Какви са характеристиките, основните легиращи елементи и функциите на алуминиевите сплави от серия 2xxx?
(1) Характеристики на алуминиеви сплави от серия 2xxx
Алуминиевите сплави от серия 2xxX са алуминиеви сплави с мед като основен легиращ елемент. Те включват сплави Al-Cu-Mg, сплави Al-Cu-Mg-Fe-Ni и сплави Al-Cu-Mn. Тези сплави са термично обработени алуминиеви сплави.
Алуминиевите сплави от серия 2xXX се характеризират с висока якост и обикновено се наричат твърди алуминиеви сплави. Те имат добра топлоустойчивост и свойства за обработка, но тяхната устойчивост на корозия не е толкова добра, колкото повечето други алуминиеви сплави. При определени условия ще възникне междукристална корозия. Следователно плочата често трябва да бъде покрита със слой от чист алуминий или слой от алуминиева сплав от серия 6xXx, която има електрохимична защита за основната плоча, за да подобри значително нейната устойчивост на корозия. Сред тях сплавта Al-Cu-Mg-Fe-Ni има изключително сложен химичен състав и фазов състав. Има висока якост при висока температура и добра производителност на процеса. Използва се главно за топлоустойчиви части, работещи под 150 ~ 250 градуса; въпреки че якостта при стайна температура на сплавта AI-Cu-Mn е по-ниска от тази на сплавта Al-Cu-Mg 2A12 и 2A14, нейната якост е по-висока от двете при 225~250 градуса или по-висока. В допълнение, сплавта има добра технологична производителност и е лесна за заваряване. Използва се главно в топлоустойчиви заваряеми структурни части и изковки. Тази серия от сплави се използва широко в авиацията и космическите полета.
(2) Основни легиращи елементи и тяхната роля
①Основните класове сплави на AI-Cu-Mg сплави са 2A01, 2A02, 2A06, 2A10, 2A11, 2A12 и т.н. Основните добавени елементи са Cu, Mg и Mn.
Техните ефекти върху сплавите са както следва.
а. Влияние на съдържанието на Cu и Mg върху механичните свойства на сплавите. Когато съдържанието на Mg е 1%~2%, когато съдържанието на Cu се увеличи от 1.0% до 4%, якостта на опън на сплавта в закалено състояние се увеличава от 20{{14 }}MPa до 380MPa; якостта на опън на сплавта в закалено състояние на естествено стареене се увеличава от 300MPa до 480MPa. Когато съдържанието на Cu е в диапазона от 1% ~ 4%, когато съдържанието на Mg се увеличи от 0,5% до 2,0%, якостта на опън на сплавта се увеличава; когато съдържанието на Mg продължава да нараства, якостта на сплавта намалява.
Якостта на опън на сплавта, съдържаща 4.0% Cu и 2.0% Mg, е най-висока; сплавта, съдържаща 3%~4% Cu и 0.5%~1.3% Mg, има най-голям ефект на закаляване и естествено стареене. Тестът показва, че якостта на опън на тройната сплав AI-Cu-Mg, съдържаща 4%~6% Cu и 1%~2% Mg, може да достигне 490~510MPa в състояние на закаляване и естествено стареене.
b. Влиянието на съдържанието на Cu и Mg върху топлоустойчивостта на сплавта. От стойностите на теста за издръжливост на сплав AI-Cu-Mg, съдържаща 0.6%Mn при 200 градуса и 160MPa напрежение, може се вижда, че сплавта, съдържаща Cu 3,5%~6% и Mg1,2%~2,0% има най-висока издръжливост. По това време сплавта се намира върху или близо до псевдо-бинарната секция AI-S (AlCuMg). Сплавта далеч от псевдо-бинарната секция, т.е. когато съдържанието на Mg е по-малко от 1,2% и максималната якост е по-голяма от 2,0%, нейната издръжливост намалява. Ако съдържанието на Mg се увеличи до 3,0% или повече, издръжливостта на сплавта ще намалее бързо.
