Al-Si-Cu-Ni-Mg系鑄造耐熱鋁合金組織及其高溫性能研究.pdf

1、鑄造鋁合金作為輕質(zhì)金屬結(jié)構(gòu)材料，具有密度小，比強(qiáng)度、比剛度高，切削加工性好，鑄造性能優(yōu)良和易于回收等優(yōu)點(diǎn)，符合當(dāng)前社會(huì)對(duì)材料輕量化和綠色環(huán)保的要求。近年來(lái)，隨著汽車(chē)工業(yè)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率密度的要求不斷提高，現(xiàn)有鑄造耐熱鋁合金的高溫性能已不能滿足工業(yè)發(fā)展的需要，因此，開(kāi)發(fā)新型鑄造耐熱鋁合金，使合金能夠應(yīng)用于工作溫度在250℃以上的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和活塞等汽車(chē)關(guān)鍵部件，已經(jīng)成為亟待解決的重要課題。
　　本文以 Al-12Si-4Cu-2Ni-0.

2、8Mg(M174)(wt.%)合金為基礎(chǔ)，研究了合金元素和熱處理工藝參數(shù)對(duì)顯微組織和性能的影響規(guī)律，優(yōu)化出了一種綜合性能，尤其是高溫性能優(yōu)異的鑄造耐熱鋁硅合金。采用微機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電感耦合等離子直讀光譜儀(ICP)、光學(xué)顯微鏡(OM)、定量金相分析軟件、X射線衍射儀(XRD)、差示掃描量熱儀(DSC)、動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀(DMA)、熱膨脹儀(DIL)、帶能譜分析(EDX)的掃描電子顯微鏡(SEM)和透射電子顯微鏡(TEM)等分析手段，通

3、過(guò)硬度、室溫和高溫瞬時(shí)拉伸性能、熱物理性能、壓縮蠕變性能及干/油潤(rùn)滑條件下的摩擦磨損性能等試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了 M174、M174-xSr(x=0.006,0.02,0.03,0.04)、M174-(0,0.1)Ti-(0,0.02)Sr、M174-xGd(x=0.1,0.2,0.5,1.0,3.0)、M174-xY(x=0.1,0.2,1.0)、M174-xNd(x=0.2,0.4,1.0,3.0)、M174-xSm(x=1.0,3.0)

4、和M174-xCe(x=1.0,3.0)(wt.%)等合金的鑄態(tài)顯微組織及其室溫和高溫拉伸性能，獲得了優(yōu)化合金——M174-0.2Gd(wt.%)合金；研究了T6熱處理（固溶+人工時(shí)效）工藝對(duì)合金組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律，優(yōu)化出T6熱處理工藝參數(shù)；探討了合金在熱暴露后室溫拉伸性能的時(shí)變降低機(jī)制、高溫蠕變機(jī)制以及干/油潤(rùn)滑條件下的摩擦磨損機(jī)理，為高性能鑄造耐熱鋁合金的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供理論和實(shí)踐依據(jù)。研究結(jié)果如下：
　　1、鑄造M

5、174合金的鑄態(tài)顯微組織由α-Al基體和分布于基體上的初晶Si、共晶Si、δ-Al3CuNi、γ-Al7Cu4Ni、Q-Al5Cu2Mg8Si6、Al11(MnFeNiCu)4Si以及θ-Al2Cu相等多種金屬間化合物組成。這些金屬間化合物在合金凝固過(guò)程中的析出順序依次為初晶Si，α-Al，共晶Si，δ-Al3CuNi，γ-Al7Cu4Ni，Q-Al5Cu2Mg8Si6和θ-Al2Cu。
　　2、通過(guò)研究鑄造M174-xSr(x=

6、0，0.006,0.02,0.03,0.04)合金的鑄態(tài)顯微組織和室溫拉伸性能可以發(fā)現(xiàn)：Sr可以減小鑄態(tài)組織中共晶Si和Al11(MnFeNiCu)4Si相的尺寸，提高合金的室溫伸長(zhǎng)率。隨著合金中 Sr含量的增加，Al11(MnFeNiCu)4Si相的體積分?jǐn)?shù)逐漸降低，α-Al的二次枝晶間距先減小后增大。當(dāng)Sr含量為0.02 wt.%時(shí)，二次枝晶間距達(dá)到最低值13μm，合金的室溫拉伸性能相對(duì)較好。
　　3、通過(guò)研究鑄造M174-(

7、0,0.1)Ti-(0,0.02)Sr合金的鑄態(tài)顯微組織和室溫及高溫瞬時(shí)拉伸性能，可以發(fā)現(xiàn)：Sr與B發(fā)生反應(yīng)形成SrB6相，該相可以作為形核核心提高細(xì)化劑的細(xì)化效果。Al-5Ti-1B中間合金的加入可以提高鑄態(tài)合金的高溫瞬時(shí)拉伸性能，而Al-10Sr中間合金的加入則會(huì)降低鑄態(tài)合金的高溫瞬時(shí)拉伸性能。
　　4、通過(guò)研究M174-xGd(x=0,0.1,0.2)(wt.%)合金在單步和雙步固溶處理和時(shí)效處理過(guò)程中的組織演變規(guī)律和力學(xué)性

