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山东大学硕士学位论文 a 卜s 卜c u n i m g 系活塞合金高温强化相的研究 摘要 本文利用扫描电镜( s e m ) 、光学显微镜( o m ) 、场发射扫描电镜( f e s e m ) 、 x 射线衍射仪( x r d ) 、差式扫描量热仪( d s c ) 等手段，结合多元相图分析方 法、相提取技术，探讨了多元a 1 s i c u - n i m g 活塞合金的组织演变规律与室高 温强化机制，并对合金成分和组织结构进行了设计优化，取得了一定进展。 研究了三种富镍相在增强砧一s i 活塞合金高温性能上的差异。发现在a l - s i 活塞合金中，a 1 3 n i 相易成块状，5 - a 1 3 c u n i 相常呈现条带状形貌，而丫a 1 7 c 州i 相倾向形成骨骼状形貌。设计制备了四种舢一s i 合金并测试了高温强度，计算了 g - a l a n i ，6 - a i a c u n i 和，- a 1 7 c u 4 n i 相的体积分数和形貌特征参数。分析了三种富 镍相在高温强度贡献上出现差异的原因：6 - a 1 3 c u n i 相的条带状形貌使其具有最 高的体积利用率，进而具有最高的高温强度贡献率，是主要高温强化相：条带状 的分布在晶界处的金属间化合物相对于提高a l - s i 活塞合金高温性能最为有效， 其次是具有骨骼状形貌和块状形貌的化合物。 在优化了主要高温强化相的a l - s i 多元活塞合金中加入0 5 叭c r 和0 8 叭 f e 后，生成了a a i ( f e ，c r ) s i 相，作为辅助强化相，与作为主要强化相的富镍 相有机地结合，使得耐热的金属间化合物网包住了a a l 晶粒，从而形成了封闭 和半封闭的网状共晶团，可以在高温时很好地阻止晶界的滑移，使得合金3 5 0o c 时的拉伸强度提高了2 6 。 探索了a - a l 基体相形貌对第二相以及活塞合金力学性能的影响。未细化的 a a 1 枝晶呈长轴状，其二次枝晶臂对金属间化合物有分散作用；细化了的a a i 呈近等轴状，使金属间化合物分散性降低，有粗化现象。细化了a - a 1 后，合金 室温强度升高，高温强度降低。似a 1 细化产生的不同影响源于高温室温下合金断 裂机制的不同。温度升高使a a 1 强度降低塑性升高，导致合金从室温到高温存 在一个由脆性断裂到韧性断裂( 由穿晶断裂到沿晶断裂) 的转变。这个转变前后 影响强度的主导因素发生了变化，室温时为脆性断裂( 穿晶断裂) ，a a i 仍承担 载荷，发达的长轴状形貌有利于裂纹扩展，降低室温强度，q 【a 1 形貌比金属间化 i u 山东大学硕士学位论文 合物的形貌分布对室温抗拉强度的影响大；高温时为韧性断裂和沿晶断裂，载荷 几乎全为耐热的增强相承担，金属间化合物的形貌和分布比值a i 形貌对抗拉强 度的影响大。 基于对合金化以及组织结构和断裂机制相关性的研究，认识到组织的微细化 是继续利用合金化同步提高a 卜s i 多元活塞基体材料强度的途径。综合合金体积 稳定性的考虑，需保证存在变质良好的初晶s i ，因此复合变质成为继续细化组织 提高力学性能合适的重要途径。开发的双熔体p 、s r 复合变质工艺可以非常好地 解决p 、s r 相互“毒化 的现象，得到非常好的复合变质效果，a 捌、初晶s i 、 共晶s i 均得到良好细化，合金组织布满珊瑚状的共晶s i ，以及形貌规则细小的 初晶s i ，洳砧亦非常细小，这种组织分布同样有利于金属间化合物的分散，将 提高合金的综合力学性能。 关键词：a 1 s i c u - n i m g ，合金设计，高温强度，金属间化合物，复合变质 i v 山东大学硕士学位论文 t h es t u d y o fe l e v a t e d t e m p e r a t u r e s t r e n g t h e n i n gp h a s e so f a l _ 。s i 。- c u _ 。n i _ 。