Подобни правила бяха получени при теста при 250 градуса и 100MPa напрежение. В литературата се посочва, че сплавта с най-висока якост на издръжливост при 300 градуса е разположена в областта на фазата +S вдясно от бинарната секция AI-S с по-високо съдържание на Mg.
c. Влияние на съдържанието на Cu и Mg върху устойчивостта на корозия на сплавите. Бинарните сплави Al-Cu със съдържание на Cu от 3% ~ 5% имат много ниска устойчивост на корозия в състояние на закаляване и естествено стареене. Добавянето на 0.5%Mg може да намали потенциала на твърдия разтвор и частично да подобри устойчивостта на корозия на сплавта. Когато съдържанието на Mg е по-голямо от 1.0%, локалната корозия на сплавта се увеличава и удължението след корозия рязко намалява. За сплави със съдържание на Cu над 4.0% и съдържание на Mg над 1.0%, Mg намалява разтворимостта на Cu в Al. В закалено състояние сплавта има неразтворими CuAl₂ и S фази и наличието на тези фази ускорява корозията. Сплави със съдържание на Cu от 3% ~ 5% и съдържание на Mg от 1% ~ 4% са разположени в една и съща фазова област и тяхната устойчивост на корозия е сходна в състояние на закаляване и естествено стареене. Сплавите в областта на фазата aS имат по-слаба устойчивост на корозия от тези в областта a-CuAl₂-S. Интергрануларната корозия е основната корозионна тенденция на Al-Cu-Mg сплавите.
Mn: Mn се добавя към сплавта Al-Cu-Mg главно за елиминиране на вредните ефекти на Fe и подобряване на устойчивостта на корозия. Mn може леко да увеличи якостта на сплавта при стайна температура, но да намали пластичността. Mn може също да забави и отслаби процеса на изкуствено стареене на сплавта Al-Cu Mg и да подобри устойчивостта на топлина на сплавта. Mn също е един от основните фактори, които карат сплавта Al-Cu-Mg да има ефект на екструдиране. Добавянето на Mn обикновено е по-малко от 1.0%. Ако съдържанието е твърде високо, могат да се образуват груби (FeMn)Al6 крехки съединения, които намаляват пластичността на сплавта.
d. Малкото количество микроелементи, добавени към сплави Al-Cu-Mg, включват Ti и Zr, а примесите са главно Fe, Si и Zn и т.н., и техните ефекти са както следва.
Ti: Добавянето на Ti към сплавта може да подобри отливките и да намали склонността за образуване на пукнатини по време на леене.
Zr: Малко количество Zr има подобен ефект на Ti, като рафинира отливките, намалява склонността към напукване при леене и заваряване и подобрява пластичността на блоковете и заварените съединения. Добавянето на Zr не влияе на якостта на студено деформирани продукти, съдържащи Mn сплави
Леко подобрява якостта на сплавите без Mn. Si: За Al-Cu-Mg сплави със съдържание на Mg по-малко от 1.0%, съдържание на Si над 0.5% може да подобри скоростта и силата на изкуственото стареене, без да засяга способността за естествено стареене. Тъй като Si и Mg образуват Mg2Si фаза, това е полезно за ефекта на изкуственото стареене. Въпреки това, когато съдържанието на Mg се увеличи до 1,5%, след охлаждане на естествено стареене или изкуствено стареене, якостта и устойчивостта на топлина на сплавта намаляват с увеличаването на съдържанието на Si. Следователно съдържанието на Si трябва да бъде намалено възможно най-много. В допълнение, увеличаването на съдържанието на Si ще увеличи склонността на сплави като 2A12 и 2A06 да образуват пукнатини по време на леене и ще намали пластичността по време на занитване. Следователно съдържанието на Si в сплавта обикновено е ограничено до по-малко от 0,5%. За сплави, изискващи висока пластичност, съдържанието на Si трябва да бъде по-ниско.
Fe: Fe и Al образуват FeAl3 съединения и се разтварят в съединения, образувани от елементи като Cu, Mn и Si. Тези груби съединения, които не се разтварят в твърдия разтвор, намаляват пластичността на сплавта и сплавта е склонна към напукване по време на деформация. И укрепващият ефект е значително намален. Малко количество Fe (по-малко от 0.25%) има малък ефект върху механичните свойства на сплавта, подобрява тенденцията за образуване на пукнатини по време на леене и заваряване, но намалява естествената скорост на стареене. За да се получат високопластични материали, съдържанието на Fe и Si в сплавта трябва да бъде възможно най-ниско.
