超聲壓力作用下高Fe、Si含量Al

1、超聲壓力作用下高Fe、Si 含量 Al-Cu-Mn 合金的微觀組織和力學性能研究Al-Cu 合金是一類典型的高強韌鋁合金, 具有較高的力學性能、良好的加工能力、優(yōu)良的耐熱性能等, 在航空航天、交通運輸?shù)阮I域得到廣泛應用。高性能鑄造 Al-Cu 合金往往需要嚴格控制雜質元素, 如 Fe 和 Si 。因此被迫大量使用低雜質含量的電解鋁。隨著廢雜鋁存量的日益增加, 雜質控制難度顯著增大 , 為了實現(xiàn)廢鋁的循環(huán)再利用, 順應綠色鑄造、節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展的發(fā)展趨勢 , 開發(fā)高性能、低成本的新型鋁銅合金材料, 探索相應的材料制備與成形新技術 , 對拓展 Al-Cu 合金的應用具有重要意義。本文以高 Fe

2、、Si 含量的鑄造 Al-5.0Cu-0.6Mn合金為研究對象 , 基于超聲處理、中和變質和擠壓鑄造等手段, 利用光學顯微鏡（ OM）、掃描電鏡（ SEM）、透射電鏡（ TEM）、差熱分析（ DSC）、 X射線衍射（ XRD）、和同步輻射 X 射線斷層掃描（ SRXCT）等手段 , 分析了 Si 含量、擠壓壓力、超聲處理以及壓力超聲復合作用對合金微觀組織和力學性能的影響 , 重點探討了合金中的富鐵相形成特點及其作用。論文的主要結論如下 : （ 1） Si 含量和擠壓壓力顯著影響鑄態(tài)和熱處理態(tài)高鐵含量 Al-5.0Cu-0.6Mn 合金的微觀組織和力學性能。發(fā)現(xiàn)當 Fe 含量為 0.7%和 1.

3、2%時, 隨著 Si 含量由 0%增加到 1.1%, 鑄態(tài)合金中的富鐵相由 Al₃（FeMn）和或 Al₆（FeMn）轉變?yōu)?-Fe;在重力鑄造下 , 合金的強度隨著 Si 含量的增加而降低 , 而在擠壓鑄造下則隨著Si含量的增加而緩慢增加 , 主要原因是壓力使合金中的孔洞消失, 細小的 -Fe 起釘扎作用阻止位錯運動。 （2）熱處理態(tài)合金中 , 在 0.7Fe 和 1.2Fe 合金中 , 隨著Si 含量由 0%增加到 1.1%, 富鐵相由（ CuFe）向 -Fe 轉變。合金強度隨著 Si 含量的增加而

4、增加 , 主要原因是 Si 促進細小緊湊結構 -Fe的形成和析出彌散分布的T 相。 75 MPa擠壓壓力下 ,T5 熱處理狀態(tài)的Al-5.0Cu-0.6Mn-0.7Fe-0.5Si合金獲得較佳的綜合力學性能, 其抗拉強度、 屈服強度和伸長率分別為370 Mpa、270 MPa和 8.7%, 相對常規(guī)高強韌鑄造鋁合金,F該 e 合、 S 金 i 對雜質含量的要求大幅降低。（3）超聲處理和擠壓壓力對Al-5.0Cu-0.6Mn-0.6Fe的微觀組織和力學性能有顯著影響 , 對比研究重力場、超聲場、壓力場和超聲壓力復合場下合金的組織和性能發(fā)現(xiàn) , 超聲壓力復合場能明顯細化合金中的-Al 枝晶 ,Al

5、₂Cu 和富鐵相 , 消除擠壓鑄造出現(xiàn)的雙峰組織 , 去除合金中的氣孔 , 獲得均勻且細小的組織。超聲壓力復合場下合金的抗拉強度、屈服強度和伸長率分別比相應壓力場下合金提高 8.1%、 5.5%和 33.6%, 比重力鑄造合金提高64.5%、58.7%和 311.9%。（4）復合場處理時間影響Al-5.0Cu-0.6Mn合金的微觀組織。 分別超聲處理30 s 和 120 s 后發(fā)現(xiàn) :120 s 超聲處理后 , 超聲壓力復合場中的合金組織更均勻細小 , 原因可能是在更長的超聲處理時間下 , 復合場下的合金冷卻速度高于其他單一場作用下的合金冷卻速度。

6、（5）澆注溫度對超聲壓力復合作用 Al-5.0Cu-0.6Mn-0.5Fe 合金微觀組織有一定影響。在含 0.5Fe 和 0.5Si 的合金中 , 當澆注溫度為 710oC時, 合金中的晶粒尺寸和二次枝晶的尺寸最小 , 合金的力學性能最佳。（6）采用同步輻射 X 射線技術三維重構了高 Fe 含量 Al-5.0Cu-0.6Mn 合金中富鐵相和 Al₂Cu 的形貌特征。發(fā)現(xiàn)富鐵相和 Al₂Cu都是空間相互連通的復雜網狀結構。1.0Fe 合金中富鐵相和Al₂Cu

7、的表面平均曲率都比0.5Fe 合金的高。 1.0Fe 合金中富鐵相的節(jié)點長度比0.5Fe 合金的長 , 而 Al₂Cu的節(jié)點長度變化與之相反。這是因為 Fe 含量增加 , 富鐵相由緊湊的漢字狀轉變?yōu)殚L棒狀, 而Al₂Cu 的形成受合金凝固后期-Al 和富鐵相共晶反應的影響。 （7）采用同步輻射 X射線技術三維重構了高Fe 含量 Al-5.0Cu-0.6Mn 合金中孔洞的形貌特征。合金中的孔洞主要有等軸狀相互連通的收縮凝固孔洞和近球狀的氫氣孔?？锥吹那蛐味戎饕植荚?.4-1.0之間 , 等效直徑分布在 10-20 m之間 , 其球形度與等效直徑遵循冪函數(shù)關系。1.0Fe 合金中孔洞的平均曲率正值比0.5Fe 合金的多 , 且收縮凝固孔洞平均曲率正值較高的部分與共晶反應接觸, 而平均曲率負值較高的部分與鋁枝晶尖端接觸。（ 8）對超聲壓力復合場下高Fe、Si 含量 Al-5.0Cu-0.6Mn合金