Quelles sont les caractéristiques, les principaux éléments d’alliage et les fonctions des alliages d’aluminium de la série 2xxx ?
(1) Caractéristiques des alliages d'aluminium de la série 2xxx
Les alliages d'aluminium de la série 2xxX sont des alliages d'aluminium dont le cuivre est le principal élément d'alliage. Ils comprennent les alliages Al-Cu-Mg, les alliages Al-Cu-Mg-Fe-Ni et les alliages Al-Cu-Mn. Ces alliages sont des alliages d'aluminium traités thermiquement.
Les alliages d'aluminium de la série 2xXX se caractérisent par une résistance élevée et sont généralement appelés alliages d'aluminium durs. Ils ont une bonne résistance à la chaleur et de bonnes propriétés de traitement, mais leur résistance à la corrosion n'est pas aussi bonne que la plupart des autres alliages d'aluminium. Dans certaines conditions, une corrosion intergranulaire se produit. Par conséquent, la plaque doit souvent être recouverte d'une couche d'aluminium pur ou d'une couche d'alliage d'aluminium de la série 6xXx qui a une protection électrochimique pour la plaque centrale afin d'améliorer considérablement sa résistance à la corrosion. Parmi eux, l'alliage Al-Cu-Mg-Fe-Ni a une composition chimique et une composition de phase extrêmement complexes. Il a une résistance élevée à haute température et de bonnes performances de processus. Il est principalement utilisé pour les pièces résistantes à la chaleur fonctionnant en dessous de 150 à 250 degrés ; bien que la résistance à température ambiante de l'alliage AI-Cu-Mn soit inférieure à celle de l'alliage Al-Cu-Mg 2A12 et 2A14, sa résistance est supérieure à celle des deux à 225 à 250 degrés ou plus. De plus, l'alliage a de bonnes performances de processus et est facile à souder. Il est principalement utilisé dans les pièces de structure soudables résistantes à la chaleur et les pièces forgées. Cette série d'alliages est largement utilisée dans les domaines de l'aviation et de l'aérospatiale.
(2) Principaux éléments d'alliage et leurs rôles
①Les principales nuances d'alliages AI-Cu-Mg sont 2A01, 2A02, 2A06, 2A10, 2A11, 2A12, etc. Les principaux éléments ajoutés sont Cu, Mg et Mn.
Leurs effets sur les alliages sont les suivants.
a. Effet de la teneur en Cu et Mg sur les propriétés mécaniques des alliages. Lorsque la teneur en Mg est de 1%~2%, lorsque la teneur en Cu augmente de 1.0% à 4%, la résistance à la traction de l'alliage à l'état trempé augmente de 200MPa à 380MPa ; la résistance à la traction de l'alliage à l'état de vieillissement naturel trempé augmente de 300MPa à 480MPa. Lorsque la teneur en Cu est dans la plage de 1%~4%, lorsque la teneur en Mg augmente de 0.5% à 2.0%, la résistance à la traction de l'alliage augmente ; lorsque la teneur en Mg continue d'augmenter, la résistance de l'alliage diminue.
La résistance à la traction de l'alliage contenant 4,0% Cu et 2,0% Mg est la plus élevée ; l'alliage contenant 3%~4% Cu et 0,5%~1,3% Mg présente l'effet de trempe et de vieillissement naturel le plus élevé. Le test montre que la résistance à la traction de l'alliage ternaire AI-Cu-Mg contenant 4%~6% Cu et 1%~2% Mg peut atteindre 490~510MPa dans l'état de trempe et de vieillissement naturel.
b. Influence de la teneur en Cu et en Mg sur la résistance à la chaleur de l'alliage. D'après les valeurs d'essai de résistance à l'endurance de l'alliage AI-Cu-Mg contenant 0,6 % de manganèse à 200 degrés et une contrainte de 160MPa, on peut voir que l'alliage contenant 3,5 % à 6 % de Cu et 1,2 % à 2,0 % de Mg présente la résistance à l'endurance la plus élevée. À ce stade, l'alliage est situé sur ou à proximité de la section pseudo-binaire AI-S (AlCuMg). L'alliage s'éloigne de la section pseudo-binaire, c'est-à-dire lorsque la teneur en Mg est inférieure à 1,2 % et la résistance maximale est supérieure à 2,0 %, sa résistance à l'endurance diminue. Si la teneur en Mg est augmentée à 3,0 % ou plus, la résistance à l'endurance de l'alliage diminuera rapidement.