m g p is t o na l l o y s a b s t r a c t t h es e m ，o m ，f e s e m ，x r da n dd s cw e r eu s e d ，i nc o m b i n a t i 饷w i t l l m u l t i c o m p o n e n tp h a s ed i a g r a ma n a l y s i sa n dp h a s ee x t r a c t i o nt e c h n o l o g y , t or e v e a l t h er u l e so fm i c r o s t r u c t u r ee v o l u t i o no fa l - - s i c u - n i m gp i s t o n a l l o y s a n d s t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s ma tr o o ma n d e l e v a t e dt e m p e r a t u r e s t h eo p t i m a la l l o y d e s i g nw a sc a r r i e do u ta n ds o m ep r o g r e s s e sw e r eo b t a i n e d f o rac l e a ru n d e r s t a n d i n go ft h er o l e so fd i f f e r e n tn i - r i c hp h a s e s ，t h ed i f f e r e n t c o n t r i b u t i o n so fn i r i c hp h a s e st oe l e v a t e d - t e m p e r a t u r es t r e n g t hw e r es t u d i e d i tw a s f o u n dt h es - a 1 3 n iw a sp r o n et oe x h i b i tb l o c k - l i k em o r p h o l o g y , 8 - a 1 3 c u n ip h a s e t e n d e dt of o r ms t r i p l i k em o r p h o l o g y , a n d 丫一a i t c u 4 n ip h a s eo f t e nh a ds k e l e t o n l i k e m o r p h o l o g y f o u ra l l o y sw e r ed e s i g n e da n dt h e i rs t r e n g t h sw e r et e s t e d t h ev o l u m e f r a c t i o n sa n dm o r p h o l o g yc h a r a c t e r i z a t i o n so f - a 1 3 n i ，5 - a 1 3 c u n ia n d7 - a 1 7 c u 4 n i p h a s e sw e r ec a l c u l a t e d t h es t r e n g t h e n i n gd i f f e r e n c e so ft h e s en i r i c hp h a s e sw e r e a n a l y z e d ：t h es t r i p l i k em o r p h o l o g yw o u l de n a b l e & a 1 3 c u n ip h a s et o h a v et h e h i g h e s tv o l u m eu t i l i z a t i o na n dh i g h e s te l e v a t e d t e m p e r a t u r es t r e n g t hc o n t r i b u t i o nr a t e ； t h es t r i p - l i k ei n t e r m e t a l l i c sd i s t r i b u t e di ng r a i nb o u n d a r i e sw a sb e s tt oi n c r e a s et h e e l e v a t e d t e m p e r a t u r es t r e n g t h o fa i - s ip i s t o na l l o y s ，f o l l o w e db ys k e l e t o n l i k e m o r p h o l o g ya n db l o c k l i k em o r p h o l o g yp h a s e si ns e q u e n c e 0 5w t c ra n d0 8w t f ew e r ea d d e di n t oo p t i m i z e da l - s i c u _ - n i 以g p