專利名稱：一種加入鈦提高鋁銅錳合金熱疲勞性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鋁銅合金技術(shù)領(lǐng)域，特指一種加入鈦提高鋁銅錳合金熱疲勞性能的方 法。
背景技術(shù)：
關(guān)于疲勞的分類有多種方法，根據(jù)在疲勞過(guò)程中塑性應(yīng)變和彈性應(yīng)變所起的作用 大小，可將疲勞分為應(yīng)力疲勞和應(yīng)變疲勞；根據(jù)疲勞所經(jīng)歷失效循環(huán)周次的長(zhǎng)短，可將疲勞 分為高周疲勞和低周疲勞；根據(jù)工作的環(huán)境，疲勞又可分為高溫疲勞、常溫疲勞和低溫疲勞寸寸。所謂熱疲勞，是指材料經(jīng)受溫度變化時(shí)，因其自由膨脹、收縮受到了約束而產(chǎn)生循 環(huán)應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)變，最終導(dǎo)致龜裂而破壞的現(xiàn)象。熱疲勞裂紋的擴(kuò)展與熱疲勞裂紋的萌生 一樣，反映了材料抵抗熱疲勞破壞的能力。有些材料盡管裂紋萌生壽命較長(zhǎng)，但因其裂紋擴(kuò) 展速率快，材料也會(huì)很快失效；而有些材料盡管裂紋較早萌生，但由于裂紋擴(kuò)展緩慢，甚至 停止擴(kuò)展，其實(shí)際使用壽命也較長(zhǎng)。材料在實(shí)際使用過(guò)程中，其使用壽命更大程度取決于熱 疲勞裂紋的擴(kuò)展壽命，因此對(duì)熱疲勞裂紋擴(kuò)展的研究具有實(shí)際意義。元素對(duì)熱疲勞性能的影響取決于其存在狀態(tài)。合金元素形成的化合物，其類型、尺 寸、形狀、數(shù)量和熱穩(wěn)定性與熱疲勞抗力密切相關(guān)。一些零散的分布于各資料中的信息表 明，人們對(duì)熱疲勞過(guò)程中合金元素的影響研究的并不系統(tǒng)?？偟膩?lái)說(shuō)，W、Cr、M0、V、Ti、Mn、 RE等合金元素含量在一定范圍內(nèi)時(shí)有利于提高材料的熱疲勞抗力，反之有害。多年來(lái)，為改善合金力學(xué)性能，普遍添加鋁鈦或鋁鈦硼中間合金細(xì)化鋁銅合金 晶粒。通常，在Al-Cu-Mn-Ti合金系列中，在改善機(jī)械性能方面，Ti的成份范圍為0. 1 0. 5%，什么樣的加入量可以即提高合金機(jī)械性能，又提高熱疲勞性能的效果呢？這方面國(guó) 內(nèi)外還沒(méi)有系統(tǒng)的研究。針對(duì)這一問(wèn)題，本發(fā)明開發(fā)了一種加入鈦提高鋁銅錳合金熱疲勞 性能的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種加入鈦提高鋁銅錳合金熱疲勞性能的方法。其特征在 于選取合金化學(xué)成分為(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Cu4. 5%，MnO.4%，TiO. 2-0. 5%，其余為Al。合金 在坩堝電阻爐中熔煉，爐溫采用熱電偶測(cè)定，熔煉時(shí)，在坩堝中依次放入鋁、銅、鋁錳中間合 金、鋁鈦中間合金，加熱至熔化，除氣精煉，約5分鐘后扒渣，然后澆注，空冷后制取熱疲勞 試樣。熱疲勞試樣規(guī)格為40 X 10 X 5mm，是有預(yù)制裂紋的缺口試樣，缺口長(zhǎng)3mm，試樣形狀及 尺寸如圖1所示。試驗(yàn)前，用砂紙磨去試樣表面機(jī)械加工痕跡并拋光，以消除試樣表面因素 對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。采用電阻爐加熱自約束熱疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行熱疲勞試驗(yàn)，板狀試樣裝卡在立方卡具 的四個(gè)側(cè)面，保證每塊試樣的加熱與冷卻位置一致，通過(guò)傳動(dòng)裝置上下垂直運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到 試樣加熱以及冷卻的自動(dòng)化完成。采用設(shè)時(shí)自控，熱電偶測(cè)量并控制溫度，試樣在水溫25°C至加熱300°C之間進(jìn)行冷熱循環(huán)，采用計(jì)數(shù)器進(jìn)行自動(dòng)計(jì)數(shù)。從圖2中，可以看出各試樣在冷熱循環(huán)3000次時(shí)，微裂紋已經(jīng)開始萌生，加Ti 0. 2%試樣的微裂紋很明顯，且出現(xiàn)了氧化跡象，而加TiO. 35%的試樣只是在預(yù)制裂紋根部 看到細(xì)小的微裂紋。對(duì)比各試樣的微裂紋可以發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)歷冷熱循環(huán)3000次時(shí)，各試樣的 裂紋都已經(jīng)開始萌生，但是擴(kuò)展的速率都很緩慢，相比較而言加TiO. 5%試樣擴(kuò)展速率最 快，加TiO. 35%最慢。由表1更能反映出這一結(jié)論。如圖3所示，當(dāng)冷熱循環(huán)次數(shù)達(dá)到5000次時(shí)，可以看到，試樣的熱疲勞裂紋在長(zhǎng) 度、寬度及深度等方面繼續(xù)發(fā)展。裂紋變得更加粗大清晰，加Ti 0.2%和加TiO. 5%的裂紋 變得更加粗大，裂紋尖端的分枝繼續(xù)擇優(yōu)擴(kuò)展，且裂紋的縫隙內(nèi)出現(xiàn)氧化跡象的擴(kuò)展速度 較快。加Ti 0. 35%主裂紋形成可擴(kuò)展裂紋，且較為均衡的擴(kuò)展，其附近出現(xiàn)一些不連續(xù)、不 規(guī)則的微裂紋，主裂紋相對(duì)其他組織擴(kuò)展較慢。比較每種組織的裂紋，發(fā)現(xiàn)加TiO. 2%和加 TiO. 5%的最長(zhǎng)且最粗，加TiO. 35%的最短且最細(xì)。由表1更能反映出這一結(jié)論。上述鋁銅錳鈦合金中，鈦的加入量可優(yōu)選為Ti 0.35%。


