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挤压铸造Al-5.0Cu合金中富铁相形成特点及力学性能研究

林波  
【摘要】:高强韧的铸造Al-Cu合金广泛应用于航空航天和交通运输等领域。铁是该合金中难以避免但对合金性能危害最大的杂质元素。为了实现Al-Cu合金的高性能,杂质元素铁的含量往往控制非常严格(一般低于0.15%),导致该合金材料的成本大幅上升,同时也限制了回收铝合金的大量使用。因此,采用先进工艺提高Al-Cu合金中杂质Fe的允许含量,成为开发高性能、低成本铝铜合金材料的重要途径之一。 本文采用挤压铸造与Mn中和变质工艺相结合,利用光学显微镜(OM)、定量金相分析、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射分析(XRD)、差热扫描分析(DSC)、电子探针(EPMA)、透射电子显微镜(TEM)、液淬、深腐蚀等手段研究了挤压铸造铝铜合金中富铁相的形成特点以及Mn含量、Fe含量、挤压压力和热处理对合金室温和高温力学性能的影响,并取得以下结果: 当铁含量从0.1%增加到1.5%,铸态Al-5.0Cu-0.6Mn合金中的富铁相由-Fe(Al15(FeMn)3(CuSi)2)和β-Fe (Al7Cu2(FeMn))逐渐变为Al6(FeMn)和Al3(FeMn)。无论是挤压铸造还是重力铸造,铸态合金的伸长率随着Fe含量增大逐渐降低,但合金的抗拉强度在铁含量为0.5%附近存在峰值。这主要是由于少量的汉字状富铁相有利于强度的提高,而对塑性不利。T5热处理后,直接从液相中形成的β-Fe相很稳定,依然呈针状形貌,而汉字状的-Fe、Al6(FeMn)相和针状Al3(FeMn)转变成了一种新的富铁相(CuFe)-(Al7Cu2(FeMn))。无论是挤压铸造还是重力铸造,当铁含量从0.1%增加到1.5%,T5热处理态合金的力学性能逐渐下降。富铁相导致热处理态挤压铸造Al-5.0Cu-0.6Mn合金力学性能下降的原因是富Cu的(CuFe)相大量形成,消耗了基体中的部分Cu和Mn,导致基体中强化相减少和晶粒尺寸增大。挤压压力从0MPa增加到75MPa时,不同铁含量合金的伸长率增加近2倍。挤压铸造合金力学性能明显优于重力铸造合金,尤其是合金的伸长率,这主要与压力导致孔洞减少,(Al)枝晶和第二相细化,针状富铁相减少有关。 研究了不同Fe含量Al-5.0Cu-0.6Mn合金的高温力学性能。随着拉伸温度的升高,不同Fe含量Al-5.0Cu-0.6Mn合金的抗拉强度、屈服强度都显著地降低,而伸长率都显著地增大。随着Fe含量增大,合金的抗拉强度和屈服强度都显著降低。随着压力的增大,各合金的力学性能都得到了一定程度的提升,尤其是合金的伸长率。然而随着温度的升高,挤压压力对合金强度的提升变得不明显。 研究了不同Mn/Fe比对Al-5.0Cu-0.5Fe合金组织和力学性能的影响。铸态Al-5.0Cu-0.5Fe合金中的富铁相包括汉字状的AlmFe,-Fe, Al6(FeMn),以及针状的-Fe。对于重力铸造合金,当Mn/Fe比为1.6时,铸态合金获得最佳的综合力学性能,这主要是由于所有针状β-Fe都转变成为了汉字状-Fe,铸造缺陷最少。对于挤压铸造合金,Mn/Fe比仅需0.8,所有针状β-Fe都转变成为了汉字状-Fe。合金经过T5热处理后,汉字状的AlmFe,-Fe和Al6(FeMn)相转变成了一种新的汉字状的富铁相(CuFe)。T5热处理态Al-5.0Cu-0.5Fe合金的最合适Mn/Fe比不仅取决于合金中富铁相的形貌以及铸造缺陷,还与热处理后的(Al)枝晶尺寸以及(Al)基体里面的θ’相和T(Al20Cu2Mn3)相数量有关。 研究了铝铜合金凝固过程中富铁相的形成特点。当Fe含量在0.1-1.5%范围内变化时,β-Fe、AlmFe、-Fe、Al6(FeMn)、Al3(FeMn)都有可能成为铝铜合金中的主要富铁相,这取决于合金中不同Mn含量、Fe含量和挤压压力。Mn含量的增加将促进-Fe相的形成,同时抑制AlmFe和β-Fe的形成。液淬试验发现,铝铜合金中首先形成的富铁相为AlmFe、Al6(FeMn)和Al3(FeMn)相。AlmFe和Al3(FeMn)容易在低Fe(低于0.5%)和低Mn(低于0.2%)含量的合金中形成,Al6(FeMn)容易在高Mn(大于0.4%)含量的合金中形成,凝固结束后将部分或全部转变为β-Fe或-Fe。在高铁含量(大于0.5%)的Al-5.0Cu-0.6Mn合金中,Al6(FeMn)和Al3(FeMn)相作为合金中主要稳定富铁相存在。挤压压力可以促进汉字状富铁相AlmFe、-Fe和Al6(FeMn)相的形成,抑制或减少针状β-Fe和Al3(FeMn)相的形成,这主要是由于高的冷却速度以及不同富铁相的晶体结构。挤压压力可以促进富铁相的形核,同时降低合金的扩散系数,从而抑制富铁相的长大。挤压压力提高了-Fe和AlmFe的形成温度,同时降低了β-Fe的形成温度。 研究了铝铜合金固溶处理过程中富铁相特征的演变规律,发现固溶温度、固溶时间和挤压压力都将促进AlmFe、Al6(FeMn)、-Fe和Al3(FeMn)相向β-Fe的转变。新形成的β-Fe易于在-Fe,Al6(FeMn)、AlmFe和Al3(FeMn)与(Al)界面处形核,并沿富铁相长大。


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