Zn: Малко количество Zn ({{0}}.1%~0.5%) има малък ефект върху механичните свойства на Al-Cu-Mg сплавите при стайна температура, но намалява топлоустойчивост на сплавта. Съдържанието на Zn в сплавта трябва да бъде ограничено до по-малко от 0,3%.
② Al-Cu-Mg-Fe-Ni сплав Основните класове сплави от тази серия сплави са 2A70, 2A80, 2A90 и др.Ролята на всеки елемент от сплавта е следната.
Cu и Mg: Влиянието на съдържанието на Cu и Mg върху якостта при стайна температура и устойчивостта на топлина на горните сплави е подобно на това на сплавта AI-Cu-Mg. Тъй като съдържанието на Cu и Mg в тази серия сплави е по-ниско от това на сплавта AI-Cu-Mg, сплавта се намира в двуфазния регион a+ S (AlCuMg), така че сплавта има по-висока якост при стайна температура и добра топлина устойчивост; в допълнение, когато съдържанието на Cu е ниско, твърдият разтвор с ниска концентрация има малка тенденция да се разлага, което е от полза за устойчивостта на топлина на сплавта.
Ni: Ni и Cu в сплавта могат да образуват неразтворимо троично съединение. Когато съдържанието на Ni е ниско, се образува (AICuNi), а когато съдържанието на Ni е високо, се образува Al3(CuNi)2. Следователно присъствието на Ni може да намали концентрацията на Cu в твърдия разтвор. Резултатите от измерването на константата на решетката в закалено състояние също доказват изчерпването на Cu разтворени атоми в твърдия разтвор на сплавта. Когато съдържанието на Fe е много ниско, увеличаването на съдържанието на Ni може да намали твърдостта на сплавта и да намали укрепващия ефект на сплавта.
Fe: Подобно на Ni, Fe може също да намали концентрацията на Cu в твърдия разтвор. Когато съдържанието на никел е много ниско, твърдостта на сплавта намалява значително в началото с увеличаването на съдържанието на Fe, но когато съдържанието на Fe достигне определена стойност, то започва да се увеличава отново.
Ni и Fe: Когато Fe и Ni се добавят към сплавта AICu2.2Mg1.65 едновременно, характеристиките на промяна на твърдостта при естествено стареене при охлаждане, изкуствено стареене при охлаждане, охлаждане и отгряване са подобни и максималната стойност се появява в позицията където съдържанието на Ni и Fe е подобно и константата на решетката в състояние на закаляване изглежда минимална стойност в тази точка.
Когато съдържанието на Fe в сплавта е по-голямо от съдържанието на Ni, ще се появи фаза Al7Cu2Fe. Напротив, когато съдържанието на Ni в сплавта е по-голямо от съдържанието на Fe, ще се появи фаза AlCuNi. Появата на горната трикомпонентна фаза, съдържаща Cu, намалява съдържанието на Cu в твърдия разтвор. Само когато съдържанието на Fe и Ni е равно, се генерират всички фази на AlgFeNi. В този случай, тъй като няма излишък от Fe или Ni за образуване на неразтворима Cu-съдържаща фаза, Cu в сплавта не само образува S (Al2CuMg) фазата, но също така повишава концентрацията на Cu в твърдия разтвор, което е благоприятно за подобряване на здравината на сплавта и нейната устойчивост на топлина.
Съдържанието на Fe и Ni може да повлияе на устойчивостта на топлина на сплавта. Фазата AlgFeNi е твърдо и крехко съединение с много малка разтворимост в Al. След коване и термична обработка, когато се диспергират и разпределят в структурата, те могат значително да подобрят устойчивостта на топлина на сплавта. Например сплавта AICu2.2Mg1.65 съдържа 1.0% Ni, а сплавта с 0.7%~0.9% Fe има най-високата стойност на трайна якост.
Si: Добавянето на 0.5% до 1,2% Si към сплав 2A80 подобрява якостта на сплавта при стайна температура, но намалява устойчивостта на топлина на сплавта.
Добавянето на {{0}}.02%~0,1% Ti към сплавта Ti:2A70 усъвършенства зърната след отливането и подобрява производителността на процеса на коване, което е от полза за устойчивостта на топлина, но има малък ефект върху производителността при стайна температура.
③ Al-Cu-Mn сплав. Основните класове сплави от тази серия сплави са 2A16, 2A17 и др.
Функциите на основните легиращи елементи са както следва.
