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热等静压对ZL111-T6铝合金叶轮组织和性能的影响

2011-6-21 16:28| 发布者: wangxiaoling| 查看: 5906| 评论: 0

摘要: 龚怡1,2,朱守星2,张少宗1 (1.上海交通大学 材料科学与工程学院,上海 200240;2.霍尼韦尔综合科技(中国)有限公司,上海 201203) 摘 要:通过对比试验研究了热等静压处理对ZL111-T6铝合金增压器叶轮显微组织、拉伸性能 ...

龚怡1,2,朱守星2,张少宗1

(1.上海交通大学 材料科学与工程学院,上海 200240;2.霍尼韦尔综合科技(中国)有限公司,上海 201203)

  :通过对比试验研究了热等静压处理对ZL111-T6铝合金增压器叶轮显微组织、拉伸性能及疲劳性能的影响。结果表明:热等静压处理可有效消除ZL111-T6铝合金叶轮内部的铸造疏松和缩孔缺陷;热等静压使ZL111-T6铝合金的抗拉强度,屈服强度和伸长率都略有提高,同时使各项性能数据的离散度大幅度减小,提高了铸件产品性能的稳定性;相比未经热等静压处理的ZL111-T6铝合金叶轮,热等静压处理使其疲劳寿命提高了一倍以上。

关键词:热等静压处理;ZL111-T6铸造铝合金;显微组织;拉伸性能;疲劳性能

中图分类号TG146.2    文献标志码A    文章编号1001-4012201106-0333-04

 

ZL111铸造铝合金是涡轮增压器压气机叶轮的常用材料。叶轮性能的好坏对于整台涡轮增压器至关重要,随着汽车行业的不断发展,对于涡轮增压器叶轮性能的要求叶子不断提高。如何让铝合金叶轮在原有的铸造工艺基础上,性能得到进一步提高,成为目前科研人员的研究方向之一。

热等静压(hot isostatic pressingHIP)工艺常被用来消除铸件中的空隙,已有研究表明[1-4]HIP工艺可有消除铸件中的疏松和缩孔等缺陷,提高铸件的致密度,进而提高铸件的力学性能。因此,HIP工艺在国内外受到了广泛的关注。

笔者将HIP工艺应用于ZL111铝合金增压器叶轮,通过对HIP处理前后ZL111-T6铝合金叶轮的显微组织、室温拉伸性能以及疲劳性能进行对比试验,研究了HIP工艺对ZL111-T6铝合金叶轮组织和性能的影响,以为HIP工艺应用于涡轮增压器压气机叶轮生产上提供参考。

1 试样制备与试验方法

试验材料取自若干外径为78mmZL111铸造铝合金叶轮毛坯件,该毛坯件采用石膏型精密铸造方法浇注而成,其化学成分及GB/T 1173-1995ZL111铝合金化学成分的技术要求见表1。从毛坯件中随机挑选一批叶轮进行HIP处理。热等静压工艺为:温度(500±10)℃,压力(103±5MPa,保温保压3h,随炉冷却到300℃出炉空冷。HIP处理完成后再将这批叶轮与未经HIP处理的原始状态叶轮一同进行T6热处理,T6热处理工艺见表2,由此制备得到原始状态与HIP处理状态的两批试验用ZL111-T6铝合金叶轮。

分别在原始状态与HIP处理状态叶轮沿叶轮轴心方向并距离轴心同为10mm的位置用线切割切取金相试样,以保证叶轮厚壁处与薄壁处都能体现在同一个金相试样上。制样后用LEICA光学显微镜观察显微组织及疏松和缩孔等铸造缺陷。

分别从原始状态与HIP处理状态叶轮上取样制成标距为25mm的标准板状拉伸试样各20件,在CMT4304电子拉伸试验机上按照ASTM E8-2008进行室温拉伸试验。

