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高温高强度铝合金管板料开发是大势所趋 需求情况和生产工艺必须掌握!

时间:2020-09-18 10:35:19 | 来源:SMM

在上海有色金属行业协会、上海市汽车工程学会、苏州市压铸技术协会、上海有色网共同主办的2020(第二届)中国工博会新材料论坛-中国汽车新材料应用高峰论坛暨中国(第八届)铝加工产业链供需交易峰会上,上海华峰材料科技研究院铝合金研究室负责人聂存珠博士从使用背景、合金成分及工艺设计等方面向大家介绍了高温中冷器用铝钎焊管料开发知识。

背景

客户需求

随着汽车发动机技术的发展以及越来越严格的汽车尾气排放标准的实行,在热交换应用领域,高温高强度的铝合金管板料的开发是大势所趋。

以中冷器为例:

随着排放标准的升级,中冷器的入口温度及压力也越来越高。

相应地,高强耐热铝合金的需求也越来越急迫。

当前中冷器管料铝合金

改进型3003(加镁)

优点: 明显提升合金高温性能

(1) 可控气氛钎焊: 合金加入0.2-0.3%镁元素,高温强度明显提升( 例如, 和3003相比,其强度在230 提升约200%。

(2) 真空钎焊: 加入0.4-0.6% 镁, 高温强度明显提升。

缺点: 降低钎焊质量(可控气氛钎焊) Nocolok 是铝合金钎焊主要的焊剂,当镁元素存在时,和焊剂反应生成MgF,所以明显降低焊接质量。

二。 成分及工艺设计

根据理论及相关实验数据,合金成分设计如下:

Si & Fe: 在热变形过程中,Si&Fe 元素可以加速Mn从过饱和固溶体中析出,促进T相的形成,有利于提高强度。

Cu: 形成θ‘’/ θ强化相。同时,Cu元素含量不能太高,否则降低合金的铸造及耐腐蚀性能。

Mn: 3xxx 铝合金的主要元素。(1) 可以形成T相,该相在高温下比较稳定。(2)部分Mn固溶到基体中,起到固溶强化作用。并且

Al-Mn原子间有很强的结合力,可以提高耐热性能。

Zr: 微量Zr的加入在合适的热处理工艺下可以形成亚稳相β‘(Al3Zr)。该相可作为θ’‘/θ’ 相的形核核心,并可以减慢θ‘’/θ 相在高温环境下的粗化速度。

Ce: 稀土元素。 (1) 净化晶界作用; (2) 细化析出相。

Sn: 加入微量元素Sn,合金时效达到峰值强度的时间可以大大缩短,主要原因是Sn可以促进强化相的析出,且可以明显降低强化相的尺寸及增加强化相的数量。

生产工艺

测试数据

(一)Cerium (Ce, 铈)元素的作用

晶界净化: Ce元素的原子尺寸比较大,易在晶界及晶体缺陷处析出。通过在合金中加入Ce,该元素占据了合金晶格的缺陷位置(例如晶界),使合金其它元素更多的溶解在基体中,从而增加了合金元素的变形能及应变能,促进合金在后序时效工艺中弥散相的析出。

促进θ‘’/ θ‘相析出: 从电负性角度来看,Ce和Cu元素的电负性差为0.78,而Al和Cu,Al和Ce之间的电负性差分别为0.29和0.49。所以Ce和Cu更容易结合。同时由于Cu元素有很高的结合能,可以形成CE + Cu + 空位团簇,并造成团簇周围的晶格畸变,为θ’‘/ θ’ 相的析出提供能量起伏的必要条件。

减少粗大第二相- EDS:析出相主要是Al-Cu相,尺寸相对细小,有利

于后续的固溶处理工艺。

力学性能改进:时效强度峰值随着Ce含量的增加而增加,Ce含量超过一定值后,强度峰值开始减少。

(二)Sn元素的作用

铸造组织,加入Sn元素后,铸造组织没有明显的区别。

时效效果改进,Sn 元素可以明显缩短Al-Cu合金时效峰值到达的时间。Al-Cu 合金时效峰值从几天缩短到4小时左右。

机理:通过调整相的尺寸,固溶元素Sn可以降低强化相和基体之间的界面能及剪切应力,促进强化相的形核。

(三)均质化处理的作用

均质化处理用于使铸态的粗大第二相溶解到基体里,并降低合金溶质原子的界面偏析。

均质化温度的选择应保证Al-Cu相溶解到基体中。

均质化处理之前,Mn、Fe和Cu元素均有严重的偏析。此外,Mn、Fe元素主要形成Al-(MnFe)相,Cu元素主要以Al-Cu相的形式聚集在晶界。均质化处理后,特别是Cu元素分散的很均匀。

(四)Zr元素的作用

析出强化的Al-Cu合金一般可以耐受的最高温度区间为150-200 。 超过这个温度区间后,强化相随着温度升高开始粗化,相应的高温强度开始降低。

把高温下稳定的Al3Zr相颗粒作为形核核心,使低温强化相(θ‘’/θ) 析出到弥散分布的Al3Zr 相颗粒上,形成一种紧凑的微观结构,可以阻止强化相在高温下粗化。

在同样的退火工艺下,经过设计的均质化工艺可以获得较高的合金强度,说明Al3Zr弥散相的析出可以有效阻止晶界及位错移动,提高合金强度。

钎焊及人工时效

高温钎焊作为一种固溶处理工艺使合金成为过饱和固溶体,同时Al3Zr 析出相不会受到影响。 人工时效采用200度的时效工艺,在一定保温时间后使合金基体内主要形成θ‘’ 相及少量的θ 相。

总结

稀土元素Ce 可以净化合金晶界,促进Al-Cu合金中的强化相析出,提高合金时效强度。

微量Sn元素的加入可以明显缩短时效达到峰值强度的时间。

高温均质化处理可以减少溶质元素在晶界的偏析,促进粗大第二相的溶解,有利于时效过程强化相的析出。

采用均质化处理,不仅包括了高温均质化的作用,同时可以实现Al3Zr相与低温强化相(θ‘’/θ) 交互作用,形成一种稳定的微观结构,有效提高合金高温强度。

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