Des règles similaires ont été obtenues lors de l'essai à 250 degrés et 100 MPa de contrainte. La littérature indique que l'alliage avec la plus grande résistance à l'endurance à 300 degrés est situé dans la région de phase +S à droite de la section binaire AI-S avec une teneur en Mg plus élevée.
c. Effet de la teneur en Cu et Mg sur la résistance à la corrosion des alliages. Les alliages binaires Al-Cu avec une teneur en Cu de 3% à 5% ont une très faible résistance à la corrosion à l'état de trempe et de vieillissement naturel. L'ajout de 0,5% de Mg peut réduire le potentiel d'une solution solide et améliorer partiellement la résistance à la corrosion de l'alliage. Lorsque la teneur en Mg est supérieure à 1,0%, la corrosion locale de l'alliage augmente et l'allongement après corrosion diminue fortement. Pour les alliages avec une teneur en Cu supérieure à 4,0% et une teneur en Mg supérieure à 1,0%, Mg réduit la solubilité du Cu dans Al. À l'état trempé, l'alliage a des phases CuAl₂ et S insolubles, et la présence de ces phases accélère la corrosion. Les alliages avec une teneur en Cu de 3 à 5 % et une teneur en Mg de 1 à 4 % se situent dans la même zone de phase et leur résistance à la corrosion est similaire dans l'état de trempe et de vieillissement naturel. Les alliages de la zone de phase aS ont une résistance à la corrosion plus faible que ceux de la zone a-CuAl₂-S. La corrosion intergranulaire est la principale tendance à la corrosion des alliages Al-Cu-Mg.
Mn : Le Mn est ajouté à l'alliage Al-Cu-Mg principalement pour éliminer les effets nocifs du Fe et améliorer la résistance à la corrosion. Le Mn peut légèrement augmenter la résistance à température ambiante de l'alliage, mais réduire la plasticité. Le Mn peut également retarder et affaiblir le processus de vieillissement artificiel de l'alliage Al-Cu-Mg et améliorer la résistance à la chaleur de l'alliage. Le Mn est également l'un des principaux facteurs qui permettent à l'alliage Al-Cu-Mg d'avoir un effet d'extrusion. L'ajout de Mn est généralement inférieur à 1,0%. Si la teneur est trop élevée, des composés cassants grossiers (FeMn)Al6 peuvent se former, réduisant la plasticité de l'alliage.
d. La petite quantité d'oligo-éléments ajoutés aux alliages Al-Cu-Mg comprend Ti et Zr, et les impuretés sont principalement Fe, Si et Zn, etc., et leurs effets sont les suivants.
Ti : L’ajout de Ti à l’alliage peut affiner les grains coulés et réduire la tendance à former des fissures pendant la coulée.
