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      液氮深冷箱在鋁合金上的研究進展 發布時間:2021-08-26

        導讀:深冷處理(Cryogenictreatment)又稱超低溫處理,是指以液氮為冷卻介質,在低于-100℃以下的環境下對材料進行處理的一種工藝方法。材料在低溫下由于微觀組織結構發生了改變,殘余應力得到釋放,在宏觀上表現為耐磨性、尺寸穩定性、綜合力學性能等方面的提高。

        隨著低溫技術的發展和試驗手段的完善,人們對深冷處理的研究逐步深入,從20世紀三四十年代開始,國外學者就開始研究深冷處理對金屬材料性能和組織的影響。到20世紀七八十年代,深冷處理在國外已發展成一種常規的材料處理工藝并在工業中得到廣泛應用。近年來,深冷處理技術在國內也受到廣泛重視,除涉及鋼鐵材料外,現已延伸到銅合金、鎂合金、鋁合金、鈦合金及非金屬材料。該技術的應用行業遍布航空航天、精密儀器儀表、工模具、量具、紡織機械零件、汽車工業和軍事科學等諸多領域。


        鋁合金具有密度低、強度高、熱加工性能好等優點,一直是航空航天、新型軌道交通、裝備制造業等眾多領域中廣泛應用的結構材料。隨著航空航天領域的不斷發展,人們對鋁合金的力學性能提出了更高的要求,此外,鋁合金大型精密結構件的尺寸穩定性一直是制約高端裝備制造的瓶頸問題,這導致了產品合格率低,加工工藝復雜、生產成本高,嚴重阻礙我國空天力量的快速穩健發展。針對上述問題,研究有效且可靠、穩定的工藝方法,進一步改善鋁合金的綜合力學性能,提高合金的尺寸穩定性及耐腐蝕性十分必要。

        從目前的研究結果來看,通過液氮深冷箱進行深冷處理可以消除鋁合金的殘余應力,提高合金的尺寸穩定性,減少加工變形,該方法已經在工業領域得到廣泛應用。此外,深冷處理還能提高鋁合金的強度、塑性、沖擊韌性等力學性能。

        一、深冷處理對力學性能的影響

        深冷處理在改善鋼鐵材料性能方面表現出明顯的效果,通過促使組織中的殘余奧氏體轉變為馬氏體并在馬氏體基體上析出彌散分布的碳化物顆粒以實現材料硬度、強度、韌性、耐磨性的提升。目前,對鋼鐵材料的深冷處理研究已較為成熟,理論方面已達成廣泛共識,而鋁合金深冷處理的研究相對較少。

        深冷處理作為傳統熱處理的補充工藝,通常需要與傳統熱處理進行結合,才能對合金的微觀組織起到有效的調控作用,從而最大程度改善材料的性能。深冷處理能夠有效提高鋁合金的強度、硬度、韌性等性能,然而其改善效果與深冷處理工藝密切相關,目前對于深冷處理效果與工藝之間的關系還缺乏廣泛的共識,內在的影響規律有待深入研究。因此,掌握深冷處理工藝參數對鋁合金力學性能的影響規律,優化鋁合金深冷處理工藝,對推動深冷處理技術在鋁合金相關行業上的應用和發展具有重大意義

        二、深冷處理對鋁合金尺寸穩定性的影響

        鋁合金零件在淬火過程中由于溫度梯度的存在會在零件內部產生較大的殘余應力。在后續機械加工中,由于零件內應力的釋放會使加工后的零件發生變形,從而影響零件的精度。加工過程中加工應力的存在同樣會導致鋁合金零件的尺寸不穩定。另外,鋁合金在熱處理過程中析出相的變化也會對尺寸穩定性產生影響。鋁合金固溶后尺寸的變化是固溶體的分解和強化相的析出及聚集造成的。因此,在鋁合金加工制造領域,提高加工零件的尺寸穩定性是制造鋁合金過程中的關鍵環節。

        三、深冷處理對鋁合金腐蝕性能的影響

        早在20世紀80年代末,Barron教授研究了深冷處理對幾種鋼腐蝕速率的影響,結果表明,與相應的未深冷處理鋼相比深冷處理后S-2工具鋼的腐蝕速率減小了43.98%,M-1工具鋼和4242鋼的腐蝕速率減小了18.75%、7.76%,316和410不銹鋼的腐蝕速率分別減小了3.38%、5.81%,說明深冷處理能夠提高鋼鐵材料的耐腐蝕性。國內有學者嘗試采用深冷處理改善口腔醫用合金的耐腐蝕性以及黃銅的耐腐蝕性,宏觀結果均表明深冷處理能夠有效改善合金的耐腐蝕性。

        鋁合金具有高的比強度、硬度及良好的韌性,被廣泛應用于航空航天、兵器、交通運輸及建筑等行業,然而該材料的抗蝕性差,影響其應用的安全可靠性。目前深冷處理對提高鋁合金抗蝕性的研究相對較少。

        四、鋁合金深冷處理的微觀機理

        鋁合金的微觀組織主要由基體相和析出相組成,經固溶處理后會得到過飽和固溶體。深冷處理過程中,由于溫度降低會引起晶格收縮,使得Al的晶格常數縮小,導致溶質原子的過飽和度加大,由此增加了溶質原子析出的驅動力。此外,深冷溫度下合金中空位的平衡濃度較低,長時間低溫保溫不僅使空位濃度進一步降低,還會促進溶質原子的析出。由此形成大量均勻分布的GP區(合金中的溶質原子(Al)聚集區)核心,在隨后的人工時效過程中成為過渡相的核心,從而縮短了GP區的孕育期,加速過渡相的轉變。此外,鋁合金降溫及低溫保溫過程中,晶格收縮促使合金的微觀結構積累大量的彈性應變能,這些能量可以在升溫的過程中為第二相析出提供驅動力。

        五、小結

        通過德捷力液氮深冷箱進行深冷處理能夠提高鋁合金的強度、韌性、尺寸穩定性和耐腐蝕性,是一種改善鋁合金性能的有效工藝。然而,要達到理想的改性效果,處理工藝是核心,如深冷處理工藝與傳統熱處理的結合工序以及深冷過程自身的工藝參數均會產生不同程度的影響。

        尺寸穩定性差是目前鋁合金結構件加工制造過程中普遍存在的問題。深冷處理技術在降低鋁合金殘余應力,提高尺寸穩定性等方面效果顯著。從工藝方面看,目前主要有上坡淬火和冷熱循環處理兩種方法,考慮到對處理過程的可控性及其綜合的改善效果,深冷循環處理受到了學者們的重視。

        深冷處理在某種程度上能夠對鋁合金起到預時效作用,通過晶格內應力的增加為鋁合金析出過程提供更大的驅動力,因此,普遍認為深冷處理能夠促使鋁合金二次相的析出。此外,深冷處理通過對析出相的影響及晶格內應力的調整,增強了位錯的穩定性,從而改善材料力學性能和尺寸穩定性。然而,對鋁合金不同處理工藝過程中微觀組織的轉變機制研究還需要深入開展相關工作。

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