i s t o na l l o y , a - a i ( f e ，c o s ip h a s ew a sf o r m e d ，a c t i n ga ss u p p o r t i v es t r e n g t h e n i n g p h a s e ，a n di n t e g r a t e do r g a n i c a l l y 埘t ht h en i r i c hp h a s e sa c t i n ga sm a i ns t r e n g t h e n i n g p h a s e s oa a ig r a i n sw e r ee n c i r c l e db yt h e r m a l s t a b l ei m e r m e t a l l i c s ，a n dc l o s e da n d s e m i c l o s e dn e t - l i k ee u t e c t i cc o l o n i e sw e r ef o r m e d ，w h i c hc a np r e v e n tt h es l i d eo f v 山东大学硕士学位论文 g r a i nb o u n d a r i e s t h eu t s a t3 5 0o cw a si m p r o v e db y2 6 f m a l l y t h ei n f l u e n c e so fa a im o r p h o l o g yo nt h es e c o n dp h a s e sa n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e sw e r ee x p l o r e d t h eu n r e f i n e dq - a i d e n d r i t e se x h i b i t l o n gc o l u m n m o r p h o l o g ya n di t ss e c o n da r m sc a nd i s p e r s et h ei n t e r m e t a l l i c s ；t h er e f i n e da - a i e x h i b i tn e a re q u i a x e dm o r p h o l o g ya n dw o r s e nd i s p e r s i o no fi n t e r m e t a l l i c s a f t e rt h e r e f i n e m e n t , t h er o o m - t e m p e r a t u r es t r e n g t hi n c r e a s e d ，b u tt h ee l e v a t e d - t e m p e r a t u r e s t r e n g t hd e c r e a s e d t h ed i f f e r e n ti n f l u e n c e so fa a 1r e f i n e m e n to nt h er o o ma n d e l e v a t e dt e m p e r a t u r es t r e n g t ha r ed u et ot h ed i f f e r e n tf r a c t u r em e c h a n i s m s t h e i n c r e a s eo ft e m p e r a t u r er e s u l t si nt h ed e c r e a s eo fs t r e n g t ha n di n c r e a s eo fp l a s t i co f q - a i ，w h i c hl e a d st oac h a n g ef r o mf r a g i l ef r a c t u r ea n dt r a n s g r a n u l a rf r a c t u r et o d u c t i l ea n di n t e r g r a n u l a rf r a c t u r e t h em a i nf a c t o ri n f l u e n c i n gt h es t r e n g t hc h a n g e d a f t e rt h ef r a c t u r em e c h a n i s mc h a n g e a tr o o mt e m p e