铸造AlZnSiMg合金的组织调控及对性能的影响
发布时间：2020-05-26 01:01
【摘要】：铸造AlZnSiMg系列合金兼具Al-Si系合金的优良铸造性能和Al-Zn系合金在常温下可自然时效的特点,适用于强度要求高、热处理困难的大型结构铸件。然而,采用Sr和Na变质合金的组织中仍然存在粗大的Si相以及组织细化问题,合金综合力学性能不佳。本文从组织细化、Si相变质和合金成分优化三个角度研究该合金的凝固组织特征和力学性能,具有重要的工程应用价值。本文基于Al-10Zn-8Si-0.35Mg合金,研究了Sr变质和Na变质工艺条件下,La-B联合细化工艺,以及Sr变质条件下Ti单独细化工艺对合金凝固组织和性能的影响。采用La、B联合细化工艺后,在Sr变质条件下,Al-10Zn-8Si-0.35Mg合金晶粒平均尺寸从1169μm左右减小至170μm左右,合金强度和延伸率分别从227MPa和1.3%提高到256MPa和2.1%;Na变质条件下平均晶粒尺寸从1251μm左右减小至153μm,合金强度和延伸率分别从239MPa和1.6%提高到253MPa和1.9%。在Sr变质条件下,采用500ppmTi细化的Al-10Zn-8Si-0.35Mg合金的晶粒尺寸为760μm左右,合金强度和延伸率分别达到249MPa和2.0%。采用Na变质工艺的合金中气孔缺陷较少,但在La、B联合添加的条件下采用Na变质工艺,组织中会出现一些析出相,这些析出相会降低共晶Si相变质程度,使合金性能下降。与Na变质工艺相比,Sr变质工艺的效果更稳定,更加适合应用于Al-10Zn-8Si-0.35Mg合金的变质处理。研究了合金成分以及La、B联合细化对于合金组织和性能的影响。随着合金成分中的Zn和Si的降低,合金中α-Al枝晶占比不断提高,枝晶尺寸不断增大,与此同时,组织中粗大Si相的数量减少,尺寸减小,合金延伸率显著提高,Al-9Zn-7.2Si-0.35Mg和Al-7.5Zn-6Si-0.35Mg合金的抗拉强度和延伸率分别达到232MPa,2%和220MPa,2.6%。Al-9Zn-7.2Si-0.35Mg和Al-7.5Zn-6Si-0.35Mg合金经La、B联合细化后组织得到显著改善,其中Al-9Zn-7.2Si-0.35Mg合金细化后强度和延伸率分别达到258MPa,2.4%。采用了数值模拟的元胞自动机法对枝晶生长过程中液固界面前沿的Si溶质分布以及Si形核进行研究。在Al-10 wt.%Zn-8 wt.%Si合金凝固过程中,液固界面处Si溶质的富集会限制α-Al枝晶的生长,当富集区域浓度达到合金共晶成分点时,液相只有通过析出Si相的形式降低Si溶质浓度,枝晶才能进一步生长。实际凝固过程中Al-10Zn-8Si-0.35Mg合金组织中出现的粗大Si相的形成原因正是与液固界面的Si溶质富集有关。而且粗大Si相的尺寸和数量受冷速和枝晶数量的影响,冷速越小,Si相的数量越多,尺寸越大;增加枝晶的形核数量使得枝晶呈细小的等轴状,促进了溶质的均匀分布,降低了液固界面前沿Si溶质的富集程度。
【图文】：
图 1-1 二元 Al-Zn 合金相图[7]铸造 AlZnSiMg 合金来说，由于成分中 Si 的存在（ZL401 的成铸造性能和耐腐蚀性能都很好。而且 Al-Zn-Si 三元体系反应相似。图 1-2 为 Si-Zn 二元相图，其特征就是不存在中间相，应，反应温度比 Zn 的熔点低 0.58oC，且共晶成分中 Si 含量于 Zn 和 Si 的这种特性，Zn 可以被用来提纯晶体 Si[8]。表 1-1 ZL401 合金的成分元素种类 Zn Si Mg Fe Al含量（wt.%） 9.0-13.0 6.0-8.0 0.3 0.5 余量l-Zn-Si 体系的三元相图信息[4]，其三元共晶反应如式 1-1 所示：o384 CL → Al（ 5 .1 wt.%） + Zn(94.85 wt.%)+Si(0.05 wt.%)显示，三元共晶反应的发生对 Zn 的浓度要求很高，由于 Zn 在
图 1-2 Si-Zn 二元相图 铸造铝合金的组织细化铸造铝合金中得到细化的晶粒的方法主要可以分为两种，即孕育形核法和外场法。孕育形核法，主要采用向熔体中添加细化剂的方法或在熔体中原位生成大质点的方法为 α-Al 提供异质形核基底，从而促进 α-Al 的形核并达到细化 α-Al果[12, 13]。另一种细化 α-Al 枝晶的方法被称为外场辅助形核法，主要通过在熔局部强制对流来实现，熔体中的局部强制对流可以使得枝晶臂不断从母相枝晶离出去，形成均匀的分布，进而在熔体中产生大量较为稳定的固相质点，，这些即可作为 α-Al 优质的形核基底，使得 α-Al 枝晶获得良好的细化效果。目前，优良效果的的外场辅助方法主要有机械搅拌、电磁搅拌、超声波振动和气体鼓00]，但是这些方法由于受到时间和经济成本的限制，很难在工业上规模应用。而
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.21
本文编号：2681026
【图文】：
图 1-1 二元 Al-Zn 合金相图[7]铸造 AlZnSiMg 合金来说，由于成分中 Si 的存在（ZL401 的成铸造性能和耐腐蚀性能都很好。而且 Al-Zn-Si 三元体系反应相似。图 1-2 为 Si-Zn 二元相图，其特征就是不存在中间相，应，反应温度比 Zn 的熔点低 0.58oC，且共晶成分中 Si 含量于 Zn 和 Si 的这种特性，Zn 可以被用来提纯晶体 Si[8]。表 1-1 ZL401 合金的成分元素种类 Zn Si Mg Fe Al含量（wt.%） 9.0-13.0 6.0-8.0 0.3 0.5 余量l-Zn-Si 体系的三元相图信息[4]，其三元共晶反应如式 1-1 所示：o384 CL → Al（ 5 .1 wt.%） + Zn(94.85 wt.%)+Si(0.05 wt.%)显示，三元共晶反应的发生对 Zn 的浓度要求很高，由于 Zn 在
图 1-2 Si-Zn 二元相图 铸造铝合金的组织细化铸造铝合金中得到细化的晶粒的方法主要可以分为两种，即孕育形核法和外场法。孕育形核法，主要采用向熔体中添加细化剂的方法或在熔体中原位生成大质点的方法为 α-Al 提供异质形核基底，从而促进 α-Al 的形核并达到细化 α-Al果[12, 13]。另一种细化 α-Al 枝晶的方法被称为外场辅助形核法，主要通过在熔局部强制对流来实现，熔体中的局部强制对流可以使得枝晶臂不断从母相枝晶离出去，形成均匀的分布，进而在熔体中产生大量较为稳定的固相质点，，这些即可作为 α-Al 优质的形核基底，使得 α-Al 枝晶获得良好的细化效果。目前，优良效果的的外场辅助方法主要有机械搅拌、电磁搅拌、超声波振动和气体鼓00]，但是这些方法由于受到时间和经济成本的限制，很难在工业上规模应用。而
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.21
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1 顾腾飞;铸造AlZnSiMg合金的组织调控及对性能的影响[D];东南大学;2018年
本文编号：2681026
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