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通过熔配法制备Yb含量分别为0,0.1,0.2和0.35%的Al-4Cu-0.3Mg-0.4Ag合金(质量百分比,下同)。通过金相显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、维氏硬度试验、差示扫描量热分析仪(DSC)、室温拉伸试验、高温单轴拉伸蠕变试验等方法,研究了Yb添加对Al-4Cu-0.3Mg-0.4Ag合金的微观组织和力学性能的影响。获得了Yb含量和热处理制度对蠕变行为的影响。 金相观察表明:Yb添加使合金的晶粒尺寸明显减小,且对晶粒形状也有一定影响:无Yb的Al-Cu-Mg-Ag合金晶粒多为等轴晶,而Al-Cu-Mg-Ag-Yb合金晶粒则主要为条状晶。通过硬度测试,对Yb含量、固溶温度、时效温度和时效时间进行了正交优化试验,发现当Yb含量为0.2%,固溶条件为520℃×2h,时效温度为185℃和时效时间为8h时,合金具有最大硬度。室温拉伸试验表明,相对于没有添加Yb的合金,0.2%和0.35%的Yb添加可使抗拉强度分别提高6.4%和3.8%,屈服强度也分别提高9.1%和6.1%,而延伸率则从无Yb时的13%下降到10%水平。室温拉伸断口SEM观察表明,韧窝较深且内部高低不平,在韧窝内部存在较多的沉淀粒子,随时效时间增加,沉淀粒子尺寸略有变大。EDS能谱分析可知,这些沉淀粒子主要由Al和Cu原子组成,原子比接近2∶1,由此可知,沉淀粒子应为Al2Cu。 相同条件(200℃和200MPa)下的蠕变测试表明,0.2%Yb添加合金具有最佳的高温抗蠕变能力,其蠕变寿命为31.7h,相对于0%Yb(24.6h)和0.35%Yb(27.1h)含量合金,分别提高了29%和17%,相应的最小蠕变速率(ε)min为8.18×10-8s-1,也明显小于0%Yb(1.35×10-7s-1)和0.35%Yb(9.71×10-8s-1)的(ε)min。这表明适量Yb添加的确能提高合金抗蠕变能力。 不同温度和应力下的蠕变测试表明:对三种Yb含量(0%,0.2%和0.35%)合金而言,蠕变表观应力指数n均随蠕变温度降低而增加;在相同蠕变温度下,n随Yb的增加先减小后增加。较大的n和表观激活能Q表明:该合金的蠕变应存在门槛应力σth。取纯Al的应力指数值(4.4),可获得不同温度下的σth。实验发现σth均随着温度升高而近似线性降低。不过蠕变激活能(0,0.2和0.35%Yb含量合金的Q分别为41.9,56.8和50.9kJ/mol)明显小于纯Al的自扩散激活能(142kJ/mol),而与晶界或空位扩散激活能相当。蠕变断口SEM观察表明,随蠕变应力增加,韧窝中析出相尺寸变化不大,但数量有所增加;随蠕变温度提高,韧窝中析出相尺寸则略有变大。 对0.2%Yb含量的Al-Cu-Mg-Ag-Yb合金在不同时效条件下(欠时效、峰时效和过时效)的蠕变行为进行了对比研究。发现在200℃和200MPa下的欠时效和过时效的蠕变寿命分别为68.8和68.4h,明显长于峰时效蠕变寿命(31.7h);相应的最小蠕变速率(ε)min分别为4.96×10-8s-1和4.98×10-8s-1,也明显小于峰时效处理值(8.18×10-8s-1)。对三种时效条件,门槛应力σth均随温度升高近似线性降低,在相同温度下,欠时效与过时效处理的σth明显高于峰值时效。欠时效和过时效的蠕变激活能Q分别为88.3和78.6kJ/mol,明显高于峰时效下的蠕变激活能(56.8kJ/mol)。 TEM观察表明:随Yb含量增加,析出的针状体变长;而随蠕变温度增加,析出的针状体尺寸变化不明显,但分布变得紊乱,合金在欠时效时Ω与θ相共同存在,随着时效时间延长,Ω与θ逐渐减少,相应的衍射斑点变暗,使合金的抗蠕变速率降低。 总之,0.2%Yb添加不仅能提高Al-Cu-Mg-Ag合金的室温抗拉强度,还能改善高温抗蠕变能力,且欠时效和过时效态高温抗蠕变能力明显优于峰值时效。虽然该合金的蠕变可归结为存在蠕变门槛应力的位错蠕变,但所得的蠕变激活能显著小于纯Al的自扩散激活能,而与晶界激活能相当,其内在机理还有待进一步的研究。