r a t u r e ，a - a 1s t i l lb e a rs o m es t r e s s ， s ot h ed e v e l o p e dl o n gc o l m n nd e n d r i t e sa r ef a v o r a b l ef o rc r a c kp r o p a g a t i o n , l e a d i n g t ot h ed e c r e a s eo fr o o m t e m p e r a t u r es t r e n g t h t h eg - a im o r p h o l o g yw e i g h ss t r o n g e r t h a ni n t e r m e t a l l i c sm o r p h o l o g yo ns t r e n g t h ；a te l e v a t e dt e m p e r a t u r e ，t h el o a di s a l m o s ts h o u l d e r e db yt h et h e r m a l s t a b l es t r e n g t h e n i n gp h a s e s ，a n dt h ei n t e r m e t a l l i c s m o r p h o l o g yw e i g h ss t r o n g e rt h a n 甜砧m o r p h o l o g yo ns t r e n g t h ； f u r t h e rc o n c l u s i o nc a nb ed e d u c e dt h a tt h em i c r o n i z a t i o no f 一a l + s i ) e u t e c t i c c o l o n yc a ni m p r o v et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa l l o y s t a k i n gt h ev o l u m es t a b i l i t y i n t oa c c o u n ta n dk e e p i n gf i n ep r i m a r ys i ，t h ec o m p l e xm o d i f i c a t i o ni st h em o s t s u i t a b l ea n di m p o r t a n tw a y t h ed e v e l o p e dd u a lm e l t sc o m p l e xm o d i f i c a t i o np r o c e s s ( b ypa n ds oc a na v o i dt h em u t u a lp o i s o n i n ge f f e c to fpa n ds r , a n df i n e m i c r o s t r u c t u r ec a nb eo b t a i n e d t h ep r i m a r ys i ，e u t e c t i cs ia n da - a i 砌w e l lr e f i n e d ， s ot h em i c r o s t r u c t u r ei sf i l l e d 、) i ，i t l lc o r a l l o i de u t e c t i cs i ，r e g u l a rf i n ep r i m a r ys ia n d f i n eg - a i s u c hm i c r o s t r u c t u r ew o u l db eh e l p f u lf o rt h ed i s p e r s i o no fi n t e r m e t a l l i c s a n dw i l li m p r o v et h ec o m p r e h e n s i v em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s k e ，w o r d s ：a i - s i c u - n i - m g ，a l l o yd e s i g n , e l e v a t e d - t e m p e r a t u r es t r e n g t h , i n t e r m e t a l l i c s ，c o m p l e xm o d i f i c a t i o n v l 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及国内外研究现状 打开世界汽车百年史，不难发现凡是工业现代化列强、超级军事大国，也都 是汽车大国。