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三元铝合金凝固组织控制

陈忠伟  
【摘要】: 科学研究和生产实践中常用的金属材料大多数是具有复杂成分的多元多相合金,这类材料的凝固组织控制具有重要的实际意义。本文针对Al-Si-Mg合金,通过实验研究了晶粒细化、变质处理、凝固条件、热处理条件和熔体过热处理对合金凝固组织和性能的影响,从理论上分析了多元合金凝固的异质形核,提出精确成形和组织控制一体化的概念,并利用自行研制的反重力铸造设备成功地生产出组织性能合格的大型复杂薄壁铸件——某型号飞机进气道唇口件。 研究了Al-5Ti晶粒细化和Al-10Sr变质处理对Al-7Si-0.55Mg合金金属型铸造时组织和性能的影响。实验结果表明,单独细化晶粒的最佳Ti含量为0.08%~0.14%。在此加入量下,合金的宏观晶粒尺寸减小,α-Al枝晶明显细化。单独变质处理的最佳Sr含量为0.005%~0.010%。在此加入量下,合金组织中共晶Si相完全变质,α-Al枝晶也有所细化。此时,合金的力学性能均有所提高。当以单独细化晶粒的最佳Ti量和单独变质处理的最佳Sr量共同加入时,合金的力学性能却有所下降。这是由于部分Sr与起结晶核心作用的TiAl_3形成了新的化合物,使得有效变质的Sr量减少,合金的变质作用不充分。同时降低了TiAl_3的异质形核作用。适当增大Sr加入量可克服上述不利影响,并获得更好的效果。 为了定量地描述多元合金的实际形核过程,引入实验参数,建立了工业多元合金凝固过程中的经验形核模型,该模型把形核率与最终晶粒密度联系起来。利用该模型能计算工业合金凝固过程中单位体积熔体中有效异质核心表面积S_V和熔体中有效异质核心润湿角因子f(θ)。模型的计算结果表明,合金异质形核的基底是熔体内部的异质颗粒,有效异质形核核心集中于合金熔体内部。利用所建立的经验形核模型,针对Al-7Si合金和Al-7Si-0.55Mg合金,计算了一定熔炼条件下的形核参数。 研究了凝固条件对Al-7Si-0.55Mg合金组织形态和性能的影响。实验结果表明,随着冷却速率的增加,合金宏观晶粒尺寸和二次枝晶间距减小。共晶Si相形态也变得细小,且分布更加弥散。DSC实验结果表明,随着冷却速率的增大,不仅降低了液相线和二元共晶的转变温度,而且会使三元或四元共晶反应消失。合金凝固组织中Mg_2Si相的析出也受到抑制。合金显微硬度随冷却速率的增大而提高。 研究了热处理条件对A357合金组织相变和性能的影响。实验结果表明,随 西北工业大学博士学位论文 着淬火转移时间的减小或淬火冷却速率的增大,A357合金的强度和硬度增加, 相对延伸率稍有降低。 为了探索在不经细化和变质处理,也不添加Be元素条件下,通过过热处理 Al一751一O.55Mg合金熔体,改善合金的微观组织及力学性能的可行性,对合金熔 体进行了过热处理。结果表明,合金熔体过热处理后,si相的形貌得到变质, 变质效果与过热处理温度及凝固过程的冷却速率相关。当过热到800℃一850℃ 时,凝固组织形态己接近于加sr变质的组织形态。当过热温度为845℃时,T6 态的极限抗拉强度和相对延伸率最大。合金熔体过热处理后,合金组织中富铁 相的形态发生了变化,由棱边尖锐的条状转变为骨骼状。这是化学方法变质处 理不能获得的效果,也是合金液过热处理后力学性能显著提高的原因之一。DTA 实验结果表明,Al一751一0.55Mg合金熔体过热到其临界温度809℃~840℃时,熔 体结构发生了变化,即熔体结构从低温微观不均匀区向准微观均匀区转变,从 而导致了其组织形态和力学性能的变化。 利用自行研制的反重力铸造设备铸造出唇口件,摸索出了一套A357合金熔 炼工艺和唇口件的反重力铸造工艺、树脂砂造型制芯工艺及其热处理工艺。生 产出的唇口件不仅充型完整,晶粒细小,组织致密,而且铸件形状尺寸符合设 计要求,使精确成形与组织控制一体化,即在完成形状尺寸精确成形的同时, 使铸件内部性能得到优化。


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