超声压力作用下高Fe、Si含量Al-Cu-Mn合金的微观组织和力学性能研究

发布时间：2020-05-30 22:56

【摘要】：Al-Cu合金是一类典型的高强韧铝合金,具有较高的力学性能、良好的加工能力、优良的耐热性能等,在航空航天、交通运输等领域得到广泛应用。高性能铸造Al-Cu合金往往需要严格控制杂质元素,如Fe和Si。因此被迫大量使用低杂质含量的电解铝。随着废杂铝存量的日益增加,杂质控制难度显著增大,为了实现废铝的循环再利用,顺应绿色铸造、节能减排和可持续发展的发展趋势,开发高性能、低成本的新型铝铜合金材料,探索相应的材料制备与成形新技术,对拓展Al-Cu合金的应用具有重要意义。本文以高Fe、Si含量的铸造Al-5.0Cu-0.6Mn合金为研究对象,基于超声处理、中和变质和挤压铸造等手段,利用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、差热分析(DSC)、X射线衍射(XRD)、和同步辐射X射线断层扫描(SRXCT)等手段,分析了Si含量、挤压压力、超声处理以及压力超声复合作用对合金微观组织和力学性能的影响,重点探讨了合金中的富铁相形成特点及其作用。论文的主要结论如下:(1)Si含量和挤压压力显著影响铸态和热处理态高铁含量Al-5.0Cu-0.6Mn合金的微观组织和力学性能。发现当Fe含量为0.7%和1.2%时,随着Si含量由0%增加到1.1%,铸态合金中的富铁相由Al_3(FeMn)和或Al_6(FeMn)转变为α-Fe;在重力铸造下,合金的强度随着Si含量的增加而降低,而在挤压铸造下则随着Si含量的增加而缓慢增加,主要原因是压力使合金中的孔洞消失,细小的α-Fe起钉扎作用阻止位错运动。(2)热处理态合金中,在0.7Fe和1.2Fe合金中,随着Si含量由0%增加到1.1%,富铁相由α(CuFe)向α-Fe转变。合金强度随着Si含量的增加而增加,主要原因是Si促进细小紧凑结构α-Fe的形成和析出弥散分布的T相。75 MPa挤压压力下,T5热处理状态的Al-5.0Cu-0.6Mn-0.7Fe-0.5Si合金获得较佳的综合力学性能,其抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为370 Mpa、270 MPa和8.7%,相对常规高强韧铸造铝合金,F该e合、S金i对杂质含量的要求大幅降低。(3)超声处理和挤压压力对Al-5.0Cu-0.6Mn-0.6Fe的微观组织和力学性能有显著影响,对比研究重力场、超声场、压力场和超声压力复合场下合金的组织和性能发现,超声压力复合场能明显细化合金中的α-Al枝晶,Al_2Cu和富铁相,消除挤压铸造出现的双峰组织,去除合金中的气孔,获得均匀且细小的组织。超声压力复合场下合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别比相应压力场下合金提高8.1%、5.5%和33.6%,比重力铸造合金提高64.5%、58.7%和311.9%。(4)复合场处理时间影响Al-5.0Cu-0.6Mn合金的微观组织。分别超声处理30 s和120 s后发现:120 s超声处理后,超声压力复合场中的合金组织更均匀细小,原因可能是在更长的超声处理时间下,复合场下的合金冷却速度高于其他单一场作用下的合金冷却速度。(5)浇注温度对超声压力复合作用Al-5.0Cu-0.6Mn-0.5Fe合金微观组织有一定影响。在含0.5Fe和0.5Si的合金中,当浇注温度为710oC时,合金中的晶粒尺寸和二次枝晶的尺寸最小,合金的力学性能最佳。(6)采用同步辐射X射线技术三维重构了高Fe含量Al-5.0Cu-0.6Mn合金中富铁相和Al_2Cu的形貌特征。发现富铁相和Al_2Cu都是空间相互连通的复杂网状结构。1.0Fe合金中富铁相和Al_2Cu的表面平均曲率都比0.5Fe合金的高。1.0Fe合金中富铁相的节点长度比0.5Fe合金的长,而Al_2Cu的节点长度变化与之相反。这是因为Fe含量增加,富铁相由紧凑的汉字状转变为长棒状,而Al_2Cu的形成受合金凝固后期α-Al和富铁相共晶反应的影响。(7)采用同步辐射X射线技术三维重构了高Fe含量Al-5.0Cu-0.6Mn合金中孔洞的形貌特征。合金中的孔洞主要有等轴状相互连通的收缩凝固孔洞和近球状的氢气孔。孔洞的球形度主要分布在0.4-1.0之间,等效直径分布在10-20μm之间,其球形度与等效直径遵循幂函数关系。1.0Fe合金中孔洞的平均曲率正值比0.5Fe合金的多,且收缩凝固孔洞平均曲率正值较高的部分与共晶反应接触,而平均曲率负值较高的部分与铝枝晶尖端接触。(8)对超声压力复合场下高Fe、Si含量Al-5.0Cu-0.6Mn合金进行了微观组织的三维重构,从三维角度更全面地说明了超声压力复合作用可以明显地细化合金中的富铁相(α-Fe)和Al_2Cu,抑制合金中的孔洞,使合金中的组织更加细小和分布更加均匀。
【图文】：

汽车车身,铝合金,密度,强度

[5]。图1-1 （a）铝合金在所有材料中的密度和强度关系[6]；（b）铝合金在汽车车身和飞机上的应用[7, 8]。Fig. 1-1 (a) The relationship of desity and strength of aluminium alloy in different materials;(b) the application of aluminium alloys in the field of automobile and airplane通过提高铝合金的纯净度，并降低合金的杂质含量，是获得高性能铝合金的一个重要发展方向和有效途径[9, 10]。铝合金中常见的杂质元素有Fe和Si等，且其对合金的力学性能危害较大[11]。因此，目前绝大多数高强铝合金都对Fe和Si都限制在较低的含量。例如，我国研发的高强韧铸造铝合金ZL205A，，Fe和Si含量要求分别不大于0.15和0.06 wt.%（下文统一为质量分数，除非另外说明）。在206.0Al-Cu合金中的最大含Fe和Si杂质含量分别低于0.15和0.10 %，在A206.2 Al-Cu合金中Fe和Si杂质含量低于0.10和0.05 %[12]。在

再生铝合金,原铝,全球,铝合金

（b）全球原铝，再生铝合金所占比例趋势变化图 1-2 全球原铝，再生铝合金和铝合金总量变化趋势[11]ration of global primary aluminium production, recycling prometal productionl-Cu 合金的中和变质处理了抑制Al-Cu合金中富铁相的危害并提高合金的力学性能径是通过物理外场（如超声场、磁场、压力场和复合场）[布；另一种途径是添加Mn、Si、Co和Cr等[22-44]元素进行中 Al-Cu 合金中添加不同的合金元素，如 Mn、Ti、Ni、V 和强和耐热铝合金。Al-Cu 合金的共晶温度为 548 °C，共晶
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.21

【参考文献】