叶片用新型铝合金的铸态组织与性能研究

陈昱晨

（中国民航大学 中欧航空工程师学院，天津 300300）

0 引言

铝合金因其比重较轻、比强度较高、耐腐蚀性能较好等原因，在轨道交通、航空航天、建筑、化工、电力等行业得到了越来越广泛的应用。叶片是航空设备中的重要组成部分，航空叶片的性能提升，对提高航空设备效率、降低企业成本有着重要作用。铝合金是一种常用航空叶片材料，但是现有的铝合金往往存在力学性能不理想等问题，难以满足航空叶片的市场需求，迫切需要开发新的铝合金材料[1,2]。本文采用磁场辅助搅拌法，制备了航空叶片用新型铝合金Al-1.2Ti-0.2Cu-0.2Mg-0.2Sr-0.1Y，并进行了该新型铝合金的铸态组织、物相组成和力学性能的测试与分析。

1 试验材料与方法

1.1 试样材料

采用工业级金属原料，在ZG-10型中频感应炉中熔炼航空叶片用新型铝合金Al-1.2Ti-0.2Cu-0.2Mg-0.2Sr-0.1Y试样，熔炼时添加六氟化硫作为保护剂，并添加1#精炼剂进行精炼；再在720℃采用铁模进行铸态合金的浇注，浇注过程中用固定交变感应线圈进行磁场辅助搅拌，磁场强度为8000At，线圈电流频率为25Hz；然后空冷，再车去表面氧化皮，获得试验所需的新型铝合金铸态试样（以下简称试样），试样尺寸为Φ18mm×100mm。试样的化学成分，采用EDX1800型X射线荧光光谱仪进行测试，测试结果如表1所示。

1.2 试验方法

采用D8 ADVANCE型X射线衍射仪对试样进行物相组成分析，扫描角度0°～80°、扫描速度3°/min；采用BX5型金相显微镜和JSM6510型扫描电镜分别进行试样显微组织的OM和SEM分析；采用UH-100型拉伸试验机进行力学性能测试，拉伸速度为1mm/min，拉伸温度为室温，并用JSM6510型扫描电镜观察拉伸断口形貌；采用VXMMH-30型摩擦磨损试验机进行耐磨损性能测试，测试温度为室温、磨损载荷为90N、磨轮转速为200r/min、相对滑动速度为90mm/min、摩擦转数为2000r，并用BX5型金相显微镜观察试样的磨损表面。

2 试验结果及讨论

2.1 XRD分析

试样的XRD图谱，如图4所示。从图4可以看出本试验采用磁场辅助搅拌法制备的航空叶片用新型铝合金Al-1.2Ti-0.2Cu-0.2Mg-0.2Sr-0.1Y铸态试样由α-Al基体和少量的Al3Ti第二相组成。合金中未发现含Cu、Mg、Sr或Y的化合物相，这主要是因为Cu、Mg、Sr或Y的添加量太少。

表1 试样化学成分

图1 试样XRD图谱

2.2 显微组织

试样的显微组织OM和SEM照片，分别如图2和图3所示。图4是合金试样第二相的微区能谱（EDS）分析结果。从图2～图4可以看出，采用磁场辅助搅拌法制备的航空叶片用新型铝合金Al-1.2Ti-0.2Cu-0.2Mg-0.2Sr-0.1Y的铸态组织较为细小、均匀，无明显的孔洞、气孔等缺陷。合金由α-Al基体和弥散细小的Al3Ti第二相组成。

图2 试样显微组织OM照片

图3 试样显微组织SEM照片

图4 试样第二相EDS分析结果

2.3 力学性能

试样在室温拉伸的力学性能测试结果，如图5所示。从图5可以看出，基于磁场辅助搅拌法制备的航空叶片用新型铝合金Al-1.2Ti-0.2Cu-0.2Mg-0.2Sr-0.1Y铸态试样具有较佳的拉伸性能，抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别达到518MPa、427MPa、33.6%。图6是试样的室温拉伸断口SEM照片。从图6可以看出，该合金的拉伸断口由众多细小的韧窝和少量的撕裂棱组成，断口呈现出明显的塑性断裂特征。这与材料的拉伸性能测试结果一致。

图5 试样力学性能测试结果

图6 试样拉伸断口SEM

2.4 讨论与分析

本试验采用磁场辅助搅拌法制备的航空叶片用新型铝合金Al-1.2Ti-0.2Cu-0.2Mg-0.2Sr-0.1Y铸态试样，组织细小、均匀，并具有优异的力学性能。这主要归功于两个方面的作用。

一方面，合金元素的协同作用，减少铸造缺陷，并有效细化晶粒，提高合金的性能。合金元素Ti的添加使得合金中形成众多的弥散细小Al3Ti第二相，有效细化晶粒；合金元素Cu、Mg和Sr的添加，可以共同发挥细化铝晶粒的作用，使得铝合金性能得到显著提高；合金元素Y对铝合金熔体可以起到有效净化、变质作用，改善铝合金的铸造性能，减少铸造缺陷，并在合金凝固过程中通过在晶界和枝晶界的聚集，促使枝晶断裂、游离，从而有效细化晶粒[3,4]。

另一方面，磁场辅助搅拌法的采用，进一步改善了合金铸态试样的质量，提高了合金的性能。浇注过程中用固定交变感应线圈进行磁场辅助搅拌，则在铝合金熔体的稀薄区域形成压力促使熔体中原有的气泡长大，并在固液界面出现空穴；在磁场的反复拉伸和压缩作用下，这些气泡和空穴将崩溃，产生的冲击波将使临近晶粒破碎；这些崩溃的气泡和空穴还会引发相邻气泡和空穴的崩溃，从而使晶粒产生大量的破碎，显著增加熔体中的形核核心数量，显著细化晶粒[5,6]。

3 结论

本试验在浇注过程中用固定交变感应线圈进行磁场辅助搅拌，制备了航空叶片用新型铝合金Al-1.2Ti-0.2Cu-0.2Mg-0.2Sr-0.1Y，并对铸态试样进行了物相组成、显微组织和力学性能的测试与分析，得到了如下结论：

1）采用磁场辅助搅拌法制备的航空叶片用新型铝合金Al-1.2Ti-0.2Cu-0.2Mg-0.2Sr-0.1Y的铸态组织均匀、细小，无明显的气孔、孔洞等缺陷，并具有优异的力学性能。

2）采用磁场辅助搅拌法制备的航空叶片用新型铝合金Al-1.2Ti-0.2Cu-0.2Mg-0.2Sr-0.1Y铸态试样由α-Al基体和少量的Al3Ti第二相组成。

3）基于磁场辅助搅拌法制备的航空叶片用新型铝合金Al-1.2Ti-0.2Cu-0.2Mg-0.2Sr-0.1Y铸态试样的抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别达到518MPa、427MPa、33.6%。这主要归功于两个方面：一是合金元素的协同作用，有效细化晶粒，减少铸造缺陷；二是浇注过程中用固定交变感应线圈进行磁场辅助搅拌，提高铸件质量，增加熔体中的形核核心数量，显著细化晶粒。

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