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AlCuFe准晶的制备及其与SiC分别增强ZL101的研究

张峰浩  
【摘要】:Al-Si合金因其良好的铸造流动性,使得其所制备的铸件具有致密、耐磨、抗疲劳等优点,但因其内部初生α-Al的晶粒较为粗大,且会生成影响溶液顺利流动的共晶Si割裂组织,这些缺点严重影响制备出合金的综合性能和相应切削性,因此很难被广泛应用于汽车、航空航天等领域。然而通过对基体合金添加增强颗粒,可以起到细化晶粒且强化合金的作用,传统方法是应用SiC作为增强相,但是由于SiC颗粒与金属基体的润湿性差,且容易与基体界面发生反应,因此其应用受到了一定程度的限制。但是近年来由于准晶的发现,改变了这一现状,准晶具有高强度、高硬度、耐热、耐磨以及高温稳定性,最重要的是准晶与基体润湿性较好,是一种非常理想的金属强化相。本文正是利用准晶作为强化相,进行增强ZL101铝合金,并且与SiC增强ZL101合金做相应比较。本文首先利用常规铸造法准备出Al(63+x)Cu_(25-x)Fe_(12)(x=0,1)准晶中间合金,随后通过适当的热处理工艺方案,促使该合金中准晶I相的成分趋于单一,分析这两种成分的准晶组织性能异同,并且在第一性原理的帮助下,利用准晶近似相的参数,成功构建了Al64Cu24Fe12准晶“晶胞”的近似结构,在几何优化成功的前提下,进一步分析所构建的准晶结构相应性能。其次,将制备出单一成分的准晶制成增强颗粒,进而强化ZL101合金,与SiC作为增强相时作对比。对二者的力学性能、显微组织以及XRD进行分析。试验表明:铸态Al(63+x)Cu_(25-x)Fe_(12)(x=0,1)准晶中间合金主要包含4种相,分别为:先析出相λ、准晶I相、β相(τ相)和其他微量相。经过适当的热处理后,准晶I相的XRD衍射峰明显增高,且其类似相与其他杂相显著减少,准晶相趋于单一;并且根据分析可知,两种成分的准晶无论是在金相组织还是XRD分析,二者间并无明显区别。再将球磨后不同晶粒度(200目以下,100目-200目,大颗粒)的Al63Cu25Fe12准晶颗粒融入ZL101合金中进行强化,对比分析可知,加入增强相后,ZL101中的初生α-Al颗粒尺寸会减少,起到一定的细化晶粒作用。此外,由于准晶颗粒的加入,片状或者长条状的共晶Si被打断,其尺寸变得比较细小,弥散的分布到晶粒内部。晶粒度在100目-200目间的准晶颗粒增强效果最佳,最大抗拉强度为357.26MPa,延伸率为10.16%,硬度为63.6HB。同时,将其与SiC颗粒增强ZL101复合材料进行比较,结果表明:准晶增强后的综合性能均优于SiC强化后复合材料的性能,与后者相比抗拉强度提高41.9%,延伸率提高25.89%,硬度增加5.1%。且流动性也比SiC增强后的复合材料更佳。根据宏观断口和微观断口的综合分析,准解理断裂是准晶增强ZL101复合材料主要的断裂方式。


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