):Cu4. 5%，Mn0.4%，Ti0. 35%，CeO. 1%，其餘為 Al。合金在坩堝電阻爐中熔煉，爐溫採用熱電偶測定，熔煉時，在坩堝中依次放入鋁、銅、鋁 錳中間合金、鋁鈦中間合金、鋁鈰中間合金，加熱至熔化，除氣精煉，約5分鐘後扒渣，然後 澆注，空冷後製取熱疲勞試樣。熱疲勞試樣規格為40 X 10 X 5mm，是有預製裂紋的缺口試樣， 缺口長3mm，試樣形狀及尺寸如圖1所示。試驗前，用砂紙磨去試樣表面機械加工痕跡並拋 光，以消除試樣表面因素對試驗結果的影響。採用電阻爐加熱自約束熱疲勞試驗機進行熱疲勞試驗，板狀試樣裝卡在立方卡具 的四個側面，保證每塊試樣的加熱與冷卻位置一致，通過傳動裝置上下垂直運動，從而達到 試樣加熱以及冷卻的自動化完成。採用設時自控，熱電偶測量並控制溫度，試樣在水溫25°C 至加熱300°C之間進行冷熱循環，採用計數器進行自動計數。由圖2、圖3可見，加入Ce 0. 1 %的熱疲勞裂紋長且粗，由表1可見，加入CeO. 1 % 時，冷熱循環6000次時合金熱疲勞裂紋擴展達到20. 32mm。實施例2選取合金化學成分為(質量分數):Cu4. 5%，Mn0.4%，Ti0. 35%，CeO. 3%，其餘為 Al。合金在坩堝電阻爐中熔煉，爐溫採用熱電偶測定，熔煉時，在坩堝中依次放入鋁、銅、鋁 錳中間合金、鋁鈦中間合金、鋁鈰中間合金，加熱至熔化，除氣精煉，約5分鐘後扒渣，然後 澆注，空冷後製取熱疲勞試樣。熱疲勞試樣規格為40 X 10 X 5mm，是有預製裂紋的缺口試樣， 缺口長3mm，試樣形狀及尺寸如圖1所示。試驗前，用砂紙磨去試樣表面機械加工痕跡並拋光，以消除試樣表面因素對試驗結果的影響。 採用電阻爐加熱自約束熱疲勞試驗機進行熱疲勞試驗，板狀試樣裝卡在立方卡具 的四個側面，保證每塊試樣的加熱與冷卻位置一致，通過傳動裝置上下垂直運動，從而達到 試樣加熱以及冷卻的自動化完成。採用設時自控，熱電偶測量並控制溫度，試樣在水溫25°C 至加熱300°C之間進行冷熱循環，採用計數器進行自動計數。由圖2、圖3可見，加入Ce 0. 3%的熱疲勞裂紋短而細，由表1可見，加入CeO. 3% 時，冷熱循環6000次時合金熱疲勞裂紋擴展達到13. 41mm。實施例3選取合金化學成分為(質量分數)Cu4.5%，Mn0.4%，Ti0.35%，Ce0.6%，其餘為 Al。合金在坩堝電阻爐中熔煉，爐溫採用熱電偶測定，熔煉時，在坩堝中依次放入鋁、銅、鋁 錳中間合金、鋁鈦中間合金、鋁鈰中間合金，加熱至熔化，除氣精煉，約5分鐘後扒渣，然後 澆注，空冷後製取熱疲勞試樣。熱疲勞試樣規格為40 X 10 X 5mm，是有預製裂紋的缺口試樣， 缺口長3mm，試樣形狀及尺寸如圖1所示。試驗前，用砂紙磨去試樣表面機械加工痕跡並拋 光，以消除試樣表面因素對試驗結果的影響。採用電阻爐加熱自約束熱疲勞試驗機進行熱疲勞試驗，板狀試樣裝卡在立方卡具 的四個側面，保證每塊試樣的加熱與冷卻位置一致，通過傳動裝置上下垂直運動，從而達到 試樣加熱以及冷卻的自動化完成。採用設時自控，熱電偶測量並控制溫度，試樣在水溫25°C 至加熱300°C之間進行冷熱循環，採用計數器進行自動計數。由圖2、圖3可見，加入Ce 0. 6%的熱疲勞裂紋長且粗，由表1可見，加入CeO. 6% 時，冷熱循環6000次時合金熱疲勞裂紋擴展達到24. 75mm。表1熱疲勞裂紋擴展數據(mm)
權利要求
一種加入鈰提高鋁銅錳鈦合金熱疲勞性能的方法，其特徵在於選取合金化學成分為(質量分數)Cu4.5％，Mn0.4％，Ti0.35％，Ce0.1 0.6％，其餘為Al；合金在坩堝電阻爐中熔煉，爐溫採用熱電偶測定，熔煉時，在坩堝中依次放入鋁、銅、鋁錳中間合金、鋁鈦中間合金、鋁鈰中間合金，加熱至熔化，除氣精煉，約5分鐘後扒渣，然後澆注，空冷後製取熱疲勞試樣；熱疲勞試樣規格為40×10×5mm，是有預製裂紋的缺口試樣，缺口長3mm；試驗前，用砂紙磨去試樣表面機械加工痕跡並拋光，以消除試樣表面因素對試驗結果的影響。
2.根據權利要求1所述的一種加入鈰提高鋁銅錳鈦合金熱疲勞性能的方法，採用電阻 爐加熱自約束熱疲勞試驗機進行熱疲勞試驗，板狀試樣裝卡在立方卡具的四個側面，保證 每塊試樣的加熱與冷卻位置一致，通過傳動裝置上下垂直運動，從而達到試樣加熱以及冷 卻的自動化完成；採用設時自控，熱電偶測量並控制溫度，試樣在水溫25°C至加熱300°C之 間進行冷熱循環，採用計數器進行自動計數；當冷熱循環次數達到6000次時，比較每種組 織的裂紋，發現加入Ce 0. l%、Ce05%和Ce 0. 6%的最長且最粗，加入CeO. 3%的最短而最 細。
3.根據權利要求2所述的一種加入鈰提高鋁銅錳鈦合金熱疲勞性能的方法，鈰的加入 量可優選為0.3%。
全文摘要
一種加入鈰提高鋁銅錳鈦合金熱疲勞性能的方法，屬於鋁銅合金技術領域，其特徵在於選取合金化學成分為(質量分數)Cu4.5％，Mn0.4％，Ti0.35％，Ce0.1-0.6％，其餘為Al。合金在坩堝電阻爐中熔煉，爐溫採用熱電偶測定，熔煉時，在坩堝中依次放入鋁、銅、鋁錳中間合金、鋁鈦中間合金、鋁鈰中間合金，加熱至熔化，除氣精煉，約5分鐘後扒渣，然後澆注，空冷後製取熱疲勞試樣。熱疲勞試樣規格為40×10×5mm，是有預製裂紋的缺口試樣，缺口長3mm。採用電阻爐加熱自約束熱疲勞試驗機進行熱疲勞試驗，設時自控，熱電偶測量並控制溫度，試樣在水溫25℃至加熱300℃之間進行冷熱循環，採用計數器進行自動計數。
文檔編號C22C21/12GK101956106SQ201010508930
公開日2011年1月26日 申請日期2010年10月15日 優先權日2010年10月15日
發明者司乃潮, 司松海 申請人:鎮江憶諾唯記憶合金有限公司