Cu: При стайна температура и висока температура, тъй като съдържанието на Cu се увеличава, здравината на сплавта се увеличава. Когато съдържанието на Cu достигне 5.{1}}%, якостта на сплавта е близка до максималната стойност. В допълнение, Cu може да подобри заваръчните характеристики на сплавта.
Mn: Mn е основният елемент за подобряване на топлоустойчивата сплав. Той увеличава енергията на активиране на атомите в твърдия разтвор, намалява коефициента на дифузия на атомите на разтвореното вещество и скоростта на разлагане на твърдия разтвор. Когато твърдият разтвор се разлага, процесът на образуване и растеж на утаената фаза T (Al2oCu2Mn3) фаза също е много бавен, така че сплавта също е много стабилна при нагряване за дълго време при определена висока температура. Добавянето на подходящ Mn (0.6%~0.8%) може да подобри якостта при стайна температура и издръжливостта на сплавта в състояние на закаляване и естествено стареене. Въпреки това, ако съдържанието на Mn е твърде високо, T фазата се увеличава, интерфейсът се увеличава, ефектът на дифузия се ускорява и устойчивостта на топлина на сплавта се намалява. В допълнение, Mn може също да намали склонността към напукване по време на заваряване на сплав.
Микроелементите, добавени към сплавта Al-Cu-Mn, са Mg, Ti и Zr, докато основните примесни елементи са Fe, Si, Zn и др., и техните ефекти са както следва.
Mg: Когато съдържанието на Cu и Mn в сплав 2A16 остане непроменено, 0.25%~0.45% Mg се добавя, за да се образува сплав 2A17. Mg може да подобри здравината на сплавта при стайна температура и да подобри устойчивостта на топлина под 150~225 градуса. Въпреки това, когато температурата се повиши допълнително, якостта на сплавта намалява значително. Добавянето на Mg обаче може да влоши заваръчните характеристики на сплавта, така че в сплавта 2A16, използвана за топлоустойчива заваряемост, съдържанието на примес Mg не трябва да надвишава 0.05%. Ti: Ti може да пречисти лятите зърна, да повиши температурата на рекристализация на сплавта, да намали тенденцията на разлагане на пренаситения твърд разтвор и да стабилизира структурата на сплавта при висока температура. Въпреки това, когато съдържанието на Ti е по-голямо от {{20}}.3%, се генерират груби игловидни TiAls съединения, което намалява устойчивостта на топлина на сплавта. Съдържанието на Ti в сплавта е определено като 0.1%~0.2%. Zr: Когато 0,1% ~ 0,25% Zr се добави към сплав 2219, зърната могат да бъдат рафинирани и температурата на рекристализация и стабилността на твърдия разтвор на сплавта могат да бъдат увеличени, като по този начин се подобрява устойчивостта на топлина на сплавта и се подобрява заваряемостта на сплавта и пластичността на заваръчния шев. Въпреки това, когато съдържанието на Zr е високо, могат да се генерират по-крехки съединения ZrAl3.
Fe: Когато съдържанието на Fe в сплавта надвишава {{0}}.45%, се образува неразтворима фаза AlCu2Fe, която може да намали механичните свойства на сплавта в състояние на закаляване и стареене и якостта на издръжливост при 300 градуса. Следователно съдържанието на Fe трябва да бъде ограничено до по-малко от 0,3%.
Si: малко количество Si ({{0}}.4%) няма очевиден ефект върху механичните свойства при стайна температура, но намалява якостта на издръжливост при 300 градуса. Когато съдържанието на Si надвиши 0,4%, механичните свойства на сплавта при стайна температура ще бъдат намалени. Следователно съдържанието на Si е ограничено до по-малко от 0,3%.
Zn: Малко количество Zn ({{0}}.3%) няма ефект върху свойствата на сплавта при стайна температура, но може да ускори скоростта на дифузия на Cu в Al и да намали издръжливостта на сплавта при 300 градуса, така че е ограничена до по-малко от 0,1%.
Какви са видовете и употребите на алуминиеви сплави от серия 2xxx?