Zr : Une petite quantité de Zr a un effet similaire à celui du Ti, en affinant les grains de coulée, en réduisant la tendance à la fissuration lors de la coulée et du soudage et en améliorant la plasticité des lingots et des joints soudés. L'ajout de Zr n'affecte pas la résistance des produits déformés à froid contenant des alliages de manganèse
Il améliore légèrement la résistance des alliages sans Mn. Si : Pour les alliages Al-Cu-Mg avec une teneur en Mg inférieure à 1,0%, une teneur en Si supérieure à 0,5% peut améliorer la vitesse et la résistance du vieillissement artificiel sans affecter la capacité de vieillissement naturel. Étant donné que Si et Mg forment une phase Mg2Si, cela est bénéfique pour l'effet de vieillissement artificiel. Cependant, lorsque la teneur en Mg est augmentée à 1,5 %, après un traitement de vieillissement naturel par trempe ou de vieillissement artificiel, la résistance et la résistance à la chaleur de l'alliage diminuent avec l'augmentation de la teneur en Si. Par conséquent, la teneur en Si doit être réduite autant que possible. De plus, l'augmentation de la teneur en Si augmentera la tendance des alliages tels que 2A12 et 2A06 à former des fissures pendant la coulée et réduira la plasticité pendant le rivetage. Par conséquent, la teneur en Si dans l'alliage est généralement limitée à moins de 0,5 %. Pour les alliages nécessitant une plasticité élevée, la teneur en Si doit être inférieure.
Fe : Fe et Al forment des composés FeAl3 et se dissolvent dans des composés formés par des éléments tels que Cu, Mn et Si. Ces composés grossiers qui ne se dissolvent pas dans la solution solide réduisent la plasticité de l'alliage et l'alliage est sujet à la fissuration lors de la déformation. Et l'effet de renforcement est considérablement réduit. Une petite quantité de Fe (moins de 0,25 %) a peu d'effet sur les propriétés mécaniques de l'alliage, améliore la tendance à la formation de fissures lors de la coulée et du soudage, mais réduit le taux de vieillissement naturel. Afin d'obtenir des matériaux hautement plastiques, les teneurs en Fe et Si dans l'alliage doivent être aussi faibles que possible.
Zn : Une petite quantité de Zn ({{0}},1%~0,5%) a peu d'effet sur les propriétés mécaniques à température ambiante des alliages Al-Cu-Mg, mais réduit la résistance à la chaleur de l'alliage. La teneur en Zn de l'alliage doit être limitée à moins de 0,3 %.
② Alliage Al-Cu-Mg-Fe-Ni Les principales nuances d'alliages de cette série d'alliages sont 2A70, 2A80, 2A90, etc.Le rôle de chaque élément d’alliage est le suivant.
Cu et Mg : L'influence de la teneur en Cu et Mg sur la résistance à température ambiante et la résistance à la chaleur des alliages ci-dessus est similaire à celle de l'alliage AI-Cu-Mg. Étant donné que la teneur en Cu et Mg de cette série d'alliages est inférieure à celle de l'alliage AI-Cu-Mg, l'alliage se situe dans la région biphasée a+ S (AlCuMg), de sorte que l'alliage présente une résistance à température ambiante plus élevée et une bonne résistance à la chaleur ; de plus, lorsque la teneur en Cu est faible, la solution solide à faible concentration a une faible tendance à se décomposer, ce qui est bénéfique pour la résistance à la chaleur de l'alliage.
Ni : Ni et Cu dans l'alliage peuvent former un composé ternaire insoluble. Lorsque la teneur en Ni est faible, (AICuNi) se forme, et lorsque la teneur en Ni est élevée, Al3(CuNi)2 se forme. Par conséquent, la présence de Ni peut réduire la concentration de Cu dans la solution solide. Les résultats de mesure de la constante de réseau à l'état trempé prouvent également l'épuisement des atomes de soluté de Cu dans la solution solide de l'alliage. Lorsque la teneur en Fe est très faible, l'augmentation de la teneur en Ni peut réduire la dureté de l'alliage et réduire l'effet de renforcement de l'alliage.
Fe : Comme le Ni, le Fe peut également réduire la concentration de Cu dans la solution solide. Lorsque la teneur en nickel est très faible, la dureté de l'alliage diminue considérablement au début avec l'augmentation de la teneur en Fe, mais lorsque la teneur en Fe atteint une certaine valeur, elle recommence à augmenter.
