简介概要

喷射沉积-轧制工艺制备的FVS0812薄板的高温组织和力学性能

来源期刊：中国有色金属学报2004年第8期

论文作者：詹美燕陈振华夏伟军

文章页码：1348 - 1352

关键词：喷射沉积；耐热铝合金；组织；性能

Key words：spray deposition; heat-resistant aluminium alloy; microstructure; properties

摘要：用喷射沉积-轧制工艺制备了FVS0812耐热铝合金薄板，研究了该板材在高温下的组织与性能。实验表明，板材具有优异的高温力学性能和热稳定性，可归因于基体上弥散分布的纳米尺寸的Al₁₂(Fe, V)₃Si相。 FVS0812合金在200~300℃温区内延性降低，是铁原子扩散而造成的动态应变时效（DSA）的结果。较高温度下板材的拉伸断口呈晶间断裂，可能是由于DSA效应中铁原子和Al₁₂(Fe, V)₃Si扩散到晶界而造成的晶界弱化的结果。

Abstract: The FVS0812 heat-resistant aluminium alloy sheets were produced by spray-deposition and rolling process. The high temperature hardness, microstructure and mechanical properties were studied. The results reveal that the attractive elevated temperature mechanical properties of FVS0812 alloy are attributed to the ultrafine dispersed Al₁₂(Fe, V)₃Si. DSA was observed at a temperature ranged from 200℃ to 300℃ which was demonstrated via a drop in the tensile elongation. The fractographs of FVS0812 at elevated temperature are characterized by intergranular fracture possibly owing to the decrease of strength in grain boundary caused by DSA and the gathering of Al₁₂(Fe, V)₃Si.

中国有色金属学报 2004,(08),1348-1352 DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2004.08.016

喷射沉积-轧制工艺制备的FVS0812薄板的高温组织和力学性能

陈振华夏伟军

湖南大学材料科学与工程学院,湖南大学材料科学与工程学院,湖南大学材料科学与工程学院长沙410082 ,长沙410082 ,长沙410082

摘要：

用喷射沉积轧制工艺制备了FVS0812耐热铝合金薄板, 研究了该板材在高温下的组织与性能。实验表明, 板材具有优异的高温力学性能和热稳定性, 可归因于基体上弥散分布的纳米尺寸的Al12 (Fe, V) 3Si相。FVS0812合金在200～300℃温区内延性降低, 是铁原子扩散而造成的动态应变时效 (DSA) 的结果。较高温度下板材的拉伸断口呈晶间断裂, 可能是由于DSA效应中铁原子和Al12 (Fe, V) 3Si扩散到晶界而造成的晶界弱化的结果。

关键词：

喷射沉积;耐热铝合金;组织;性能;

中图分类号： TB335

作者简介：陈振华, 教授, 博士;电话:07318821648;E mail:chenzhenhua@hotmail.com;

收稿日期：2003-11-12

Microstructure and properties of spray-deposited heat-resistant FVS0812 aluminum alloy at high temperature

Abstract：

The FVS0812 heat-resistant aluminium alloy sheets were produced by spray-deposition and rolling process. The high temperature hardness, microstructure and mechanical properties were studied. The results reveal that the attractive elevated temperature mechanical properties of FVS0812 alloy are attributed to the ultrafine dispersed Al₁₂ (Fe, V) ₃Si. DSA was observed at a temperature ranged from 200 ℃ to 300 ℃ which was demonstrated via a drop in the tensile elongation. The fractographs of FVS0812 at elevated temperature are characterized by intergranular fracture possibly owing to the decrease of strength in grain boundary caused by DSA and the gathering of Al₁₂ (Fe, V) ₃Si.

