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1、中南大学 硕士学位论文 2195铝锂合金焊接接头组织与性能 姓名：郭飞跃 申请学位级别：硕士 专业：材料物理与化学 指导教师：尹志民 20040101 耋皇查兰至圭童堡尘圭 ；。；。；。 ；尘；垒 摘要 采用微量S c 、Z r 、M n 、V 、B 复合微合金化技术研制了一种A l - 6 3 C u - 1 1 m 1 ，瓦T i ，v ，S c ，B ) 的新型焊丝，对成分为A 1 4 C u 1 L i - O 4 M 哥O 5 4 ( A g ，z 币) 、板厚为2 m m 的2 1 9 5 铝锂含金板材 进行了手工氩弧焊焊接。测试了焊接接头的拉伸力学性能和硬度分布规律，采用金相显微
2、镜 ( O M ) 、x 射线物相分析( ) 、透射电子显微镜( T E M ) 和扫描电子显微镜( s E M ) 观 察了焊丝合金和焊接接头不同区域的显微组织结构，并从理论上进行了分车厅和解释。研究结 果表明： 1 2 1 9 5 铝锂合金T 8 态的拉伸力学性能横向：旷5 5 1 M P a ，砚f 5 2 2 M 呼a ，玉= 5 4 ，其断 裂方式主要为平行断裂；纵向：卿= 5 5 8 M P a ，而2 - 5 2 8 M P a ，声严5 7 ，其断裂方式主要为 斜4 5 。方向剪断。T 8 态下，合金主要强化相为孔( 砧2 C u L i ) 相。 2 研制了一种用微量s c
3、、z r 、T i 、B 、V 复合微合金化的A 1 C u 合金焊丝，这种焊丝与2 1 9 5 铝锂合金有较好的相容性，在手工氩弧焊条件下，焊接接头的力学性能可达：珊= 3 8 4 M P a ， 观尸3 1 5 M P a ，曲叫2 ，焊接系数为O 7 0 。 3 2 1 9 5 铝锂合金焊缝边缘存在独特的细晶层组织，其形态与等轴树枝晶不同，这一特征组 织的形成与合金元素L i 、S c 、Z r 和T i 对熔池结晶过程的作用规律有关。L i 显著地降低 了铝液表面张力，大大提高了异质形核率和形核速率，是细晶层产生的必要条件；而熔 池边缘液态金属中弥散均匀分布大量未熔化的A 1 3 S
4、c 、拙压和n A l 3 质点，则是细晶层 产生的充分条件。与此同时，由熔池边缘外延生长的联生结晶过程被抑制。 4 焊缝的强度主要来源于s c 、z r 、V 、T i 、B 产生的晶粒细化强化以及矿( A 1 2 c u ) 、A b S c 、 A b z r 等的析出强化。 关键诃：2 1 9 5 铝锂合金；焊接接头；组织；性能 第i 页 中南大学硕士学位论文 第二章材料制备与试验方法 A b s t r a c t Ak i n do fA l 一6 3 c 小1 1 ( M n 五T i ，v ，S c ，B ) w e l d i n gw h ew a Sp r c p a r
5、 e db ya d d i n gm i n o rS c ，z L M n ，V ，B ，a n dw a su s e dt 0 w e l d2 1 9 5 甜u m i r n u n i i m i 啪a I l o yp l a c e 埘mac o m p o s i d o no f A l 一4 c u - l L i O 4 M g O 5 4 ( A g ，盈T i ) ，2 m mi 1 1 t l l i c k l l e s s M e c h a t l i c a lp m p e n i e sa n dl l a r d n c s so ft h e
6、w e I d i n gj o j n tw a st e s 删，a I l dr 1 1 i c m s 仃u c t u r eo fw c l d 血g 、v i r e 柚d 啪 d i n gj o i n tw e r eo b s e r v e d “a O M ，m ，忸Ma n dS E M A n a l y s i sa n de x p l a n a t i o ni n 也e o r yW e r ea l s og i v e n n l er e S u l 招s h o w t 1 1 a t ： n l ef i r s t ，m em e c h l
7、 i c a lp m p e r t i e so f2 1 9 5 a 1 1 0 y a tT 8 廿e a n n e n ta r ea sf 0 1 l o w s ：m n a I l s V e r s e d i r e c t i o n ，盯6 = 5 5 1 M P a ，咖产5 2 2 M P a ，巧产5 4 ，、v i map a m l l e lf a 曲聪；i nI o n g i t u d j n a I d i r e c t i o n ，印= 5 5 8 M P a ，砚产5 2 8 M P a ，护5 7 ，、v i 吐la no b l i q
8、 u e 缸j t u r eo f 4 5 。A tT 8 缸钮1 1 e n t ，t 1 1 e m a i n s t r e n g 吐【e 1 1 i n gp h 鹤eo f 2 1 9 5a l l o yi s 乃( A 1 2 c u L i ) p h a s e T h e s c c 0 皿d ，t h cA l c ub a s c da l 】o y w e l d i n g 谢糟脚a m d b y a d d 抽g m i n o r S c ，z r ，M n ，V B h a s a g o o dc o r n p a t i c 耐、l m2 1 9
