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6013铝合金是当今世界最先进的铝合金之一,它具有杰出的成形性(熔铸性、塑性成形性、焊接性)、中等的比强度、良好的抗腐蚀性、上等的损伤容限、优良的热暴露稳定性等一系列性能,在大型民用飞机、军用舰载飞机、轨道交通等领域具有重大应用背景。本文对6013铝合金微合金化与性能进行了初步研究,所开展的工作及取得的创新成果如下:
(1)制备了6013-Zr、6013-Zr-Sr、6013-Zr-Sr-Sc铝合金,合金成分分别为:Al-1.35％Mg-1.03％Si-0.895％Cu-0.539％Mn-0.436％Zn-0.112％Zr、Al-1.36％Mg-1.02％Si-0.918％Cu-0.554％Mn-0.0825％Zn-0.121％Zr-0.0275％Sr和Al-1.17％Mg-1.04％Si-0.899％Cu-0.564％Mn-0.104％Zn-0.119％Zr-0.0245％Sr-0.08％(名义)Sc。
(2)经470℃×24 h均质化处理,变形量约150％的压缩变形加工,560℃×2h的固溶处理和151℃×8 h+191℃×8 h时效处理后,6013-Zr、6013-Zr-Sr、6013-Zr-Sr-Sc铝合金的硬度分别为147.05 HV、159.12 HV、150 HV,抗拉强度分别为353.077 MPa、371.965 MPa、453.6 MPa,延伸率分别为4.95％、11.33％、11.14％。Sr微合金化大幅提高合金塑性与合金中粗大第二相裂纹源大幅减少有关,Sc微合金化大幅提高合金强度应与合金中形成的细小尺度Al3(Zr,Sc)强化质点有关。
(3)经560℃×2 h的固溶处理和151℃×8 h+191℃×8 h时效处理后,按GB／T22639-2008(铝合金加工产品的剥落腐蚀试验方法),6013-Zr、6013-Zr-Sr、6013-Zr-Sr-Sc合金抗剥落腐蚀性能很好,分别处于PB级、PA-PB级和PA级:按GB／T7998—2005和ASTM G110-1992／1997标准(铝合金晶间腐蚀测试方法),其晶间腐蚀最大深度分别为227.23μm、248.25μm和211.95μm。
(4)经560℃×2 h+570℃×2 h强化固溶处理和151℃×8 h+191℃×8 h时效处理后,6013-Zr、6013-Zr-Sr、6013-Zr-Sr-Sc合金的硬度分别为149.5 HV、155.96 HV和161.1 HV,抗拉强度分别为371.8 MPa、394 MPa、370 MPa,延伸率分别为7.00％、13.43％和8.57％；与常规固溶-时效6013型铝合金相比,合金再结晶程度增加,抗剥落腐蚀性能接近,但抗晶间腐蚀性能稍差。
(5)初步研究了大尺寸锻造6013型铝合金的显微组织、不同时效状态下的硬度、拉伸性能、抗腐蚀性能和电导率,结果表明:在Zr微合金化的基础上,进一步sr微合金化,明显减少并细化了未溶粗大第二相,在Zr、Sr微合金化的基础上,进一步加入Sc,进一步减少并细化了未溶粗大第二相；经过560℃×2h的固溶处理、191℃×4 h(T6)时效处理和151℃×8 h+191℃×8 h的过时效处理后,6013-Zr铝合金的抗拉强度和延伸率分别为369.1 MPa、6.44％和357.7 MPa、3.72％,6013-Zr-Sr铝合金的抗拉强度和延伸率分别为395.3 MPa、12.42％和386.9MPa、9.15％,6013-Zr-Sr-Sc铝合金的抗拉强度和延伸率分别为465.5 MPa、10.31％和470.6 MPa、8.83％；大尺寸锻造6013型铝合金具有良好的抗腐蚀性能,其抗晶间腐蚀性能达到3级,抗剥落腐蚀性能达到PA～PB级；6013-Zr、6013-Zr-Sr、6013-Zr-Sr-Sc合金随着微合金化程度的提高,电导率依次下降:151℃×8h+191℃×8h处理比191℃×4h处理(T6)电导率高。
(6)在Zr微合金化基础上,Sr微合金化在保持了合金强度的基础上,大幅提高了合金的塑性,在Zr、Sr微合金化基础上,Sc微合金化大幅提高了合金的强度,同时保持了合金的塑性。
(7)微合金化对抗腐蚀性能影响不明显,轻微过时效对合金抗腐蚀性能总体呈提高趋势。
本文初步成功制造出性能达到国际先进和领先水平的6013型铝合金,研究结果为新一代6013型铝合金的制造提供了初步技术基础和理论依据。