CN104372219A

CN104372219A - 一种加入Ce提高AlCuMnTi合金热疲劳性能的方法

Info

Publication number: CN104372219A
Application number: CN201310358458.XA
Authority: CN
Inventors: 齐克尧; 司松海; 李晓薇; 刘光磊; 张志敏
Original assignee: Zhenjiang Yinuowei Shape Memory Alloys Co Ltd
Current assignee: Zhenjiang Yinuowei Shape Memory Alloys Co Ltd
Priority date: 2013-08-16
Filing date: 2013-08-16
Publication date: 2015-02-25

Abstract

一种加入Ce提高AlCuMnTi合金热疲劳性能的方法，属于铝铜合金技术领域，其特征在于：选取合金化学成分为(质量分数)：Cu4.5%，Mn0.4%，Ti0.35%，Ce0.1-0.6%，其余为Al。合金在坩埚电阻炉中熔炼，炉温采用热电偶测定，熔炼时，在坩埚中依次放入铝、铜、铝锰中间合金、铝钛中间合金、铝铈中间合金，加热至熔化，除气精炼，约5分钟后扒渣，然后浇注，空冷后制取热疲劳试样。热疲劳试样规格为40×20×5mm。采用电阻炉加热自约束热疲劳试验机进行热疲劳试验，设时自控，热电偶测量并控制温度，试样在水温25℃至加热300℃之间进行冷热循环，采用计数器进行自动计数。

Description

一种加入Ce提高AlCuMnTi合金热疲劳性能的方法

技术领域

本发明属于铝铜合金技术领域，特指一种加入Ce提高AlCuMnTi合金热疲劳性能的方法。

背景技术

所谓热疲劳，是指材料经受温度变化时，因其自由膨胀、收缩受到了约束而产生循环应力或循环应变，最终导致龟裂而破坏的现象。热疲劳裂纹的扩展与热疲劳裂纹的萌生一样，反映了材料抵抗热疲劳破坏的能力。有些材料尽管裂纹萌生寿命较长，但因其裂纹扩展速率快，材料也会很快失效；而有些材料尽管裂纹较早萌生，但由于裂纹扩展缓慢，甚至停止扩展，其实际使用寿命也较长。材料在实际使用过程中，其使用寿命更大程度取决于热疲劳裂纹的扩展寿命，因此对热疲劳裂纹扩展的研究具有实际意义。

热疲劳的影响因素可分为材料内部因素（化学成分、力学性能和热处理制度等）和材料服役的外部因素（服役温度、加热冷却速度、保持时间、外部环境等）。在特定的工况下，外部因素是一定的。因此，了解材料内部因素对热疲劳抗力的影响就可使材料的热疲劳抗力相应提高。

元素对热疲劳性能的影响取决于其存在状态。合金元素形成的化合物，其类型、尺寸、形状、数量和热稳定性与热疲劳抗力密切相关。一些零散的分布于各资料中的信息表明，人们对热疲劳过程中合金元素的影响的研究并不系统。总的来说，稀土、Ti、Mn、W、Cr、Mo、V等合金元素含量在一定范围内时有利于提高材料的热疲劳抗力，反之有害。

稀土元素在黑色金属中的应用，国内外在这方面已经做了大量工作，并且成熟的运用于钢铁工业中。在铸钢和铸铁中稀土的应用已十分广泛,但在铝合金中的应用还很少。近年来人们发现稀土能在铝合金中形成金属间化合物，使晶界强化，并提高合金的耐热性。加入什么稀土元素、什么样的加入量可以即提高合金机械性能，又提高热疲劳性能的效果呢？这方面国内外还没有系统的研究。针对这一问题，本发明开发了一种加入Ce提高AlCuMnTi合金热疲劳性能的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种加入Ce提高AlCuMnTi合金热疲劳性能的方法。其特征在于：选取合金化学成分为(质量分数)：Cu4.5%，Mn0.4%，Ti0.35%，Ce0.1-0.6%，其余为Al。合金在坩埚电阻炉中熔炼，炉温采用热电偶测定，熔炼时，在坩埚中依次放入铝、铜、铝锰中间合金、铝钛中间合金、铝铈中间合金，加热至熔化，除气精炼，约5分钟后扒渣，然后浇注，空冷后制取热疲劳试样。热疲劳试样规格为40×20×5mm，是有预制裂纹的缺口试样，缺口长3mm，试样形状及尺寸如图1所示。试验前，用砂纸磨去试样表面机械加工痕迹并抛光，以消除试样表面因素对试验结果的影响。

采用电阻炉加热自约束热疲劳试验机进行热疲劳试验，板状试样装卡在立方卡具的四个侧面，保证每块试样的加热与冷却位置一致，通过传动装置上下垂直运动，从而达到试样加热以及冷却的自动化完成。采用设时自控，热电偶测量并控制温度，试样在水温25℃至加热300℃之间进行冷热循环，采用计数器进行自动计数。

从图2和表1可以看出，冷热循环4000次时，裂纹已经开始萌生，但是扩展的速率都很缓慢，相比较而言，加入Ce 0.1%、 Ce 0.5%和Ce 0.6%扩展速率快，加入Ce 0.3%扩展速率慢。