为了模拟涡轮增压器叶轮在实际工况下背板承受循环压力的情况,从毛坯件本体上取样,设计成如图1所示的圆盘状疲劳试样,分别测定原始状态与HIP处理状态叶轮在同一应力水平下的失效循环次数,对疲劳性能进行对比。在MTS-809型拉-扭疲劳试验系统上按照GB/T 3075-2008《金属材料 疲劳试验轴向力控制方法》进行压-压疲劳试验,试验频率为8Hz,应力比R=0.06,最大加载荷载为1.793kN,正弦波加载。用扫描电镜观察疲劳试样断口形貌。

2 试验结果与讨论

2.1 显微组织

2为原始状态ZL111-T6铝合金叶轮的显微组织形貌,可以看到铸件中存在一定量大小不一的疏松与缩孔缺陷。图3HIP处理状态叶轮的显微组织形貌,可见经HIP处理后,ZL111-T6铝合金的枝晶细化不明显,但疏松与缩孔缺陷与基本消除,特别是对于薄壁部位效果更为明显,但仍存在极少量大尺寸的缩孔难以消除。

 

2.2 拉伸性能

3为原始状态与HIP处理状态ZL111-T6铝合金叶轮的室温拉伸性能。通过比较可见,经HIP处理后ZL111-T6铝合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率的平均值略有提高,但增加不明显。

为进一步分析HIP处理对ZL111-T6铝合金叶轮的各项拉伸性能是否产生显著的影响,运用MINITAB软件对原始状态和HIP处理状态ZL111-T6铝合金的两组拉伸试验数据进行方差假设检验。结果表明,HIP处理对ZL111-T6铝合金拉伸性能的影响显著(即P值小于0.05),经HIP处理后,ZL111-T6铝合金的抗拉强度、屈服强度和断后伸长率的数据离散度均大幅度减小,说明HIP处理进一步提高了铸件产品的稳定性。

2.3 疲劳性能

4为原始状态与HIP处理状态ZL111-T6铝合金叶轮的疲劳试验结果。可以看到,经HIP处理后ZL111-T6铝合金叶轮的疲劳寿命大大提高,是未经HIP处理原始状态试样的2倍多。

4为原始状态与HIP处理状态ZL111-T6铝合金叶轮疲劳试验断口扫描电镜形貌。可见在原始状态疲劳试验断口的疲劳源区大多发现有枝晶存在,说明试样在铸造过程中产生疏松,形成铸造缺陷,如图4a)所示;而HIP处理状态疲劳试样断口的疲劳源裂纹萌生则沿滑移面扩展,并未发现有枝晶存在,如图4b)所示。说明经HIP处理后,通过减少ZL111-T6铝合金铸造过程中产生的疏松或缩孔缺陷,对提高材料的疲劳寿命有一定作用。

3 结论

(1)   热等静压处理能有效消除ZL111-T6铝合金叶轮中的显微疏松与缩孔缺陷,特别对于薄壁部位效果更为明显,但仍存在极少量大尺寸的缩孔难以消除。

(2)   经热等静压处理后,AZ111-T6铝合金叶轮的抗拉强度、屈服强度和伸长率均略有提高,同时各项性能数据的离散度大幅度减小,进一步提高了铸件产品的性能稳定性。

(3)   热等静压处理能有效提高ZL111-T6铝合金叶轮的疲劳寿命,相比未经热等静压处理ZL111-T6铝合金,热等静压处理使其疲劳寿命提高了一倍多。

 

参考文献

[1]谌启明,杨靖,单先裕,.热等经验技术的发展及应用[J].稀有金属与硬质合金,2003,31(2):33-38.

[2]秦添艳.热等静压工艺[J].上海钢研,1999(5):50-51.

[3]王和堂,田桂琴,高和才,.采用热等静压技术提高铸件质量和性能[J].纯碱工业,1995(2):43-44.

[4]MASHI S J,HEBEISEN J C,APELIAN D,et al.Hot isostatic pressing of A356 and 380/383 aluminum alloys:an evaluation of porosity,fatigue properties and processing costs[J].SAE Technical Papers:2000-01-0062.


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