CMT电弧增材制造2319铝合金组织及力学性能调控

来源 :南昌航空大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:sunyiyuki
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2219铝合金属于2XXX(Al-Cu)系合金,其特点是强度高,因此通常称为硬铝合金,广泛应用于航空、航天领域航天火箭焊接氧化剂槽与燃料槽,超音速飞机蒙皮与结构材料。ER2319铝合金是专门用于焊接Al-Cu合金的焊条和填充焊料,其成分与2219铝合金相同。得益于2219铝合金广泛的应用领域,其增材制造技术成为研究热点。但若采用主流的激光增材制造技术,由于反射率高铝合金会发生球化结晶,致使冶金结合不良。以电弧为热源避免了高反射率问题,成形效率高,在铝合金制造领域优势显著。CMT(Cold Metal Transfer)技术作为一种新型焊接工艺,热输入量小、飞溅少等工艺特点,非常适合铝合金等低熔点金属的增材制造。本文在完成CMT电弧增材制造2319铝合金的成形工艺研究、组织性能表征之后,初步揭示其微观组织演变规律,制定适用于沉积态2319铝合金的热处理工艺,优化析出强化效果以实现峰值时效。引入超声振动以细化晶粒,控制气孔缺陷,从而改善沉积态2319铝合金的力学性能,使其综合力学性能接近传统制造方法。主要研究内容和结果如下:沉积态2319铝合金的显微组织非均匀分布,顶部圆弧区分布了大量枝晶,点状和棒状共晶组织(α-Al+Cu Al2)断续分布,中下部熔宽稳定区枝晶逐步向等轴晶过渡,网状共晶组织连续分布,而底部区域存在少量柱状晶。沉积态2319铝合金不同区域组织特征各异,但呈现出规律性的晶粒形貌演化过程,形成了晶粒沿沉积高度方向生长的一致性。Cu元素固溶于Al基体中或以Cu Al2的形式存在,不同成形参数下合金的组织差异较小。此状态下沉积态2319铝合金拉伸性能无各向异性,抗拉强度和屈服强度分别可达277MPa和119MPa,延伸率在13%左右。拉伸断口上分布了大量等轴韧窝,断裂机制为韧性断裂。针对沉积态2319铝合金进行了热处理工艺研究。结果表明沉积态2319铝合金经(固溶:535℃,60min+时效:175℃,3h)热处理后硬度和强度显著提高。通过分析实现热处理组织、性能优化的关键因素,探究了回归再时效处理对沉积态2319铝合金的工艺适应性,明确了影响合金强度的关键组织特征,探索了回归再时效处理状态下合金的时效峰点。结果表明再时效11h时合金基体内的存在大量弥散分布的θ″和孤立分布的θ’相,晶界无析出带宽度较窄,使合金的强度达到峰值,抗拉强度和屈服强度分别达到394MPa、266MPa,延伸率为8.1%。因此,采用固溶时效处理和回归再时效处理结合的热处理制度可使沉积态2319铝合金的综合力学性能优于2219T4态变形铝合金,已接近2219T6态变形铝合金。引入超声振动后,沉积态2319铝合金晶粒细化明显,平均晶粒直径由147.20μm减小至71.06μm,细化了48%。沉积态中少量分布的粗大柱状晶在引入超声振动后被抑制,微观组织由细小等轴晶和等轴枝晶组成,组织的均匀性得到改善。另外,超声振动具有良好的除气效果,可以有效减少沉积态2319铝合金的气孔数量、降低气孔平均直径。引入超声振动后气孔数量可减少79%,基本消除了70μm以上的气孔。力学性能方面,引入超声振动后,2319铝合金的抗拉强度和屈服强度均有小幅提高,分别比沉积态提高了3.4%和6%。延伸率略有下降。拉伸性能各向同性特征更加显著。
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