快速凝固AlFeVSi耐热铝合金组织性能及大规格材料制备工艺的研究

【摘要】：快速凝固耐热铝合金是一种高比强、高比刚、耐高温轻质结构材料，可在150-350℃(甚至更高)的温度范围内替代钛合金或钢材使用。过去多采用快速凝固制粉(雾化制粉、或平面流甩带—研磨制粉)—粉末冶金技术来制备，然而，在制备大规格构件时，喷射沉积集快速凝固、半固态加工和近终成形加工于一体，具有其独到优势得到了普遍关注，有可能成取代为快速凝固制粉工艺，用于研制快速凝固耐热铝合金大规格材料。 本论文综合评述了快速凝固耐热铝合金、快速凝固—粉末冶金技术以及喷射沉积工艺的研究进展与现状，针对快速凝固AlFeVSi合金研究中发现的异常现象，以及研制喷射沉积AlFeVSi合金大规格管材和锻件所急需解决的问题，以快凝粉末AlFeVSi合金为对比材料，开展了如下几个方面的研究工作。 研究了喷射沉积AlFeVSi合金坯及其成型制品的组织性能特征。结果表明，喷射沉积AlFeVSi合金坯中存在微观组织不均匀性，但采用合适的工艺，仍然可以制备高性能喷射沉积AlFeVSi合金材料。 研究了快速凝固AlFeVSi合金高温热暴露过程中Al_(12)(Fe，V)_3Si颗粒粗化行为以及组织热稳定性。结果表明，快凝细粉AlFeVSi合金高温热暴露时，低于500℃，Al_(12)(Fe，V)_3Si仅发生Ostwald粗化，高于550℃，Al_(12)(Fe，V)_3 Si则在晶界聚集，甚至有θ-Al_(13)Fe_4针、块状相形成。伴随着颗粒粗化和晶粒长大，出现位错反常增殖现象。Al_(12)(FeV)_3Si相颗粒粗化行为服从LSW颗粒粗化模型，其粗化速率由Fe溶质原子的体扩散和界面扩散共同决定，在420～520℃的温度范围内，粗化速率常数极低，数量级处于10~(-24)～10~(-26)m~3·h~(-1)，名义扩散激活能Q_(EXP)=208kJ·mol~(-1)，介于Fe原子体扩散激活能Q_(diff)(259kJ·mol~(-1))和沿界面扩散激活能Q_(inter)(146kJ·mol~(-1))之间。 研究了喷射沉积AlFeVSi合金在不同温度条件下的塑性变形行为规律。结果表明，快凝雾化粉末AlFeVSi合金加工硬化率低，甚至呈加工软化，100～300℃存在中温脆性区。构建了喷射沉积AlFeVSi合金高温塑性变形基于Zener-Hollomon参数法的唯象本构关系和基于Rosler-Artz模型的物理本构关系。R-A物理模型可以很好地诠释喷射沉积AlFeVSi合金高温塑性变形过程n大于8和Q大于142KJ／mol，但高度细化的组织特征、微观不均匀性以及高温不稳定性也导致了喷射沉积AlFeVSi合金高温塑性变形行为偏离R-A模型所预测的规律。 研究了快凝AlFeVSi合金回复与再结晶过程以及退火硬化行为。结果表明，快速凝固AlFeVSi合金冷轧板在200～525℃的温度范围内出现了退火硬化现象，这种退火硬化现象更易出现在大变形量冷轧且组织高度细化的冷轧板的退火过程中，具有可逆性。快速凝固AlFeVSi合金冷轧板开始出现退火软化的温度约为500℃，剧烈退火软化的再结晶温度约为550℃。高于550℃退火，冷轧板硬度、强度剧烈下降，这是冷轧板中同时发生了Al_(12)(Fe，V)_3Si颗粒急剧粗化、聚集、失稳过程和α—Al基体的再结晶与晶粒长大过程的结果。喷射沉积冷轧板也会出现退火硬化现象，但不及快速凝固雾化粉末制冷轧板的 强烈，且随粗大组织增多而退火硬化减弱，甚至表现为退火软化。 针对组织高度细化的快凝AIFeVsi合金中初始位错密度低、自由滑移程短和位错恢 复强烈的特点，提出了一个塑性变形新模型，很好地了解释快凝AIFevsi合金的低加工 硬化率和提早失稳断裂现象，解释了伴随着应变硬化效应的中温脆性现象，解释了加工 软化和退火硬化现象。 研究了挤压、旋压或锻造等热加工工艺条件与参数对加工制品的表观质量和组织性 能的影响规律，结果表明，采用软铝包套挤压可降低挤压突破力和挤压温度，400一450 ℃长时预热而高温(挤压温度)短时加热的分级加热可起到缩短高温滞留时间的作用， 提高R:参量有利于氧化膜充分破碎和粉末结合强度提高，这些措施均有利于改善挤压制 品的室温、高温力学性能。降低旋压温度，减少高温滞留时间，增大累积减薄率，均有 利于提高旋压管材的室温、高温强度和塑性。钢包套锻造、铝包套模压均可以在较小的 高向压缩变形率(累积45一80%)条件下实现锻坯有效致密化和粉末间良好结合，从而 获得良好的强度与塑性。 最后，采用喷射沉积工艺制坯，在国内现有压力加工工装设备条件下，制备了快速 凝固AIFeVSi合金高性能大规格(外径大于4lomm，壁厚大于15mm)挤压管材;挤压 管可以旋压成直径必内380mm，厚2.smm，长度大于I000mm的高性能薄壁管材;制备 了直径价45Omm高性能锻件。如此大规格快速凝固耐热铝合金挤压管、旋压薄壁管、锻 件的研制，国内外目前尚无报道。