8、能變化，可以?xún)?yōu)化出合金的固溶處理工藝為500℃×2h+540℃×3h，在該工藝條件下，初晶Si相邊緣鈍化、共晶Si相熔斷且球化、θ-Al2Cu和Q-Al5Cu2Mg8Si6等金屬間化合物完全溶入基體中。優(yōu)化后的時(shí)效處理工藝為175℃×5h。
　　5、稀土元素Gd對(duì)鑄態(tài)、T4態(tài)和T6態(tài)M174合金的顯微組織有以下影響：1）在鑄態(tài)合金組織中，隨著Gd含量的增加（≤0.5 wt.%），Al11(MnFeNiCu)4Si和δ-Al3CuN

9、i相的尺寸逐漸減小，組織中出現(xiàn)富Gd相且其形貌逐漸由塊狀演化為細(xì)長(zhǎng)條狀。2）在T4態(tài)合金組織中，隨著Gd含量的增加（≤0.2 wt.%），骨骼狀的δ-Al3CuNi相逐漸分為兩部分：一部分為δ-Al3CuNi相，其形貌保持骨骼支架狀；另一部分則是被碎化的金屬間化合物，由尺寸約5~10μm的Al3CuNi相以及尺寸≤5μm的富Gd相組成。3）在T6態(tài)合金組織中，Gd抑制了時(shí)效過(guò)程中θ-Al2Cu相的析出。峰值時(shí)效態(tài) M174-0.2Gd合

10、金顯微組織中主要存在兩種析出相：一種為出現(xiàn)在晶粒內(nèi)部的球狀Q-Al5Cu2Mg8Si6相，其直徑≤200nm；另一種為存在于晶界處的Al3CuGd相，其晶格常數(shù)為a=b=4.157?，c=10.651?，尺寸≤200nm。
　　6、對(duì)鑄態(tài)、T4態(tài)和T6態(tài)M174-xGd(x=0,0.1,0.2)(wt.%)合金室溫和高溫瞬時(shí)拉伸性能的研究表明，隨著Gd含量的增加，合金的室溫和高溫瞬時(shí)拉伸性能先增加后降低。當(dāng)拉伸測(cè)試溫度低于200℃

11、時(shí)，同一熱處理態(tài)的M174-0.1Gd合金拉伸性能較好；當(dāng)拉伸測(cè)試溫度高于300℃時(shí)，同一熱處理態(tài)的M174-0.2Gd合金抗拉強(qiáng)度較優(yōu)。
　　7、研究了鑄態(tài)和T6態(tài)M174-xGd(x=0,0.1,0.2)(wt.%)合金室溫和高溫物理性能的變化趨勢(shì)，結(jié)果表明：在同樣的熱處理?xiàng)l件下，隨著Gd含量的增加，合金的熱膨脹系數(shù)逐漸降低而彈性模量逐漸增加。
　　8、探討了T6態(tài)M174-0.2Gd(wt.%)合金熱暴露后室溫拉伸性能

12、的時(shí)變降低機(jī)制，結(jié)果表明：熱暴露后合金室溫拉伸性能隨熱暴露時(shí)間逐漸下降的原因在于θ-Al2Cu和Q-Al5Cu2Mg8Si6相的二次析出并長(zhǎng)大。當(dāng)熱暴露溫度為250℃時(shí)，隨著熱暴露時(shí)間由0h逐漸增加至200h，θ-Al2Cu相析出且尺寸逐漸增加至100~250nm，局部區(qū)域的析出相長(zhǎng)度甚至達(dá)到約500nm，相鄰θ-Al2Cu相之間的距離也由20~100nm增加至200nm以上，晶粒內(nèi)部逐漸出現(xiàn)尺寸為1~2 nm，其長(zhǎng)軸平行于<100>α

13、-Al的點(diǎn)狀Q-Al5Cu2Mg8Si6相。
　　9、對(duì)T6態(tài)M174-0.2Gd(wt.%)合金高溫壓縮蠕變行為的研究表明，晶界處存在熱穩(wěn)定性較高的Al3CuGd稀土相可以有效固定晶界，提高合金的蠕變性能。在低應(yīng)力（σ≤50MPa）低溫（T≤250℃）的條件下，n=1.3~2.5，Q=32.0~74.6kJ/mol，蠕變受擴(kuò)散蠕變或析出相阻礙的晶界滑動(dòng)控制；在高應(yīng)力（σ≥80MPa）高溫區(qū)，n=3.7~5.6，Q=18.0~79

14、.0kJ/mol，蠕變受晶界滑動(dòng)和位錯(cuò)攀移控制。對(duì)于T6態(tài)M174-0.2Gd合金而言，服役溫度T≤300℃，應(yīng)力σ≤80MPa。
　　10、對(duì)鑄態(tài)和T6態(tài)M174-xGd(x=0,0.1,0.2)(wt.%)合金在室溫和高溫條件下干摩擦磨損行為的研究表明，隨著Gd含量的增加，合金的體積磨損率和動(dòng)態(tài)摩擦磨損系數(shù)逐漸降低，高溫或者高載荷作用下的磨損機(jī)制逐漸由磨粒磨損和剝層磨損相結(jié)合的方式向剝層磨損轉(zhuǎn)變。
　　11、研究了T6態(tài)