中强可焊铝镁钪合金制备及其相关基础研究

摘要

在工业化生产条件下，采用半连续铸造、热轧、冷轧和稳定化处理技术制备了厚度为2.0mm、宽度为1200mm的铝镁钪合金板材。采用热加工模拟、热塑性、硬度和电导率测试方法，室温拉伸、金相和电子显微分析方法研究了铝镁钪合金在不同均匀化处理、不同热加工工艺和稳定化处理工艺条件下的力学性能、腐蚀性能和显微组织结构及其变化。在此基础上，还研制成功了铝镁钪合金板材配用焊丝和研究了合金成品板材的焊接性能。论文研究获得以下主要结论： (1)铝镁钪合金的成分范围为Al-(5.5～6.5)Mg-(0.15～0.40)Mn-(0.2-0.4)Sc-(0.1～0.15)Zr-0.02Ti-0.0025Be，成分优化结果表明，Mg应当控制在中上限，取6.0％～6.2％，Mn应当控制在中限，取0.3％，Sc和Zr含量应当分别控制在0.25％和0.12％。 (2)Mn以Al-10％Mn中间合金的形式随铝锭一道加入，装在铝锭的上层；Sc以Al-2％Sc中间合金、Zr以Al-4％Zr中间合金的形式在铝锭熔化后熔体温度达到800℃以上时加入；Ti以块状Al-4％Ti和线状A1-5％Ti-1％B中间合金两种形式加入，其中块状A1-4％Ti中间合金在炉前取样分析前加入，线状Al-5％Ti-1％B中间合金则是在半连续铸造时通过专用送线机构加入到静止炉与铸造机之间的流槽熔体中。 (3)铝镁钪合金最佳精炼工艺由炉内熔体精炼净化和炉外在线精炼净化组成。炉外在线精炼净化需要在精炼净化装置中始终通入惰性气体，且保证气泡均匀细小。 (4)设计并改进了结晶器二次冷却水出水孔的角度，将原来的45°改为30°，可避免大规格铸锭冷隔和裂纹的产生。铝镁钪合金最佳的熔铸工艺参数如下： (5)半连续激冷铸造条件下生产的铝镁钪合金铸锭在均匀化过程中有类似于传统铝合金固溶后时效过程中的析出特性，即半连续急冷铸造过程中形成的过饱和同溶体会分解析出纳米级的Al3(Sc,Zr)相。 (6)铝镁钪合金铸锭均匀化的目的除了消除铸锭的宏观应力从而降低铸锭热轧过程中的变形抗力外，主要是调控过饱和固溶体分解析出Al3(Sc,Zr)的特性，使其均匀弥散分布在铝基固溶体基体上。 (7)综合考虑析出粒子的特性和适当降低铸锭热轧过程中的变形抗力以及热轧后板材的最终拉伸力学性能，铝镁钪合金铸锭均匀化的最佳工艺为300～350℃/8h。 (8)铝镁钪合金高温压缩变形时，应变速率的对数lnε和流变应力、lnσ、ln[sinh(ασ)]之间，ln[sinh(ασ)]和温度T的倒数l/T之间满足线性关系，说明该合金变形过程是一种类似于高温蠕变的热激活过程。 (9)随热塑性试验温度升高，铝镁钪合金高温瞬时强度降低，塑性升高，350℃～400℃铸锭合金变形抗力适中，热塑性较好，合宜的热轧温度为400℃～420℃。大生产条件下，应严格控制道次和道次变形量，开始轧制时道次压下量和轧制速度不宜过大，轧制变形量超过25％后，应逐渐加大道次压下量和提高轧制速度，使变形深透到整个轧件厚度。 (10)铝镁钪合金的再结晶温度比较高，合金可以在较高温度下进行稳定化退火处理。冷轧板材在200℃以下稳定化退火，腐蚀速率、剥落腐蚀反而增加和变差，200℃/1h稳定化退火后腐蚀速率最大、剥落腐蚀最严重；300℃/1h以上稳定化退火，腐蚀速率变小，剥落腐蚀性能由EB级逐步向N级和P级转化。综合考虑合金的力学性能和抗腐蚀性能，铝镁钪合金冷轧板材最佳稳定化退火处理工艺为300℃/1h。 (11)设计和制备了铝镁钪合金板材配用焊丝，这种焊丝与基材有很好的焊接相容性，焊接接头强度系数为85％，微量Sc、Zr对焊接接头的强化作用主要来源于两个方面，一是微量Sc、Zr对焊缝凝固组织的晶粒细化强化和含Sc、Zr化合物的析出强化，二是Al3(Sc、Zr)析出粒子的存在显著提高了成品板材在焊接热循环过程中的抗再结晶软化能力。 (12)研制的铝镁钪合金板材拉伸力学性能σb≥415MPa，σ0.2≥302MPa，δ5≥15％，剥落腐蚀性能达到P级，焊接接头强度系数≥0.85，全面达到项目攻关要求。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章文献综述