Ni et Fe : Lorsque Fe et Ni sont ajoutés à l'alliage AICu2.2Mg1.65 en même temps, les caractéristiques de changement de dureté sous vieillissement naturel de trempe, vieillissement artificiel de trempe, trempe et recuit sont similaires, et une valeur maximale apparaît à la position où les teneurs en Ni et Fe sont similaires, et la constante de réseau dans l'état de trempe apparaît une valeur minimale à ce point.
Lorsque la teneur en Fe de l'alliage est supérieure à la teneur en Ni, la phase Al7Cu2Fe apparaît. Au contraire, lorsque la teneur en Ni de l'alliage est supérieure à la teneur en Fe, la phase AlCuNi apparaît. L'apparition de la phase ternaire contenant du Cu ci-dessus réduit la teneur en Cu de la solution solide. Ce n'est que lorsque les teneurs en Fe et en Ni sont égales que toutes les phases AlgFeNi sont générées. Dans ce cas, comme il n'y a pas d'excès de Fe ou de Ni pour former une phase insoluble contenant du Cu, le Cu de l'alliage forme non seulement la phase S (Al2CuMg), mais augmente également la concentration de Cu dans la solution solide, ce qui est bénéfique pour améliorer la résistance de l'alliage et sa résistance à la chaleur.
La teneur en Fe et Ni peut affecter la résistance à la chaleur de l'alliage. La phase AlgFeNi est un composé dur et cassant avec une très faible solubilité dans l'aluminium. Après le forgeage et le traitement thermique, lorsqu'ils sont dispersés et distribués dans la structure, ils peuvent améliorer considérablement la résistance à la chaleur de l'alliage. Par exemple, l'alliage AICu2.2Mg1.65 contient 1,0% Ni et l'alliage avec 0,7%~0,9% Fe a la valeur de résistance durable la plus élevée.
Si : l’ajout de 0,5 % à 1,2 % de Si à l’alliage 2A80 améliore la résistance à température ambiante de l’alliage, mais réduit la résistance à la chaleur de l’alliage.
L'ajout de {{0}}.02%~0.1% Ti à l'alliage Ti:2A70 affine les grains moulés et améliore les performances du processus de forgeage, ce qui est bénéfique pour la résistance à la chaleur, mais a peu d'effet sur les performances à température ambiante.
③ Alliage Al-Cu-Mn. Les principales nuances d'alliages de cette série d'alliages sont 2A16, 2A17, etc.
Les fonctions des principaux éléments d’alliage sont les suivantes.
Cu : à température ambiante et à haute température, à mesure que la teneur en Cu augmente, la résistance de l'alliage augmente. Lorsque la teneur en Cu atteint 5,0%, la résistance de l'alliage est proche de la valeur maximale. De plus, le Cu peut améliorer les performances de soudage de l'alliage.
Mn : Le Mn est l'élément principal pour améliorer l'alliage résistant à la chaleur. Il augmente l'énergie d'activation des atomes dans la solution solide, réduit le coefficient de diffusion des atomes de soluté et la vitesse de décomposition de la solution solide. Lorsque la solution solide se décompose, le processus de formation et de croissance de la phase précipitée T (Al2oCu2Mn3) est également très lent, de sorte que l'alliage est également très stable lorsqu'il est chauffé pendant une longue période à une certaine température élevée. L'ajout de Mn approprié (0,6%~0,8%) peut améliorer la résistance à température ambiante et la résistance à l'endurance de l'alliage dans l'état de trempe et de vieillissement naturel. Cependant, si la teneur en Mn est trop élevée, la phase T augmente, l'interface augmente, l'effet de diffusion est accéléré et la résistance à la chaleur de l'alliage est réduite. De plus, le Mn peut également réduire la tendance à la fissuration lors du soudage de l'alliage.
Les oligo-éléments ajoutés à l'alliage Al-Cu-Mn sont Mg, Ti et Zr, tandis que les principaux éléments d'impureté sont Fe, Si, Zn, etc., et leurs effets sont les suivants.
