高速磁浮列车用Al-Mg-Si合金的停放效应及耐腐蚀性能研究

来源 :崔振杰 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zhouchaowenit
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Al-Mg-Si合金属于可热处理强化铝合金,由于其具有高的比强度、优异的成形性能和良好的焊接性能等优点被广泛应用于磁悬浮列车上。随着我国600 km/h的高速磁浮列车的发展,以6082为代表的Al-Mg-Si合金逐步拓展应用在服役环境恶劣的悬浮架等关键部件,因此对其力学性能和耐蚀性能提出了更高的要求。对于Al-Mg-Si合金,不可避免的自然时效往往会使合金的人工时效峰值强度损失20%~30%,发生严重的停放效应,并且对合金的耐腐蚀性能产生显著的影响。因此,本文系统研究了 Mg/Si、Mn含量以及时效制度对合金停放效应及耐腐蚀性能的影响,阐明了合金中的时效析出行为,获得了控制合金停放效应的方法,并开展了工业规模部件的制备,为开发综合性能优异的高速磁浮列车悬浮架用Al-Mg-Si合金提供理论依据。主要的研究内容和结论如下:1.研究了自然时效对Al-Mg-Si合金人工时效析出强化行为的影响。结果表明:Al-Mg-Si合金人工时效峰值状态析出相包括团簇、GP区、β"和β’。析出相的强化效果满足:β">β’>GP区&团簇。随着自然时效时间的增加,人工时效峰值状态团簇和GP区数密度逐渐增加,使得合金强度增加;β"和β’数密度逐渐降低,引起合金强度的降低。人工时效峰值状态下,β"和β’减少引起的强度损失大于团簇和GP区增加引起的强度增量。因此,随着自然时效时间的增加,合金的人工时效峰值强度下降,从而产生停放效应。2.重点研究了 Mg/Si对Al-Mg-Si合金停放效应的影响机制。结果表明:Al-Mg-Si 合金的停放效应随 Mg/Si 的降低得到缓解,当 Mg/Si 降低至~0.7 时,合金的停放效应被完全消除。其原因是高Mg/Si的合金在自然时效过程中会形成富Mg团簇,这些团簇稳定性较差,在人工时效初期部分发生溶解,造成未溶解析出相的优先生长而形成粗大的β’。随着自然时效时间的增加,合金中析出的富Mg团簇增加,人工时效期间形成的粗大β’的比例增加,导致合金强度显著下降,发生严重的停放效应。随着Al-Mg-Si合金Mg/Si的降低,人工时效峰值状态所形成的β’的占比逐渐减小。当Mg/Si降低至~0.7时,经过一定时间的自然时效,合金中会析出大量具有较高热稳定性的富Si团簇,其在人工时效初期不溶解,可直接作为β"的形核质点,使人工时效峰值状态合金析出高数密度、细小的β",从而维持了合金的高强度并使停放效应被完全消除。3.开展了不同Mn含量对Al-Mg-Si合金停放效应影响的研究工作。结果表明:Mn对Al-Mg-Si停放效应的影响主要归因于合金在均匀化过程中α-Al(Mn,Fe)Si相的析出行为。合金在均匀化过程中形成的α-Al(Mn,Fe)Si会消耗合金基体中的Si原子,从而使得低Mn合金相对于高Mn合金在基体中营造了一个相对富Si的环境。相对富Si的基体环境使低Mn合金在自然时效过程中形成了相比高Mn合金更多的富Si团簇。这部分团簇的Mg/Si大小接近GP区,在人工时效初期具有较高热稳定性,可直接作为β"的形核质点,使低Mn的Al-Mg-Si合金中形成了相比高Mn的Al-Mg-Si合金更高数密度的细小β",从而具有更高的力学性能和更轻的停放效应。4.研究了 Mg/Si影响不同停放状态Al-Mg-Si合金耐腐蚀性能的机制。结果表明:无自然时效状态,Al-Mg-Si合金中充足的Mg促进了晶界析出相的粗化长大,充足的Si促进了晶界析出相的形核,二者均会使晶界析出相连续分布并形成宽的无沉淀析出带,从而造成高Mg/Si和低Mg/Si的Al-Mg-Si合金耐晶间腐蚀和耐应力腐蚀性能较差。长时间自然时效状态,高Mg/Si合金中晶内析出相形核数量少,对溶质原子的竞争能力低,使晶界析出相更加粗大连续,耐腐蚀性能变差;低Mg/Si合金中晶内形成了大量稳定的形核质点,在人工时效初始阶段具有极强的溶质原子竞争力,使得晶界处析出相的形核数量减少,离散分布,抑制了晶界析出相的粗化,从而使合金的耐腐蚀性能得到显著提高。5.针对人工时效峰值状态合金,综合考虑力学性能和耐腐蚀性能,将Al-Mg-Si 合金的成分优化控制在 Si:0.9 wt.%~1.3 wt.%,Mg:0.6 wt.%~1.0 wt.%,Mn:0.4 wt.%~0.7 wt.%。优化后的工业化Al-Mg-Si合金部件的各项力学性能及耐蚀性能均满足磁浮列车悬浮架的要求。
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