1.1铝镁系合金研究概况

1.2微量Sc、Zr在铝镁系合金中的作用

1.2.1 Al-Mg-Sc合金组织特征

1.2.2钪与铝镁系合金中元素的相互作用

1.2.3钪对铝合金组织与性能的影响

1.3铝镁系合金制备工艺

1.3.1高效熔体净化技术

1.3.2铝镁系合金铸造工艺

1.3.3铝镁系合金加工工艺

1.4铝镁系合金的热处理

1.4.1铸锭均匀化处理

1.4.2冷加工后的稳定化处理

1.5铝镁系合金焊接性能

1.6本论文研究的内容和目的

第2章材料制备与实验方法

2.1材料制备与实验研究方案

2.2合金成分设计与优化

2.2.1合金名义成分设计

2.2.1合金成分优化研究

2.3合金板材的制备

2.3.1合金熔铸工艺研究

2.3.2均匀化处理工艺研究

2.3.3热加工工艺研究

2.3.4冷轧板材稳定化处理工艺研究

2.4合金性能测试

2.4.1硬度测试

2.4.2室温拉伸力学性能测试

2.4.3剥落腐蚀测试

2.4.4合金电导率测试

2.4.5电化学腐蚀测试

2.5合金组织观察

2.5.1金相组织观察

2.5.2扫描电子显微镜观察

2.5.3透射电子显微组织观察

第3章复合微合金化成分设计及有效合金化技术研究

3.1合金成份对铝镁钪合金力学性能的影响

3.1.1主成分Mg的影响

3.1.2微量添加元素Mn、Sc、Zr的影响

3.2微量Mn、Sc、Zr、Ti的添加方式、添加工艺

3.2.1 Al-Mn、Al-Ti-B、Al-Sc、Al-Zr等中间合金特性

3.2.2微量Mn、Sc、Zr、Ti的添加方式、添加工艺

本章小结

第4章高效熔体净化和大规格铸锭冶金质量控制技术研究

4.1熔炼、精炼、净化除气工艺研究

4.1.1铝熔体精炼原理和方法

4.1.2铝熔体炉外精炼净化试验

4.1.3分析与讨论

4.2防止大生产条件下铝镁钪合金铸锭表面裂纹的研究

4.2.1铸造温度的确定

4.2.2铸造速度的确定

4.2.3冷却速度的确定

4.2.4有效结晶区高度的控制

本章小结

第5章铸锭均匀化处理研究

5.1均匀化处理对铸态合金力学性能的影响

5.1.1均匀化处理对铸态合金硬度的影响

5.1.2均匀化处理对铸态合金电导率的影响

5.1.3均匀化处理对热轧板材拉伸力学性能的影响

5.2均匀化处理对铸态合金显微组织的影响

5.2.1不同均匀化处理条件下合金的金相组织

5.2.2不同均匀化处理条件下合金透射电子显微组织

5.3分析与讨论

5.3.1含钪和锆的Al-Mg-Mn合金铸锭均匀化的特点

5.3.2均匀化处理过程中合金硬度变化的原因

5.3.3均匀化处理过程中电导率变化的原因

本章小结

第6章铝镁钪合金热加工特性和热加工工艺研究

6.1高温等温压缩变形流变力学特性研究

6.1.1高温等温压缩变形真应力-真应变曲线

6.1.2不同热加工模拟制度下的组织

6.2铸锭坯料热塑性研究

6.2.1铸锭坯料高温瞬时拉伸力学性能

6.2.2不同温度下合金的拉伸断口特征

6.2.3不同温度下合金的透射电子显微组织

6.3大生产条件下热轧工艺研究

6.3.1大生产条件下铝镁钪合金铸锭加热制度的确定

6.3.2大生产条件下铝镁钪合金道次加工率的确定

6.4分析与讨论

6.4.1变形温度对流变应力的影响

6.4.2应变速率对流变应力的影响

6.4.3合金高温塑性变形材料常数的求解

6.4.4铝镁钪合金合宜的热加工温度范围

6.4.5铝镁钪合金合宜的热加工道次和道次加工率

本章小结

第7章稳定化处理对铝镁钪合金组织和性能的影响

7.1稳定化处理对铝镁钪合金力学性能的影响

7.1.1对硬度的影响

7.1.2对板材拉伸力学性能的影响

7.2稳定化处理对铝镁钪合金腐蚀性能的影响

7.2.1对合金电化学性能的影响

7.2.2对铝镁钪合金剥落腐蚀性能的影响

7.3稳定化处理对铝镁钪合金显微组织的影响

7.4分析与讨论

7.4.1稳定化处理对合金力学性能的影响

7.4.2稳定化处理对合金腐蚀行为的影响

本章小结

第8章铝镁钪合金配用焊丝制备和板材焊接接头组织与性能

8.1配用焊丝制备

8.1.1配用焊丝成分设计

8.1.2焊丝制备

8.2焊接试验

8.3板材焊接接头组织与性能

8.3.1焊接接头组织与性能测试方法

8.3.2板材焊接接头硬度分布

8.3.3板材焊接接头拉伸力学性能

8.3.4板材焊接接头不同部位显微组织结构的变化

8.3.5焊接接头断口的SEM形貌

8.4分析与讨论

8.4.1钪对铝合金焊接接头组织的影响

8.4.2钪对铝合金焊接接头焊缝强度的影响

8.4.3钪对铝合金焊接接头热影响区组织与性能的影响

本章小结

第9章结论

参考文献

附录：攻读博士学位期间发表的学术论文及科研成果

致谢