Сплав 2011
Видове: тръби за изтегляне на тел, студено обработени пръти, студено обработени телове
Приложения: винтове и машинно обработени продукти, изискващи добра производителност на рязане
Сплав 2014г
Видове: плочи, дебели плочи, изтеглени тръби, екструдирани тръби, пръти, профили, телове, студено обработени пръти, студено обработени телове, изковки
Приложения: използва се в приложения, изискващи висока якост и твърдост (включително високи температури). Тежки изковки, дебели плочи и екструдирани материали се използват за структурни части на самолети, многостепенни ракетни горивни резервоари за първа степен и части за космически кораби, колела, рамки на камиони и части на системата за окачване
Сплав 2017
Видове: плочи, екструдирани профили, студено обработени пръти, студено обработени телове, нитове, изковки
Приложения: Това е първата сплав от серия 2XXX, която се прилага индустриално. Настоящият му диапазон на приложение е сравнително тесен, главно нитове, общи машинни части, самолети, кораби, транспорт, строителни структурни части, структурни части на транспортни средства, витла и аксесоари
Сплав 2024
Разновидности: плочи, дебели плочи, изтеглени тръби, екструдирани тръби, профили, пръти, телове, студено обработени пръти, студено обработени телове, телове за нитове
Приложения: Конструкции на самолети (обшивки, рамки, ребра, прегради и др.), нитове, компоненти на ракети, колела на камиони, компоненти на витла и други различни структурни части
Сплав 2036
Разновидности: Каросерии за автомобили
Приложения: Метални части от автомобилна каросерия
Сплав 2048
Разновидности: Плочи
Приложения: Аерокосмически структурни части и структурни части за оръжия
Сплав 2117
Разновидности: Студено обработени пръти и телове, телове за нитове
Приложения: Използва се като нитове за структурни части с работни температури не надвишаващи 100 градуса
Сплав 2124
Разновидности: Дебели плочи
Приложения: Аерокосмически структурни части
Сплав 2218
Разновидности: Изковки, фолиа
Приложения: Бутала на авиационни и дизелови двигатели, цилиндрови глави на авиационни двигатели, работни колела на реактивни двигатели и компресорни пръстени
Сплав 2219
Разновидности: плочи, дебели плочи, фолиа, екструдирани тръби, профили, пръти, телове, студено обработени пръти, изковки
Приложения: Резервоари за окислител и горивни резервоари за заваряване на космически ракети, обшивки и структурни части на свръхзвукови самолети, работна температура -270~300 градуса. Добра заваряемост, висока якост на счупване, висока устойчивост на корозионно напукване в състояние T8
Сплав 2319
Разновидност: Тел
Приложение: Заваръчни пръти и припой за заваряване на сплав 2219
Сплав 2618
Разнообразие: Дебели плочи, екструдирани пръти, изковки и изковки
Приложение: Цилиндрите на двигателя и други части, както и топлоустойчиви части, които изискват работа при 150~250 градуса. Дебелите плочи се използват като обшивки на самолети, пръти, изковки и свободни изковки се използват за направата на бутала, авиация
Сплав 2A01
Разнообразие: Студено обработени пръти и телове, телове за нитове
Приложение: Използва се като нитове за конструктивни части с работни температури до 100 градуса
Сплав 2A02
Разнообразие: пръти, изковки
Приложение: Аксиални компресорни лопатки, работни колела и дискове на турбореактивни двигатели с работни температури от 200 ~ 300 градуса
Сплав 2A04
Разновидност: нитове
Приложение: Използва се за изработване на нитове за структурни части с работна температура от 120 ~ 250 градуса
Сплав 2A06
Разновидности: Плоча, екструдиран профил, нитова тел
Приложение: Структурни части на самолети с работна температура от 150 ~ 250 градуса и структурни нитове на самолети с работна температура от 125 ~ 250 градуса
Сплав 2А10
Разновидност: Нитова тел
Приложение: По-висока якост от сплав 2A01, използвана за производство на структурни нитове за самолети с работна температура По-малка или равна на 100 градуса
Сплав 2А50
Разнообразие: Изковки, пръти, плочи
Приложение: Детали със средна якост със сложни форми
Сплав 2B50
Разновидност: Изковки
Приложение: компресорно колело на авиационен двигател, направляващо колело, вентилатор, работно колело и др.
Сплав 2А90
Разнообразие: Екструдирани пръти, изковки и изковки
Приложение: Частите на двигателя на самолета и други части с висока работна температура, изковки от сплав постепенно се заменят с 2A70