如美国、日本、德国、法国等等。汽车工业关联效益大，它一方面 创造了巨额的产值，另一方面对相关产业带动作用也是其它行业所不可替代的。 汽车工业产生一百多年以来，一直被当成工业发达国家的经济指标，在国家实力 成长中发挥着极为重要的作用。汽车工业是综合性工业，反映了一个国家的综合 工业水平。从历史上看，从工业化中期到最后完成工业化和现代化，没有一个大 国强国不是靠汽车工业的高速发展来完成这一过程与历史使命的。汽车工业在国 家经济成长和社会进步中的重要作用，可以从创造巨大国民生产总值、带动交通 运输、军事等相关产业发展、促进新技术发展、创造出口和外汇储各、增加就业 和财政收入等多方面体现。只有建立一个强大的汽车工业体系，一个国家才能成 为大国强国。 而汽车的核心技术在于发动机。发动机是汽车性能的关键，活塞式发动机是 应用最为广泛成熟的汽车发动机。活塞式发动机是依靠活塞在汽缸中作往复运 动，使气体工质完成热力循环，并将燃料的部分化学能转化为机械功的动力装置。 活塞式发动机应用极为广泛，普通的汽油机、柴油机都属于活塞发动机( 见图 1 1 ) ，也叫往复式发动机，活塞发动机是热机的一种，靠汽油、柴油等燃料提供 动力。 活塞是发动机中最重要的零件之一，有发动机的“心脏”之称，活塞的作用 是承受燃气压力，并且通过活塞销将能量传给连杆驱动曲轴运动，因而活塞的设 计是决定发动机整体质量的重要因素。当发动机工作时，活塞与瞬时温度超过 2 0 0 0 的高温燃气直接接触，活塞项部的温度甚至超过4 0 0 ，且温度分布不均 匀；同时在做功行程中活塞顶部承受着很大的燃气压力，汽油机达3m p a - 5m p a ， 柴油机则可达9m p a - - 1 5m p a ，甚至更高；此外，活塞在气缸内往复运动的线速 度可达6m 卜1 6m s 。由此可见，活塞的工作环境相当恶劣，同时承受着高压、 高速、高温的机械负荷和热负荷。在此工作环境中的活塞对其材料具有特殊的要 山东大学硕士学位论文 求，活塞材料需具有密度小、质量轻、热传导性好、吸热性差、热膨胀系数小的 特点，并具有足够的高温强度、耐磨和耐蚀性能及好的尺寸稳定性；另外还应具 有成形及加工性能好、成本低廉的特点。伴随着汽车发动机的不断发展与进步， 人们对活塞材料的研究与应用也取得了长足的发展。 1 1 1 活塞材料的发展简介 图1 1 活塞式发动机 f i g 1 1p i s t o ne n g i n e 世界上最早的汽车发动机活塞是铸铁的。最早于1 9 0 3 年铝合金首次试用于 内燃机活塞，其成分为朋一l o z i 卜3 5 c u ( 质量百分比，w t ，下同) 1 1 1 。1 9 1 1 年， 铝合金材料以其质轻、良好热传导性以及较低的热膨胀系数等特点的得到人们的 关注并开始用于制造活塞。1 9 2 0 年一种a l c 巾- n i _ 1 g 系合金( “y 合金”) 正式 在英国成功地应用于汽车发动机活塞，但其线膨胀系数和密度较大、铸造性能差 且价格较贵而逐渐被淘汰。随后采用了肌u _ s i 系合金，该系合金铸造性能较 好，切削加工性能也不错，具有较高的综合机械性能；但线膨胀系数大，体积不 司 山东大学硕士学位论文 稳定不好，会产生永久性长大，经常出现“咬缸”现象，所以应用并不广泛1 2 j 。我 国从解放初至7 0 年代初所使用的z l l l 0 合金即属于此类。1 9 2 4 年，德国k s 公 司研制成功热膨胀系数比“y合金”低的 k s 2 4 5合金 ( a 1 1 4 s i - - 4 5 c u - 1 5 n i - - 0 7 m g ) ；1 9 2 9 年，美国a l c o a 公司取得共晶a l s i 合金 专利。由于共晶铝硅合金综合具有铸造性能好、热膨胀系数小、高温强度高、体 积稳定性好、耐磨性好、成本较低等优点，在活塞材料中逐步占据统治地位1 3 】。 我国活塞行业则在7 0 年代初大力推广从s i 活塞合金；1 9 7 1 年采用p 变质处理 工艺，研制成功z l l 0 8 与z l l 0 9 合金【4 】，并在生产中逐步推广应用。时至今日， z l l 0 9 合金( z a l s i l 2 c u l m g l n i l ，相当于国外牌号m a h l e l 2 4 、a c 8 a 5 】等) 仍旧 是国内应用最广泛的活塞合金材剃们。此外，还有各活塞生产商各自的材料牌号。 