圖1熱疲勞試樣示意2熱疲勞裂紋形貌(冷熱循環(huán)3000次)a、Ti 0. 2% ；b、Ti 0. 35% ；c、Ti 0. 5%圖3熱疲勞裂紋形貌(冷熱循環(huán)5000次)a、TiO. 2% ；b、TiO. 35% ；c、TiO. 5%
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1選取合金化學(xué)成分為(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Cu4. 5%，Mn0.4%，Ti0. 2%，其余為Al。合金 在坩堝電阻爐中熔煉，爐溫采用熱電偶測(cè)定，熔煉時(shí)，在坩堝中依次放入鋁、銅、鋁錳中間合 金、鋁鈦中間合金，加熱至熔化，除氣精煉，約5分鐘后扒渣，然后澆注，空冷后制取熱疲勞 試樣。熱疲勞試樣規(guī)格為40 X 10 X 5mm，是有預(yù)制裂紋的缺口試樣，缺口長(zhǎng)3mm，試樣形狀及 尺寸如圖1所示。試驗(yàn)前，用砂紙磨去試樣表面機(jī)械加工痕跡并拋光，以消除試樣表面因素 對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。采用電阻爐加熱自約束熱疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行熱疲勞試驗(yàn)，板狀試樣裝卡在立方卡具 的四個(gè)側(cè)面，保證每塊試樣的加熱與冷卻位置一致，通過(guò)傳動(dòng)裝置上下垂直運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到 試樣加熱以及冷卻的自動(dòng)化完成。采用設(shè)時(shí)自控，熱電偶測(cè)量并控制溫度，試樣在水溫25°C 至加熱300°C之間進(jìn)行冷熱循環(huán)，采用計(jì)數(shù)器進(jìn)行自動(dòng)計(jì)數(shù)。由圖2、圖3可見(jiàn)，加入TiO. 2%的熱疲勞裂紋長(zhǎng)且粗，由表1可見(jiàn)，加入Ti 0.2% 時(shí)，冷熱循環(huán)5000次時(shí)合金熱疲勞裂紋擴(kuò)展達(dá)到22. 82mm。實(shí)施例2 選取合金化學(xué)成分為(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Cu4. 5 %，MnO. 4 %，TiO. 35 %，其余為Al。合 金在坩堝電阻爐中熔煉，爐溫采用熱電偶測(cè)定，熔煉時(shí)，在坩堝中依次放入鋁、銅、鋁錳中間 合金、鋁鈦中間合金，加熱至熔化，除氣精煉，約5分鐘后扒渣，然后澆注，空冷后制取熱疲勞試樣。熱疲勞試樣規(guī)格為40 X 10 X 5mm，是有預(yù)制裂紋的缺口試樣，缺口長(zhǎng)3mm，試樣形狀 及尺寸如圖1所示。試驗(yàn)前，用砂紙磨去試樣表面機(jī)械加工痕跡并拋光，以消除試樣表面因 素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。采用電阻爐加熱自約束熱疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行熱疲勞試驗(yàn)，板狀試樣裝卡在立方卡具 的四個(gè)側(cè)面，保證每塊試樣的加熱與冷卻位置一致，通過(guò)傳動(dòng)裝置上下垂直運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到 試樣加熱以及冷卻的自動(dòng)化完成。采用設(shè)時(shí)自控，熱電偶測(cè)量并控制溫度，試樣在水溫25°C 至加熱300°C之間進(jìn)行冷熱循環(huán)，采用計(jì)數(shù)器進(jìn)行自動(dòng)計(jì)數(shù)。由圖2、圖3可見(jiàn)，加入Ti 0.35%的熱疲勞裂紋短而細(xì)，由表1可見(jiàn)，加入Ti 0. 35%時(shí)，冷熱循環(huán)5000次時(shí)合金熱疲勞裂紋擴(kuò)展達(dá)到15. 15mm。實(shí)施例3選取合金化學(xué)成分為(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Cu4. 5%，Mn0.4%，Ti0. 5%，其余為Al。合金 在坩堝電阻爐中熔煉，爐溫采用熱電偶測(cè)定，熔煉時(shí)，在坩堝中依次放入鋁、銅、鋁錳中間合 金、鋁鈦中間合金，加熱至熔化，除氣精煉，約5分鐘后扒渣，然后澆注，空冷后制取熱疲勞 試樣。