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相变致冷凝固的铝合金及铜基大块非晶组织与性能研究

张连勇  
【摘要】: 相变致冷技术是一种新的凝固技术,它是采用铜模铸造的方法,用相变材料作为冷却介质,利用相变材料在相变过程中吸收的潜热对熔体进行冷却的一种技术。本文采用此种凝固技术,制备了铸造A356铝合金和铜基大块非晶合金。 本文利用Ansys软件对相变致冷技术中的铸件和铸型温度场进行模拟。模拟结果表明,熔体的冷却速度随着相变介质的种类和体积的变化而变化。对于Na、Sn和Zn三种相变介质来说,采用介质Na使熔体获得的冷却速度最高,Sn次之,Zn最弱,这些是由介质不同的热物性所造成的。铸件冷却曲线和介质升温曲线的模拟结果与实验结果相比基本吻合。 对A356合金的研究结果表明,凝固条件对合金的组织是有影响的。介质对合金的细化效果依Na、Sn、Zn的次序依次减弱,而铜模对铸件的细化能力在Na和Sn之间。铸件与介质体积比不同,细化效果也不同。随着铸件与介质体积比的增加,合金的组织先逐渐细化,而后又逐渐粗化,介质与铸件的体积比对合金的细化效果存在一个最佳值。当其体积比为5.25时,合金的组织最细小。变质剂与细化剂对合金的组织也有影响。对于采用相变致冷方法制备的A356合金,单独加入Al-10%Sr变质剂(加入量为0.04%)及单独加入Al-5%Ti-B细化剂(加入量为0.03%)时,合金的组织显著细化,显微硬度也明显提高。与单独加入变质剂和细化剂相比,同时加入变质剂和细化剂时,加入量的最佳值发生变化,这是由于变质剂和细化剂形成了化合物,合金组织的细化效果减弱。 与铜模冷却方法相比,相变致冷方法可以细化合金的铸态组织。DSC和XRD的研究结果表明,在用铜模冷却方法制备的样品中,Si在α-Al中的固溶度为2.4 at.%,在用相变致冷方法制备的样品中,Si在α-Al中的固溶度为2.7 at.%,合金的强度提高了22.9%,伸长率提高了33.3%。对合金的热处理研究结果表明,传统的T6和T5工艺可以不经过固溶处理,而是直接对合金进行时效处理,最佳的T6处理工艺为:175℃×8h,最佳的T5处理工艺为:140℃×4h,其断裂强度分别320MPa和305MPa。 对铜基大块非晶的研究结果表明,用相变致冷方法可以制备出Φ4 mm的Cu50Zr40Ti10和Φ5 mm的Cu47.5Zr47.5Al5大块非晶合金。差示扫描量热分析研究结果表明,这两种大块非晶合金的晶化过程都是一种依赖于升温速率的动力学过程。 采用原位高温X射线衍射分析对Cu50Zr40Ti10大块非晶合金在连续加热条件下的晶化过程进行了研究,结果表明:Cu50Zr40Ti10大块非晶合金在连续加热的过程中首先析出了一种单斜CuZr固熔体相,该相为亚稳相,晶化结束后的稳定相为正交Cu10Zr7相、正交Cu8Zr3相和四方Cu3Ti2相。 对两种大块非晶合金的室温压缩力学性能进行了研究,结果表明:Cu50Zr40Ti10大块非晶合金在压缩过程中具有较高的强度和良好的塑性。


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