近年来，节能减排、低碳经济逐渐成为全世界关注和追逐的方向，作为耗油 大户的汽车行业首当其冲。而且随着世界范围内能源和环保问题的加剧，以及内 燃机行业所面临的电动混合动力汽车技术的挑战，促使内燃机朝着大功率、低 油耗、低排放、高转速、高增压的方向发展4 1 。近十几年来发动机得到迅速发 展，发动机升功率升高了一倍多( 见图1 2 ) ，升功率的提高大大增加了活塞的工 作负荷，对活塞的性能提出了更高的要求( 见图1 3 ) ，尤其是高温性能，因而使 得活塞材料的研究成为重要课题 1 4 q7 l 。 7 0 一 参 b 4 5 0 噼 督 岽 3 0 1 9 9 52 0 0 02 0 0 52 0 1 0 图1 2 十几年间发动机升功率的变化【1 4 】 f i g 1 2t h ec h a n g eo f o u t p u tp e rl i t e ro fe n g i n ei na d e c a d e 1 4 】 3 山东大学硕士学位论文 i _ f u t u r ep i s t o na l l o y ! ! 竺! ! ! ! ! ! ! 里竖! ! 型! ! f - c o n 垤n t i o n 引e n g i n et e r np e r a t u r e 、i 、 、 、1 1 、f u t u r ee n g i n e t e r np e r a t u r e 兰虿 氢 图1 3 未来内燃机工作温度对活塞合金的性能要求1 1 4 】 f i g 1 3t h er e q u i r e m e n to fp r o p e r t i e so nf u t u r ep i s t o na l l o y s 1 4 】 1 1 2a 1 s i 多元活塞合金的研究 目前我国活塞产业仍广泛采用以z l l 0 9 为基础的传统合金牌号，已经跟不 上发动机的发展要求，断头或燃烧室口开裂的情况近年来更是常有发生。发动机 的快速发展要求活塞材料的高温性能必须及时跟上。近年来，国内汽车业的高速 发展给活塞制造行业带来了巨大的发展机遇，年均增长保持在1 5 左右。我国汽 车活塞行业已经具备较大生产规模，预计到2 0 1 2 年，国内市场各型活塞需求量 将达到1 5 亿只以上。从产量上看，我国目前已成为世界活塞生产大国，但要想 成为世界活塞工业强国，还有很长的路要走，国内对一s i 多元活塞合金的研究 起步较国外著名的活塞企业晚很多，生产集中度低，创新开发能力弱，产品可靠 性不高，在经验积累及研究手段上都远远落后于国外，显示出我们在此领域基础 研究的不足。 基础理论研究弱、参与国际标准制定力度弱；原创技术少、专利产品少。这 导致我国普通通用汽车活塞产品的生产能力过剩，中低档次产品所占比例高达 8 0 ；高精度、高技术含量和高附加值产品比例偏低，本土高品质活塞尤其是中 高级轿车用活塞开发能力不足，不能完全满足需求，从而大量依赖进口。而且目 前国内的活塞企业，真正有实力且下功夫投入到从s i 活塞材料的研究中去的是 寥寥无几，与国外几十年踏踏实实发展的活塞巨头相比，我们有不小差距。我国 活塞市场面临国外活塞厂商的蚕食，马勒等国外著名的跨国公司加紧在华建厂抢 r | 山东大学硕士学位论文 占市场，每年从国外进口的活塞数额都有较大的增长。据业内资料显示，仅两家 著名的活塞生产商德国m a h l e 和美国f e d e r a lm o g u l ( f m ) 公司，其产品占全球 市场份额的近一半。自2 0 0 1 年我国正式进入w t o 以来，国外有竞争力的企业 非常重视我国迅速增长的活塞业市场，采取多种形式积极进军我国活塞制造行 业。这些独资或合资企业，正凭借其先进的活塞材料研发及活塞设计与制造技术， 不遗余力地在我国开拓高性能活塞生产规模，对我国民族活塞工业构成极大的挑 战。在此形势下，我们唯有积极借鉴经验、努力进取，才能迎头赶上。对高性能 活塞的研发应给与高度重视，而高强耐热活塞材料则是最重要最基础的一环。我 国的十二五科技规划中把高性能高温结构材料做为了重点研究对象，这对活塞行 业来说是一种激励和促进。 由于从s i 合金线胀系数小、比重小，耐磨性好，铸造性能好等一系列优点 而成为应用于现代发动机活塞制造最广泛的材料。这类合金按含s i 量的高低可 分为共( 亚) 晶型和过共晶型两大类。过共晶型a l - s i 合金具有更好的体积稳定性 和更低的热膨胀系数，但因对初晶s i 的控制尚不能满意，故只能应用于小型活 塞。国内外轻、中型汽车汽、柴油发动机以及轿车发动机活塞大多采用了共晶( 亚 共晶) 型一s i 合金。