Keyword：

spray deposition; heat-resistant aluminium alloy; microstructure; properties;

Received： 2003-11-12

传统高温高强铝合金 (2000系、 7000系) 使用温度不能高于190 ℃, 温度更高时会出现相变及晶粒粗化现象。应用快速凝固技术开发的一系列耐热铝合金在300 ℃以上还具有较好的力学性能 ^[1,2,3,4,5] , 这是因为用快速凝固技术制备耐热铝合金, 可以使溶质原子在铝基体中的固溶度大大提高, 具有一定的过饱和度。虽然过饱和度与合金元素的含量相比较小, 但是它可以通过动态应变时效 (DSA) 影响合金的力学行为 ^{[4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14]} , 尤其是中温区的力学行为, 从而导致了材料变形特性的改变, 如动态应变时效降低了材料在中温区的拉伸延性, 中温区的范围有赖于固溶元素和应变速率。耐热铝合金FVS0812将被应用于航空航天领域, 因此研究分析其高温性能及成形性具有重要意义。

本文作者采用喷射沉积-直接轧制成形工艺制备了FVS0812耐热铝合金薄板, 研究了该材料的高温力学性能, 以期为材料的塑性加工与成形提供一定的理论基础。

1 实验

采用喷射沉积技术制备了8009耐热铝合金板坯 ^[15] , 合金化学成分 (质量分数, %) 为: 8.5Fe, 1.3V, 1.7Si , 余为Al。板坯采用包套轧制、交叉轧制工艺直接轧得1.2 mm薄板。薄板沿轧制纵向和轧制横向取试样, 分别按GB/6397-86和GB/4338-84线切割制备室温和高温力学性能拉伸试样, 标距L₀=25 mm。高温拉伸分别在100、 150、 200、 250、 300、 350、 400、 450 ℃保温10 min后进行, 拉伸速度为3.3×10^-4 s^-1。在WDW-E200型电子拉伸机上进行拉伸实验。对成品薄板进行退火处理。退火试样在HBRVU-187.5型布洛维光学硬度计上测试硬度, 用XJL-03型金相显微镜及JEOL JSM-5600LV型扫描电镜观察退火前后的组织变化。

2 结果与讨论

2.1 8009薄板的室温组织与性能

轧制纵向与横向的室温力学性能见表1。由于采用反复交叉轧制, 板材纵向与横向的力学性能相近, 板材的各向异性不明显。薄板优良的室温力学性能来源于其细小的晶粒和大量均匀分布在基体上的球状纳米弥散相。板材显微组织如图1所示, 可见板材中的细小球状第二相Al₁₂ (Fe, V) ₃Si均匀分布在晶内与晶界处, 尺寸为 30～70 nm左右, 密集处的Al₁₂ (Fe, V) ₃Si相互接触 ^[6] 。

表1 薄板的室温力学性能

Table 1 Mechanical properties ofFVS0812 sheet at room temperature

Direction	σ_s/MPa	σ_b/MPa	δ/%	E/GPa
Longitudinal	307	415	14.4	85
Transverse	301	406	12.0	79

图1 薄板的显微组织

Fig.1 Microstructure of sheet

2.2高温退火对薄板组织与性能的影响

退火温度和时间对FVS0812薄板硬度的影响如图2所示。

由图2可见, 本实验制备的FVS 0812耐热铝合金薄板具有优越的热稳定性, 在540 ℃、 100 h退火后硬度值下降不大。这可归因于基体上弥散分布的大量的纳米尺寸Al₁₂ (Fe, V) ₃Si第二相, 该相热稳定性高, 在高温下粗化速率慢 (～10^-27 m³/h) ^[4] , 而且能有效阻碍位错运动, 阻止基体晶粒的长大和再结晶。只有当退火温度达到600 ℃、保温2 h时, 材料的硬度才有明显下降, 此时材料的微观组织如图3所示。由图3可见, 600 ℃、 2 h退火后基体内细小的球状第二相已经转变为粗大的针状、片状相, 能谱测定为Al₁₃Fe₄。

