时效工艺对ZL101A合金组织及力学性能的影响

刘娟娟（沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司技术中心，辽宁 沈阳 110862）



时效工艺对ZL101A合金组织及力学性能的影响

刘娟娟
（沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司技术中心，辽宁 沈阳 110862）

摘 要：航空工业是一个国家工业发展的重要体现，随着经济的快速发展，我国的航空航天工业步入了高速发展期，各种新型材料的使用使得航空工业正在向着轻量化、可靠性高、性能强以及成本低等的方向发展。以往航空航天工业中所使用的各种铸、锻件、钣金件等通过焊接、铆接等连接而成的航空航天等零部件正在逐渐被整体铸造并经过后期复杂机加工的零部件所替代，这就对材料的力学性能提出了新的要求和挑战，不同的加工工艺会对材料的性能造成不同的影响，应当在做好对于材料各种力学性能检测的基础上对各种不同的工艺会对材料所造成的不同的力学影响进行分析，从而为更好的做好对于材料的使用奠定良好的基础。

关键词：时效工艺；ZL101A合金；金相组织；力学性能

材料学是现代工业的基础和社会发展的创新驱动力，随着我国经济的快速发展，我国的航空工业也进入了蓬勃发展期，ZL101A合金是一种在航空工业中应用较多的低强度合金，其延伸率低抗拉强度高的特点使得其在很多铸件中难以得到广泛的利用，在对其进行加工的过程中，不同的时效温度与时效时间会对ZL101A合金的加工性能产生不同的影响，做好对于ZL101A合金的各种时效工艺检验和验证，确定ZL101A合金在各种时效工艺时的力学性能对于促进航空业发展有着十分重要的意义，通过利用合理的热处理工艺来提高材料本身的性能以使得ZL101A合金能够在不同的时效工艺下形成较为良好的材料性能用以满足航空、航天工业领域对于高性能铝合金精密铸件的需求。

1 做好ZL101A合金在不同时效工艺下的力学性能试验

1.1 ZL101A合金在不同时效工艺下性能的实验方法

在实验中采用高纯度的Al-12%Si的中间合金，高纯度的铝锭以及镁锭等来制备ZL101A合金，同时键入高纯度的Al-5%Ti-B中间合金细化的晶粒，并采用六氯乙烷对对其进行一定的精炼，而后将制备好的ZL101A合金浇注成棒型试件，在完成浇注后固溶制度为530℃～540℃，在浇注完成后的12h内对浇注件进行保温，并对5组同一批次的试件分别测试保温9h～13h而后对其进行不同热处理的时效对ZL101A合金的力学性能的影响。

1.2 ZL101A合金时效实验的结果分析

针对ZL101A合金所采用的化学成分为Si7.0%，Mg0.44%，Ti0.08%，Fe0.04%，其百分比是按照质量比来确定的，通过试验数据表明，ZL101A合金在保温温度在155℃和160℃时其材料的力学性能是随着保温时效时间的延长而逐步提升的，但是其延伸率在同步下降，在170℃时，ZL101A合金的强度达到最大值，同时其延伸率在很小的区间内波动，且保持一致。当时效温度在180℃～200℃时，ZL101A合金的强度随着时间的延长而不断的下降，同时ZL101A合金的延伸率也保持在同一的下降趋势，通过对实验数据分析表明，ZL101A合金较为适宜的时效温度是170℃，保温时间保持在9h～12h内即可。ZL101A合金的时效试验数据见表1。

1.3 ZL101A合金的金属性能的分析和讨论

通过对ZL101A合金进行试验分析后发现，ZL101A合金的主要是由α相，Si相和β相所组成，在ZL101A合金的时效阶段中，溶入到α相基体中的β相能够形成弥散状的GPⅠ，GPⅡ以及β’过渡相，这些过渡相的晶格由于和α相基体存在一定的错配度，这种错配容易造成ZL101A合金的晶格产生一定的畸变，从而使得ZL101A合金的力学性能得到一定的强化，在ZL101A合金的时效中所存在的过渡相的数量越多，则ZL101A合金的力学性能确好，强度会明显的提高，同时ZL101A合金的延伸率则会下降，在ZL101A合金的热处理时，ZL101A合金中的过渡相会随着保温时间的升高和保温时间的延长而不断的增多，当其保温温度和时间超过一定的范围后，ZL101A合金的过渡相则会演变成弥散状的β相，β相和α相之间在晶格常数上有较大的差距，从而使得两向之间出现极为明显的界面，同时β相的存在会使得合金的力学性能的下降，应对塑形变形的能力降低。

1.4 ZL101A合金热处理工艺中时效时间对ZL101A合金力学性能的影响

ZL101A合金热处理过程中所形成的GPⅠ，GPⅡ以及β’过渡相都是不稳定相，通过在ZL101A合金升温并保温一定的时间后，ZL101A合金中所行的GPⅠ，GPⅡ以及β’过渡相等的不稳定相都会向着β相进行转变，从而使得ZL101A合金的强化效果大为下降，在ZL101A合金的热处理过程中，当实验温度在160℃时，ZL101A合金的强度将随着保温时间的不断延长而逐渐的提高，这一强度提升将在保温时间持续到11h时达到最高，而后则会随着时间的提升而逐渐降低，ZL101A合金的延伸率则总体呈现线性下降趋势.造成这一现象的最主要的原因是由于ZL101A合金在热处理过程中析出的GPⅠ，GPⅡ以及β’过渡相的数量在11h时达到最多，随着时间的延长，这些亚稳相将逐渐转变为稳定的β相，从而造成随着时间的不断延长ZL101A合金的强度在降低.当ZL101A合金处于180℃进行保温时，由于保温的温度较高，使得ZL101A合金会在较短的时间内析出较多的GPⅠ，GPⅡ以及β’的过渡相，并在保温9h后ZL101A合金即可达到最高的强度，当保温温度较高时，ZL101A合金所形成的亚稳相向β相的转变速率也较快，从而使得随着保温时间的延长，ZL101A合金中的亚稳相快速向β相进行转变，进而降低ZL101A合金的强度。在ZL101A合金中的时效处理中，过渡相的析出和稳定的β相的析出都会影响ZL101A合金的塑形性能。所以，当ZL101A合金在160℃和180℃进行保温时，ZL101A合金的延伸率都会随着保温时间的延长而不断的降低。同时，当时效温度较180℃更高时，ZL101A合金保温时析出的主要是稳定的β相，其间有很少量的过渡相，从而造成ZL101A合金在时效处理后其强度和延伸率都处于较低的水平，同时其力学性能还会随着保温时间的延长在不断的降低。ZL101A合金在180℃保温温度时随着时间的延长其力学性能的变化曲线如图1所示。

表1 ZL101A合金在不同时效制度下的金属的性能

图1 ZL101A合金在180℃保温条件下随时间延长的力学性能曲线

结语

通过对ZL101A合金进行时效实验后发现，ZL101A合金在170℃时且保温时间在9h～12h时能够达到较好的力学性能，ZL101A合金的强度能够达到330MPa以上，延伸率控制在10%以上.

参考文献

［1］袁成祺.铸造铝合金.镁合金标准手册［M］.北京：中国环境出版社，1994.

［2］顾跟大.电场作用下金属定向凝固行为的研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，1989.

［3］胡汉起.金属凝固原理［M］.北京：机械工业出版社，2000.

中图分类号：TG146

文献标识码：A