从图3可见表1可以看出，当冷热循环次数达到6000次时，各试样的热疲劳裂纹在长度、宽度及深度等方面继续发展，裂纹变得更加粗大清晰。加入Ce 0.1% 、Ce 0.5%和Ce 0.6%的裂纹变得更加粗大，裂纹尖端的分枝继续扩展，且裂纹的缝隙内出现明显的氧化迹象。加入Ce 0.3%的主裂纹形成可扩展裂纹，且较为均衡的扩展，其附近出现一些不连续、不规则的微裂纹，主裂纹相对其他加入量的扩展较慢。比较每种组织的裂纹，发现加入Ce 0.1%、Ce 0.5%和Ce 0.6%的最长且最粗，加入Ce0.3%的最短而最细。

上述铝铜锰钛铈合金中，铈的加入量可优选为：Ce0.3%。

附图说明

图1 热疲劳试样示意图；

图2 热疲劳裂纹形貌（冷热循环4000次）

a、Ce 0.1% ；b、 Ce 0.3%；c、Ce 0.6% ；

图3 热疲劳裂纹形貌（冷热循环6000次）

a、Ce 0.1% ；b、Ce 0.3%；c、Ce 0.6% 。

具体实施方式

实施例1

选取合金化学成分为(质量分数)：Cu4.5%，Mn0.4%，Ti0.35%，Ce0.1%，其余为Al。合金在坩埚电阻炉中熔炼，炉温采用热电偶测定，熔炼时，在坩埚中依次放入铝、铜、铝锰中间合金、铝钛中间合金、铝铈中间合金，加热至熔化，除气精炼，约5分钟后扒渣，然后浇注，空冷后制取热疲劳试样。热疲劳试样规格为40×20×5mm，是有预制裂纹的缺口试样，缺口长3mm，试样形状及尺寸如图1所示。试验前，用砂纸磨去试样表面机械加工痕迹并抛光，以消除试样表面因素对试验结果的影响。

由图2、图3可见，加入Ce 0.1%的热疲劳裂纹长且粗，由表1可见，加入Ce0.1%时，冷热循环6000次时合金热疲劳裂纹扩展达到20.32mm。

实施例2

选取合金化学成分为(质量分数)：Cu4.5%，Mn0.4%，Ti0.35%，Ce0.3%，其余为Al。合金在坩埚电阻炉中熔炼，炉温采用热电偶测定，熔炼时，在坩埚中依次放入铝、铜、铝锰中间合金、铝钛中间合金、铝铈中间合金，加热至熔化，除气精炼，约5分钟后扒渣，然后浇注，空冷后制取热疲劳试样。热疲劳试样规格为40×20×5mm，是有预制裂纹的缺口试样，缺口长3mm，试样形状及尺寸如图1所示。试验前，用砂纸磨去试样表面机械加工痕迹并抛光，以消除试样表面因素对试验结果的影响。

由图2、图3可见，加入Ce 0.3%的热疲劳裂纹短而细，由表1可见，加入Ce0.3%时，冷热循环6000次时合金热疲劳裂纹扩展达到13.41mm。

实施例3

选取合金化学成分为(质量分数)：Cu4.5%，Mn0.4%，Ti0.35%，Ce0.6%，其余为Al。合金在坩埚电阻炉中熔炼，炉温采用热电偶测定，熔炼时，在坩埚中依次放入铝、铜、铝锰中间合金、铝钛中间合金、铝铈中间合金，加热至熔化，除气精炼，约5分钟后扒渣，然后浇注，空冷后制取热疲劳试样。热疲劳试样规格为40×20×5mm，是有预制裂纹的缺口试样，缺口长3mm，试样形状及尺寸如图1所示。试验前，用砂纸磨去试样表面机械加工痕迹并抛光，以消除试样表面因素对试验结果的影响。

由图2、图3可见，加入Ce 0.6%的热疲劳裂纹长且粗，由表1可见，加入Ce0.6%时，冷热循环6000次时合金热疲劳裂纹扩展达到24.75mm。

表1 热疲劳裂纹扩展数据（mm）

Claims

1.一种加入Ce提高AlCuMnTi合金热疲劳性能的方法，其特征在于：选取合金化学成分为(质量分数)：Cu4.5%，Mn0.4%，Ti0.35%，Ce0.1-0.6%，其余为Al；合金在坩埚电阻炉中熔炼，炉温采用热电偶测定，熔炼时，在坩埚中依次放入铝、铜、铝锰中间合金、铝钛中间合金、铝铈中间合金，加热至熔化，除气精炼，约5分钟后扒渣，然后浇注，空冷后制取热疲劳试样；热疲劳试样规格为40×20×5mm，是有预制裂纹的缺口试样，缺口长3mm；试验前，用砂纸磨去试样表面机械加工痕迹并抛光，以消除试样表面因素对试验结果的影响。

2.根据权利要求1所述的一种加入Ce提高AlCuMnTi合金热疲劳性能的方法，采用电阻炉加热自约束热疲劳试验机进行热疲劳试验，板状试样装卡在立方卡具的四个侧面，保证每块试样的加热与冷却位置一致，通过传动装置上下垂直运动，从而达到试样加热以及冷却的自动化完成；采用设时自控，热电偶测量并控制温度，试样在水温25℃至加热300℃之间进行冷热循环，采用计数器进行自动计数；当冷热循环次数达到6000次时，比较每种组织的裂纹，发现加入Ce 0.1%、Ce05%和Ce 0.6%的最长且最粗，加入Ce0.3%的最短而最细。

3.根据权利要求2所述的一种加入Ce提高AlCuMnTi合金热疲劳性能的方法，铈的加入量可优选为0.3%。