9、 5b a s em c t a l U s i n gT I Gw e l d i n g 姚o l o 既恤m e c h a m c a l p r o p e m e s o f 也e w e l d i n g j o i n tc a n 瑚c h 毋- 3 8 4 M P a ，耽3 1 5 M 耽护4 2 ，衄d 血e 啪】出n gc o e 衢c j e n ti s O 7 0 ， T h e 恤d ，f i n cg r a i n sa r ef o u n da l o n gm e e d g e o f t h ew e l d ，w l l i c hi sd
10、i 丘b r e n t 矗D mm e e q u j 瓢瑚 d e n d r i t i c I t sf o n n a t i o nh a Sa r e l a 垃o n s h i pw i m 让坞硪酞o fL i ，S c ，Z 毛T io n 挂圮c r y s t a l l i z 撕o no f m o I t e r lp o o J “r e d l l c e st l e 毋耐k et e n S i o no f “l l r 】溉l u q u i d o b v i o l l s l y ，i n c r e 觞e st 1 1 c 嘶。锄d r a
11、t eo f l e t e r o g e n c o 潞m w l e 幽n ，W 1 i c hi st h en e c e s s a r yc o n d i t i o no f 1 ef b 瑚a t i o no f f i n e 盯a i n s H o 、v e w La1 a r g e 锄o u mo f u n m e l t c d A J 3 S c 、A 1 3 Z r 和I 认b p a m c I e sd i s p e r s i v e l yd i g 啊b u t ei nm e 1 u q u i dm e t a la 1 0 n g 血e
12、e d g eo f t h em o l t e n p o o l ，w h i c h i sm es 蛹c i e n tc o n d i t i o no f m e 缸m a t i o n o f 虹n e 乎可n s A tm es a n l e 缸e ，I I l l i t e dr e c r y s 诅l l i 刎o no f 印i 瞰i a lg r o w 出i n 血ee d g eo f 血em o l 劬 p o o li sr e s l r 豳e d F m a l l y ，血es 呦锄0 f m ew c l dm 删y c o m e s 丘o
13、 m 鲥n r c 丘血g 蛐n g 吐l 幽gc a u s 甜b yS c ， 玩V ，T i ，B 趾dp r e c i p i t 砒i o ns 廿e _ n g t h e l m g o f 矿( A 1 2 C u ) ，A 1 3 s c ，蹦3 z r - K 哪V o r d s ： 2 1 9 5 a I u r n i I l 啪- I i t l i 啪a 1 1 0 y ；w e I d 堍j o i n t ；删c r o s 口呦聪；p r o p e m e s 第i i 页 1 1 铝锂合金的发展概况 锂( L 1 ) 是自然界最轻的金属，密度仅为05
14、3 4 9 ，c m 。在铝合金中加入金属元素“，在 降低合金密度的同时，可大幅度地提高合金的弹性模量。研究表明，在铝台金中每添加质量 分数为1 的L i ，可降低合金密度3 ，提高弹性模量6 ：用铝锂合金代替常规的铝合金， 可使结构减重1 p 1 5 ，刚度提高1 5 2 0 。此外，L i 在A l 中的固溶度，6 0 3 时最大为4 2 ， 在室温下则更小，不到i ，可以很好地保证舍金在淬火和入工时效后的硬化效果。因此， 铝锂合金作为一种低密度、高弹性模量、高比强度和高比刚度的铝合金，在航空航天领域有 着广阏的应用前景。用铝锂合金替代飞机上使用的传统铝合金，不需要对适毓条锣B 作太大的
15、修改，铝锂合金的成形、维修等都较复合材料方便，成本也远远低于复合材料，此外，铝锂 合金还具有良好的耐低温性能。因此，铝锂合金是一种理想的航空与航天结构材料I l 。 1 1 1 铝锂合金发展简史 国外铝锂合金的发展大体上可划分为三个阶段。第一阶段为初步发展阶段，该阶段的时 问跨度为2 0 世纪5 0 年代至6 0 年代初。虽然早在1 9 2 4 年德国酶材料专家就将L 1 作为合金元 素添加到铝合金中，研制出了第一个含L i 的铝合金“s c l e r o n ”吼但是，直到1 9 5 7 年美国 A I c o a 铝业公司研制成功0 2 0 合金吼1 9 6 1 年前苏联开发出类似于x
16、2 0 合金的B A 珏2 3 合金渺 ，铝锂合金才真正引起人们的注意。美国将X 2 0 2 0 合金应用于海军R A 5 C 型预警飞机 的机翼蒙皮和尾翼水平安定面上获得6 的减重效果【7 J 。在此期间，英法等国也同时开展了 对铝锂台金的研究。这一时期由于普遍采用传统的冶炼技术，合金的延展性和断裂韧性低， 缺口敏感性高，容易使结构产生应力集中而引起疲劳破坏，以及加工生产上的困难、价格昂 贵等，不能满足新航空设计标准的要求，因此未能获得进一步的推广应用，A l c o a 公司于1 9 6 9 年便停止了x 2 0 2 0 合金的生产。此后，铝锂合金的研究在欧美等国进入了一个相对停滞的时 期。 2 0 世纪7 0 年代，随着航空工业的发展，对材料的要求也越来越高。特别是1 9 7 3 年爆发 的石油危机给航空工业带来了巨大的压力。航空工业为了降低燃料费用，对飞机材科轻