该类合金含s i 量一般在8 5 0 o - - 1 3 ，为了提高合金的室温 及高温性能在其中加入了c u 、m g 、m n 、n i 等合金元素进行多元合金化。表1 1 所列为常用共晶( 亚共晶) 型砧一s i 合金活塞材料z 1 1 0 9 化学成分。 表1 1 活塞合金z l 0 9 具体成分 t - a b l e1 1t h ec h e m e i c a lc o m p o s i t i o no fz l10 9p i s t o na l l o y s ic um 2 n if em nt ia l 1 1 0 1 3 0 o 5 1 5 0 8 1 3 o 8 1 5 卯7郢2郢2余量 c u 、n i 、m g 是目前所有a j - s i 多元活塞合金中最常见的也是最重要的元素。 合金中的c u 可提高合金的常温及高温强度，改善合金切削加工性能及表面光洁 度；但c u 量过多会使合金密度增大，热裂倾向增大，耐蚀性降低，铸造性能变 坏，同时还使合金成本增加。因而作为活塞用的a 1 一s i 合金应在保证其强度的前 提下尽可能降低含铜量。m g 也是a l s i 合金中提高合金强度的重要元素，特别 是与c u 配合使用时可进一步提高合金耐热性。但m g 加入量过多时易在晶界上 形成脆性相，反而降低了合金强度。另外m g 还可能造成铸件夹渣，所以m g 的 加入量一般控制在0 4 一1 5 。国内厂家多控制在o 7 一1 o 之间。n i 可以提 山东大学硕士学位论文 高合金的高温强度及合金热稳定性，越来越得到重视。如含有n i 的z l l 0 9 比不 含n i 的z l l 0 8 体积稳定性好。这对活塞这种零件来说是非常有意义的。 然而，多元a l - s i 活塞合金是一个复杂的体系，各因素间相互作用，每一个 因素均有改变整个系统的效应。全面了解这个体系是非常困难的，单因素式的研 究只能提供给我们一些侧面的了解，而掌握体系的变化规律、控制其组织生长， 则是事半功倍的方法和最终的目的。 目前以多元合金为基体的复合材料研究也取得相当大的进展，2 0 3 、s i c 等纤维或颗粒复合舢一s i 活塞材料均已在工业上应用【1 8 。2 4 】，然而其复杂工艺和成 本亦是一缺点。此外陶瓷材料、树脂基复合材料、碳及碳纤维增强碳基复合材料 等新型活塞材料也有较多研刭2 5 1 ，却因为综合性能不足或生产问题造成生命力 不足或短期内得不到应用。纵观各式各类的活塞材料，相当长一段时间内，多元 a 1 s i 活塞合金仍是不可替代的，且虽然相对于二元a l s i 的高温力学性能已经 提高了数倍，仍有相当大的潜力。美国航空航天局( n a s a ) 马歇尔空间飞行中心 ( m s f c ) 两位美籍华人科学家发明了一种名为m s - f c - 3 8 8 高强度铝合金，用于制 造e v i n r u d ee - t e c t m 外置发动机活塞，取得了十分令人满意效果与经济效益 【2 6 】。其特点是：发动机的噪声大幅度下降，排放的污染显著减少，燃料效率大 为提高，使用寿命显著延长，比普通的常规活塞铝合金的强度高1 5 倍，生产材 料成本比常规合金的低2 2 1 美元k g ，在2 6 0 3 7 0 仍有令人惊奇的强度。 该新型铝合金不但满足汽车工业低排放污染物的要求，而且能满足航天器在高温 下有很强的耐腐蚀性的要求。此外，国外许多发动机制造商采用锻造铝合金或粉 末冶金铝合金，例如k b s 的2 6 1 8 锻造铝合金1 2 丌，英国a m c 公司的粉末冶金铝 合金a m c 2 2 5 x e 2 s l ，用于制造f 1 赛车发动机活塞。 1 2 铝合金的高温强化机制 通常称增强金属对塑性变形的抗力为强化。位错滑移及攀移、孪生、晶界滑 动和扩散性蠕变是金属塑性变形的主要方式。滑移是金属最为常见的变形方式。 室温与高温下金属的塑变方式有所不同，温度越低，塑变除滑移外有可能出现孪 生方式；而温度越高，除了滑移方式外，还将出现攀移增多、晶界滑动和扩散蠕 变 2 9 1 。 6 山东大学硕士学位论文 在较低的温度及室温下，铝合金的塑性变形主要以位错滑移机制进行。此时 晶界和晶内沉淀相可作为阻碍位错运动的有效壁垒，有效地提高合金塑变抗力。 因此，细化晶粒、第二相强化、固溶强化和沉淀强化是室温强化的有效手段。所 以工作环境温度不高的铝合金件，只需加入少量合金元素，通过沉淀强化或晶粒 细化等方式强化，就足以应对工作要求。 而高温下与室温下塑性变形的情况不同，室温下位错运动会受到各种因素的 阻碍( 如溶质原子气氛、晶界、相界、位错相互作用等) ，很难发生攀移运动； 而在高温长时间作用下( 约比温度们。