图2 退火温度和时间对FVS0812薄板硬度的影响

Fig.2 Room temperature hardness after annealed at: (a) different temperatures for 2 h; (b) 540 ℃ for different durations; (c) 600 ℃ for different durations

图3 薄板经600 ℃、 2 h退火后的SEM形貌

Fig.3 SEM image of sheet after annealed at 600 ℃ for 2 h

2.3 薄板的高温力学性能

薄板在不同温度下的应力—位移曲线如图4所示。由图4可见, 250 ℃的应力—位移曲线屈服之前的部分变形抗力比200 ℃的要大。温度对薄板屈服强度、断裂强度和断裂延伸率的影响如图5所示。由图5可见, FVS0812薄板的屈服强度与抗拉强度随着温度的升高而降低, 值得注意的是其断裂延伸率则在250 ℃左右出现最小值, 与室温断裂延伸率相比下降了60%左右。许多文献把这一现象归因于动态应变时效 (DSA) 。

图4 不同温度下FVS0812薄板的拉伸曲线 ( ε˙=3.3×10-4s-1)

Fig.4 Stress—strain curves of FVS0812 sheet at different temperatures with strain rate of 3.3×10^-4 s^-1

图5 不同温度下FVS0812薄板屈服应力、断裂强度 (a) 和断裂延性 (b) 与温度的关系

Fig.5 Ultimate tensile strength and yield strength (a) and fracture elongation (b) of FVS0812 versus testing temperature

DSA现象在大多数商业铝合金中是一种普遍现象, 主要是由于基体中出现了快速扩散溶质原子 (如硅、镁) 。通常DSA在许多商业铝合金中出现在室温或室温以下附近的温度范围 ^[4,5] , 如6061 (T6) 在-173 ℃～127 ℃范围出现DSA现象。文献 [ 4] 是这样来解释DSA的微观机制的: 位错由于热激活而通过局部障碍物聚集区域 (如小的弥散相、位错林) 的运动过程, 有一个等待时间t_w。在等待时间内, 溶质原子扩散到位错中去, 增加了障碍物的强度。因此, 随着等待时间的增加, 障碍物的强度越来越大, 导致了在流动应力值上出现了一个与热作用相反的被激活的时效作用。由于这种效应基于扩散, 因此温度上升 (溶质扩散更快) 将使合金的流动应力σ_f增加, 使σ—T曲线出现凸形, 这种作用随着温度的升高、应变速率的下降而增强。对于高温耐热铝合金来说, 由于引进了在固溶状态下扩散速率很慢的合金元素铁, 以阻止析出相的快速长大, 因此DSA现象会在更高的温度下才表现出来, 并且会由于RS过程中溶质固溶解度的增加而加强。当温度足够高以后, 溶质的扩散速度足够快, 则DSA不再发生。

DSA被认为是溶质气团与运动位错之间的相互作用, 增强了DSA温区材料的强度, 并且影响了应变硬化速率, 导致局部塑性不稳定使延性下降。 DSA对延性的影响大小有赖于被溶质气团锁定的运动位错的数目, 溶质气团由固溶状态溶质的量所控制。对于大多数合金, 由于固溶度小, 这个因素的影响相对较小, 但FVS0812中固溶态铁的含量很高, 因此DSA效应更大。

2.4 拉伸断口分析

不同温度下的拉伸断口形貌如图6所示。室温及100 ℃下的拉伸断口呈明显的近圆形韧窝, 材料属延性断裂。当拉伸温度大于250 ℃后的断口则是典型的晶间断裂, 可以认为由于DSA效应而造成的晶界弱化是晶间断裂的原因。铁元素在较高的温度下, 扩散速度增加, 从而使其在晶界的浓度增加, 降低了晶界的断裂强度。另外, 可以从图6 (e) 中发现, 在更高的拉伸温度时, 弥散分布的Al₁₂ (Fe, V) ₃Si第二相粒子会向晶界扩散, 这可能也是造成晶界弱化的一个因素。