Cu合金组织和高温性能的影响规律及机制

发布时间：2016-07-14 02:07

  本文关键词：La、Pr对铸造Al-Cu合金组织和高温性能的影响规律及机制，由笔耕文化传播整理发布。

《吉林大学》 2012年

La、Pr对铸造Al-Cu合金组织和高温性能的影响规律及机制

要东明  

【摘要】：近些年来,飞机、汽车等制造业为了降低油耗、节约资源、能源和保护环境,对结构材料的高性能化,结构件的轻量化要求日益迫切。铝合金结构材料以其质轻、高强韧、耐腐蚀等优点,在汽车、航空航天和国防军工等领域具有广阔的应用前景。但由于铝合金的高温强度较低,使其应用范围受到限制,所以,提高铝合金的高温强度及其机制研究具有重要的理论意义和实际应用价值。 在铸造铝合金中,铸造Al-Cu合金具有很高的室温力学性能,与变形铝合金相比,具有成本低、工艺简单、能够制作复杂工件等优点。但是铸造Al-Cu合金的高温强度和抗蠕变性能较差。因此,提高铸造Al-Cu合金的高温性能和抗蠕变性能,是扩大铸造Al-Cu合金应用范围急需解决的重大关键问题。 本文以铸造Al-Cu合金作为研究对象,系统地研究了单一稀土La或Pr变质以及La+Pr复合变质对铸造Al-Cu合金显微组织、力学性能和抗蠕变性能的影响,并探讨了稀土变质铸造Al-Cu合金的蠕变特性和稀土的作用机理。本文主要研究结果如下： 1.揭示出稀土La或Pr变质铸造Al-Cu合金的室温和高温强韧性都明显高于未变质合金。未变质合金在室温、180℃和220℃下的抗拉强度和延伸率分别为475MPa和8.4%,283MPa和9.6%,220MPa和10.4%；0.3wt.%La(或Pr)变质合金在同等温度下的抗拉强度和延伸率分别为520MPa和13.6%(514MPa和11.7%),320MPa和14.2%(307MPa和12.8%),270MPa和14.7%(263MPa和13.6%)。比未变质合金在同等温度下的抗拉强度和延伸率提高了9.47%和61.9%(8.21%和39.28),13.07%和47.92%(8.48%和33.3%),22.72%和41.34%(19.55%和30.77%)。0.2wt.%La+0.1wt.%Pr复合变质Al-Cu在室温、180℃和220℃下的抗拉强度和延伸率分别为536MPa和14.0%,335MPa和14.5%,273MPa和15.1%。由此可见,La和Pr复合变质合金的抗拉强度和延伸率要高于单一稀土La或Pr变质合金。 2.揭示出稀土La或Pr的添加明显地强化了铸造Al-Cu合金的时效行为。0.3wt.%La(或Pr)变质Al-Cu合金在165℃、185℃和250℃时效温度下的峰值硬度分别为187HV、180HV和138HV(183HV、174HV和132HV),比未变质合金在相应温度下的峰值硬度172HV、157HV和116HV,提高了8.7%、14.6%和19%(6.4%、10.8%和13.8%)。0.2wt.%La+0.1wt.%Pr复合变质Al-Cu在165℃、185℃和250℃时效温度下的峰值硬度分别为191HV、185HV和142HV,比未变质合金峰值硬度提高了11.05%、17.83%和22.41%。发现了在250℃时效温度下,La或Pr变质Al-Cu合金到达时效峰值硬度的时间分别为4h和5h,而未变质Al-Cu合金峰值时效时间为6h,La或Pr变质合金比未变质合金峰值时间提前了33.3%和16.7%。在250℃下,La和Pr复合变质Al-Cu合金到达峰值硬度的时间与La变质合金的相同。 3.揭示出未变质合金与La或Pr变质合金的蠕变机制为位错攀移控制蠕变机制。在蠕变温度为180℃、200℃和220℃,外加应力为60MPa、70MPa、80MPa和90MPa的条件下,0.3wt.%La或Pr变质Al-Cu合金的抗蠕变性能比未变质合金分别提高了3-4倍和2-3倍,0.2wt.%La+0.1wt.%Pr复合变质Al-Cu的抗蠕变性能比未变质合金提高了5-6倍。La或Pr单一变质和La+Pr复合变质合金的蠕变表观激活能均高于未变质合金的。发现了在外加应力60MPa下,未变质合金的表观激活能205KJ/mol,0.3wt.%La或Pr单一变质和0.2wt.%La+0.1wt.%Pr复合变质合金的蠕变表观激活能分别为274KJ/mol,249KJ/mol和307KJ/mol；因此,复合变质合金的抗高温蠕变性能最好。 4.揭示出稀土La、Pr均能够明显地细化铸造Al-Cu合金的铸态组织。未变质合金的α-Al枝晶尺寸在100-180μm之间,0.3wt.%La或Pr单一变质和0.2wt.%La+0.1wt.%Pr复合变质合金的α-Al枝晶尺寸在65-85μm,80-95μm和60-80μm之间。发现了在La变质铸造Al-Cu合金中,La与合金中的Al和Ti元素形成了Al20Ti2La相,该相可作为初生α-Al相形核的异质核心,从而减小了初生α-Al枝晶的尺寸。同时,在凝固过程中,La和Pr发生了溶质再分配,聚集在固液界面前沿,增大了合金凝固过程中的成分过冷,使枝晶变细,晶粒细小 5.揭示出La或Pr可以减小Al-Cu合金中θ'析出相的尺寸,增加θ'析出相的数量,提高θ'析出相的高温热稳定性。未变质合金经过165℃×10h、185℃×10h和250℃x6h时效处理,θ'析出相的平均尺寸分别为140nm,180nm和240nm之间。0.3wt.%La(或Pr)变质复合变质Al-Cu合金经过165℃×10h、185℃×10h和250℃x4h(Pr变质合金为250℃×5h)时效处理,θ'析出相平均尺寸分别在100nm(110nm),120nm(135nm)和145nm(165nm)；La、Pr元素的存在,增强了合金中Al和Cu之间的交互作用,有利于促进变质合金中Al与Cu之间形成Al2Cu化合物相,使θ'析出相的尺寸更小、数量更多、分布更均匀,并且提高了θ'相的热稳定性。La和Pr复合变质比单一变质的效果更明显。 6.提出了La、Pr单一和复合变质铸造Al-Cu合金室温强韧化机制为：α-Al枝晶的细晶强化,密集分布而又细小的纳米θ'析出相的析出强化；高温强韧化和抗蠕变机制为：La、Pr均提高Al与Cu之间的交互作用强度,提高了θ'相的热稳定性,有效地抑制了θ'析出相在高温下的分解与长大,阻碍了位错运动；La、Pr元素和Al形成的Al11La3相和Al11Pr3相具有高熔点、高硬度和高的热稳定性。分布在晶界处的Al11La3相和Al11Pr3相在高温条件下有效地阻碍了位错运动,并对蠕变过程中的晶界移动具有强烈的钉扎作用。因此,提高了合金的高温强韧性和抗高温蠕变性能。

【关键词】：
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TG136.1
【目录】：

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