Français : Mg : Lorsque la teneur en Cu et Mn de l'alliage 2A16 reste inchangée, on ajoute 0,25 % à 0,45 % de Mg pour former l'alliage 2A17. Le Mg peut améliorer la résistance à température ambiante de l'alliage et améliorer la résistance à la chaleur en dessous de 150~225 degrés. Cependant, lorsque la température augmente encore, la résistance de l'alliage diminue considérablement. Cependant, l'ajout de Mg peut détériorer les performances de soudage de l'alliage, donc dans l'alliage 2A16 utilisé pour la soudabilité à la chaleur, la teneur en impureté Mg ne doit pas dépasser 0,05 %. Ti : Le Ti peut affiner les grains coulés, augmenter la température de recristallisation de l'alliage, réduire la tendance à la décomposition de la solution solide sursaturée et stabiliser la structure de l'alliage à haute température. Cependant, lorsque la teneur en Ti est supérieure à {{20}},3 %, des composés TiAls grossiers en forme d'aiguilles sont générés, ce qui réduit la résistance à la chaleur de l'alliage. La teneur en Ti de l'alliage est spécifiée comme étant de 0,1 % à 0,2 %. Zr : Lorsque 0,1 % à 0,25 % de Zr sont ajoutés à l'alliage 2219, les grains peuvent être affinés et la température de recristallisation et la stabilité de la solution solide de l'alliage peuvent être augmentées, améliorant ainsi la résistance à la chaleur de l'alliage et améliorant la soudabilité de l'alliage et la plasticité de la soudure. Cependant, lorsque la teneur en Zr est élevée, des composés ZrAl3 plus cassants peuvent être générés.
Fe : Lorsque la teneur en Fe de l'alliage dépasse {{0}},45 %, une phase insoluble AlCu2Fe se forme, ce qui peut réduire les propriétés mécaniques de l'alliage dans l'état de trempe et de vieillissement et la résistance à l'endurance à 300 degrés. Par conséquent, la teneur en Fe doit être limitée à moins de 0,3 %.
Si : Une petite quantité de Si ({{0}},4 %) n'a pas d'effet évident sur les propriétés mécaniques à température ambiante, mais réduit la résistance à l'endurance à 300 degrés. Lorsque la teneur en Si dépasse 0,4 %, les propriétés mécaniques à température ambiante de l'alliage seront réduites. Par conséquent, la teneur en Si est limitée à moins de 0,3 %.
Zn : Une petite quantité de Zn ({{0}}.3%) n'a aucun effet sur les propriétés à température ambiante de l'alliage, mais elle peut accélérer la vitesse de diffusion du Cu dans l'Al et réduire la résistance à l'endurance de l'alliage à 300 degrés, elle est donc limitée à moins de 0,1 %.
Quels sont les types et les utilisations des alliages d’aluminium de la série 2xxx ?