熱疲勞試樣規(guī)格為40 X 10 X 5mm，是有預(yù)制裂紋的缺口試樣，缺口長(zhǎng)3mm，試樣形狀及 尺寸如圖1所示。試驗(yàn)前，用砂紙磨去試樣表面機(jī)械加工痕跡并拋光，以消除試樣表面因素 對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。采用電阻爐加熱自約束熱疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行熱疲勞試驗(yàn)，板狀試樣裝卡在立方卡具 的四個(gè)側(cè)面，保證每塊試樣的加熱與冷卻位置一致，通過(guò)傳動(dòng)裝置上下垂直運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到 試樣加熱以及冷卻的自動(dòng)化完成。采用設(shè)時(shí)自控，熱電偶測(cè)量并控制溫度，試樣在水溫25°C 至加熱300°C之間進(jìn)行冷熱循環(huán)，采用計(jì)數(shù)器進(jìn)行自動(dòng)計(jì)數(shù)。由圖2、圖3可見(jiàn)，加入TiO. 5%的熱疲勞裂紋長(zhǎng)且粗，由表1可見(jiàn)，加入Ti 0.5% 時(shí)，冷熱循環(huán)5000次時(shí)合金熱疲勞裂紋擴(kuò)展達(dá)到28. 06mm。表1熱疲勞裂紋擴(kuò)展數(shù)據(jù)(mm)
權(quán)利要求
一種加入鈦提高鋁銅錳合金熱疲勞性能的方法，其特征在于選取合金化學(xué)成分為(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Cu4.5％，Mn0.4％，Ti0.2 0.5％，其余為Al；合金在坩堝電阻爐中熔煉，爐溫采用熱電偶測(cè)定，熔煉時(shí)，在坩堝中依次放入鋁、銅、鋁錳中間合金、鋁鈦中間合金，加熱至熔化，除氣精煉，約5分鐘后扒渣，然后澆注，空冷后制取熱疲勞試樣；熱疲勞試樣規(guī)格為40×10×5mm，是有預(yù)制裂紋的缺口試樣，缺口長(zhǎng)3mm；試驗(yàn)前，用砂紙磨去試樣表面機(jī)械加工痕跡并拋光，以消除試樣表面因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種加入鈦提高鋁銅錳合金熱疲勞性能的方法，采用電阻爐 加熱自約束熱疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行熱疲勞試驗(yàn)，板狀試樣裝卡在立方卡具的四個(gè)側(cè)面，保證每 塊試樣的加熱與冷卻位置一致，通過(guò)傳動(dòng)裝置上下垂直運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到試樣加熱以及冷卻 的自動(dòng)化完成；采用設(shè)時(shí)自控，熱電偶測(cè)量并控制溫度，試樣在水溫25°C至加熱300°C之間 進(jìn)行冷熱循環(huán)，采用計(jì)數(shù)器進(jìn)行自動(dòng)計(jì)數(shù)；當(dāng)冷熱循環(huán)次數(shù)達(dá)到5000次時(shí)，比較每種組織 的裂紋，發(fā)現(xiàn)加TiO. 2%和加TiO. 5%的最長(zhǎng)且最粗，加TiO. 35%的最短且最細(xì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種加入鈦提高鋁銅錳合金熱疲勞性能的方法，鈦的加入量 可優(yōu)選為0. 35%。
全文摘要
一種加入鈦提高鋁銅錳合金熱疲勞性能的方法，屬于鋁銅合金技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于選取合金化學(xué)成分為(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Cu4.5％，Mn0.4％，Ti0.2-0.5％，其余為Al。合金在坩堝電阻爐中熔煉，爐溫采用熱電偶測(cè)定，熔煉時(shí)，在坩堝中依次放入鋁、銅、鋁錳中間合金、鋁鈦中間合金，加熱至熔化，除氣精煉，約5分鐘后扒渣，然后澆注，空冷后制取熱疲勞試樣。熱疲勞試樣規(guī)格為40×10×5mm，是有預(yù)制裂紋的缺口試樣，缺口長(zhǎng)3mm。采用電阻爐加熱自約束熱疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行熱疲勞試驗(yàn)，設(shè)時(shí)自控，熱電偶測(cè)量并控制溫度，試樣在水溫25℃至加熱300℃之間進(jìn)行冷熱循環(huán)，采用計(jì)數(shù)器進(jìn)行自動(dòng)計(jì)數(shù)。
文檔編號(hào)C22C21/12GK101956109SQ20101050905
公開日2011年1月26日 申請(qǐng)日期2010年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月15日
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