Alliage 2011
Types : tubes tréfilés, barres travaillées à froid, fils travaillés à froid
Applications : vis et produits usinés nécessitant de bonnes performances de coupe
Alliage 2014
Types : plaques, tôles épaisses, tubes étirés, tubes extrudés, barres, profilés, fils, barres écrouies, fils écrouis, pièces forgées
Applications : utilisé dans les applications nécessitant une résistance et une dureté élevées (y compris les températures élevées). Les pièces forgées lourdes, les plaques épaisses et les matériaux extrudés sont utilisés pour les pièces de structure d'aéronefs, les réservoirs de carburant du premier étage de fusées à plusieurs étages et les pièces d'engins spatiaux, les roues, les châssis de camions et les pièces de systèmes de suspension
Alliage 2017
Types : plaques, profilés extrudés, barres travaillées à froid, fils travaillés à froid, fils à rivets, pièces forgées
Applications : Il s'agit du premier alliage de la série 2XXX à être appliqué industriellement. Son domaine d'application actuel est relativement restreint, principalement les rivets, les pièces de machines générales, les avions, les navires, les transports, les pièces structurelles de bâtiments, les pièces structurelles de véhicules de transport, les hélices et les accessoires
Alliage 2024
Variétés : Plaques, tôles épaisses, tubes étirés, tubes extrudés, profilés, barres, fils, barres écrouies, fils écrouis, fils à rivets
Applications : structures d'aéronefs (revêtements, cadres, nervures, cloisons, etc.), rivets, composants de missiles, roues de camions, composants d'hélices et autres pièces structurelles diverses
Alliage 2036
Variétés : tôles de carrosserie automobile
Applications : Pièces de tôlerie pour carrosserie automobile
Alliage 2048
Variétés : Assiettes
Applications : Pièces structurelles aérospatiales et pièces structurelles d'armes
Alliage 2117
Variétés : Barres et fils travaillés à froid, fils à rivets
Applications : Utilisés comme rivets pour les pièces structurelles avec des températures de fonctionnement ne dépassant pas 100 degrés
Alliage 2124
Variétés : Plaques épaisses
Applications : Pièces structurelles aérospatiales
Alliage 2218
Variétés : Pièces forgées, feuilles
Applications : Pistons de moteurs d'avion et de moteurs diesel, culasses de moteurs d'avion, turbines de moteurs à réaction et segments de compresseur
Alliage 2219
Variétés : Plaques, tôles épaisses, feuilles, tubes extrudés, profilés, barres, fils, barres écrouies, pièces forgées
Applications : Soudage de réservoirs d'oxydants et de réservoirs de carburant pour fusées spatiales, revêtements et pièces structurelles d'avions supersoniques, température de fonctionnement -270~300 degrés. Bonne soudabilité, ténacité élevée à la rupture, résistance élevée à la fissuration par corrosion sous contrainte à l'état T8
Alliage 2319
Variété : Fil
Application : Baguettes de soudage et brasures d'apport pour le soudage de l'alliage 2219
Alliage 2618
Variété : Tôles épaisses, barres extrudées, pièces forgées et forgées
Application : Cylindres de moteur et autres pièces, ainsi que pièces résistantes à la chaleur qui nécessitent un travail à 150~250 degrés. Les plaques épaisses sont utilisées comme revêtements d'avion, les barres, les pièces forgées et les pièces forgées libres sont utilisées pour fabriquer des pistons, des avions
Alliage 2A01
Variété : Barres et fils travaillés à froid, fils à rivets
Application : Utilisé comme rivets pour les pièces structurelles avec des températures de fonctionnement ne dépassant pas 100 degrés
Alliage 2A02
Variété : Barres, pièces forgées
Application : Aubes de compresseur axial, roues et disques de turboréacteurs avec des températures de fonctionnement de 200 à 300 degrés
Alliage 2A04
Variété : Fils à rivets
Application : Utilisé pour fabriquer des rivets pour des pièces structurelles avec une température de fonctionnement de 120 à 250 degrés
Alliage 2A06
Variété : Plaque, profilé extrudé, fil riveté
Application : Pièces structurelles d'aéronefs avec une température de fonctionnement de 150 à 250 degrés et rivets structurels d'aéronefs avec une température de fonctionnement de 125 à 250 degrés
Alliage 2A10
Variété : Fil à riveter
Application : Résistance supérieure à celle de l'alliage 2A01, utilisé pour fabriquer des rivets de structure d'aéronefs avec une température de travail inférieure ou égale à 100 degrés
Alliage 2A50
Variété : Pièces forgées, barres, plaques
Application : Pièces de résistance moyenne avec formes complexes
Alliage 2B50
Variété : Pièces forgées
Application : roue de compresseur de moteur d'avion, roue de guidage, ventilateur, turbine, etc.
Alliage 2A90
Variété : Barres extrudées, pièces forgées et forgées
Application : Pièces de moteurs d'avions et autres pièces à haute température de fonctionnement, les pièces forgées en alliage sont progressivement remplacées par du 2A70