l l 0 4 - 0 5 为高温，t m 为材料熔点或固相 线温度) ，因原子热振动振幅增大，原子间结合力下降，致使这些在室温下的位 错阻碍作用大大减轻，甚至不起多大作用，而位错的攀移却因此而变得相当容易 1 3 0 3 。所以随温度升高，则除位错滑移方式外还将出现位错攀移增多、晶界滑 动和扩散蠕变【2 9 3 0 】。晶界强度会大幅度降低，晶界的滑动最终导致塑性变形的发 生。 “ 一般来说，通常将强化分为加工硬化和合金化强化两大类【3 2 1 。更具体地划 分，合金化强化又可分为固溶强化、沉淀( 或时效) 强化、弥散强化、细晶强化、 异相强化等。值得注意的是，材料在高温下的力学性能不同于在室温下，且要复 杂得多，具体来说：在室温或较低温度下，可以通过各种不平衡组织( 如j j n i 硬 化、淬火时效等) 使材料强韧化；但这些组织在高温长时间作用下都会向平衡组 织转化，使力学性能发生明显变化【2 9 1 。活塞铝合金热处理时的过时效就是一个 例子：过时效会使m 9 2 s i 、c u a l 2 等时效析出相在高温下粗化，从而难以再对晶 界起到有效的钉扎作用。此外，单纯地细化a 。a i 晶粒并不起高温强化作用甚至 反而对高温强度有害，这是因为晶粒的细化必然造成晶界的增多，而晶界本身又 是高温下合金中脆弱的部分。只有当晶界处存在热稳定性高的第二相时，细化晶 粒才会对提高合金的耐热性能有益【3 引。 对于铝合金而言，随着温度的升高，位错滑移变易和位错攀移等增多，使得 基体的力学性能急剧下降，固溶原子和沉淀相除发生转化外，其对位错运动的阻 碍也急剧降低，因此，固溶强化和沉淀强化在高温下作用不明显。 异相强化是一种对活塞铝合金最有效的高温强化机制。在a l s i 多元活塞合 金中，异相强化主要靠s i 相和各种金属间化合相，而沿晶界分布的耐热金属间 7 山东大学硕士学位论文 化合物对高温强度的贡献最大。影响这些第二相热强化作用的主要因素有第二相 的性质和第二相的形状、大小和分布状态用。就第二相性质来说，其热稳定性越 高( 熔点越高、高温下显微硬度越大、随温度变化其在a a i 固溶体中的溶解度 变化越小) ，热强化作用越好。下面列出活塞合金中某些第二相热稳定性的次序 【2 】： 15 0 - 2 0 0 m 9 2 s i ，c u a l 2 2 0 0 , - - 2 5 0 。ca 1 5 s i 6 c u 2 m g s ，a l s s i o v e m 9 3 3 5 0 , - - , 4 0 0 a 1 9 f e n i ，a 1 3 c u n i ，a 1 7 c u 4 n i ，a l l s s i 2 ( f e m n ) 3 。 另一个重要因素是第二相的形状、大小、数量和分布状态。对提高合金热强 性最有利的是形状复杂的热稳定性好的化合物，并且在晶界上形成封闭的或半封 闭的网状或骨架状分布。总之，第二相的热稳定性越高，晶粒越细，沿晶界分布 的弥散度越高，则愈能阻滞a a 1 固溶体在高温下的变形，合金耐热性就愈好。 1 3 提高活塞合金高温强度的主要途径 材料的成分、制备工艺控制着材料的组织结构，并最终决定材料的性能。提 高一s i 多元活塞合金高温强度的主要途径，也是根据1 2 所述的高温强化机理， 通过调整合金成分，结合铸造工艺，得到理想的合金组织，从而提高性能。根据 一s i 多元活塞合金的组织特点，为更深入研究其组织关系，将其分为a a i 相、 s i 相和合金相三部分较为恰当。具体的组织控制则是根据组织与性能的变化规 律，合理调整这三部分的形貌、分布及相互关系。 具体到途径，可以列为以下三个方面：丸合金化；b 硅相变质；c a a i 相 形貌控制。 ( 1 ) 合金化 合金化即向从s i 合金中加入n i 、c u 、m g 、m n 、f e 、t i 等元素，是一s i 多元活塞合金最为重要的强化方式。一方面这些元素有的能不同程度地固溶入 朋基体中起到固溶强化作用；更为重要的是，通过合金化可生成种类和形貌复 杂的金属间化合物，分布在晶界上，在高温时可起到增强晶界强度、拖曳晶界滑 移的作用，从而极大地延缓因温度升高而导致的合金力学性能的急剧下降。但必 须指出的是，在考虑各种合金化元素对活塞合金力学性能提高作用的同时，也要 3 山东大学硕士学位论文 综合考虑到其对活塞合金工艺性能( 铸造性能等) 、切削加工性能的影响。 因合金化元素种类繁多，所生成的金属间化合物较多，其物性参数和形貌分 布千差万别，而且单种化合物的形貌分布因条件不同也会有较大差异，合金化的 目的是生成均匀分布在晶界上、形貌良好、耐热性和强度较高的合金相。 以研究较成熟的c u 、m g 元素对a l s i 合金组织和性能的影响为例( 暂不考 虑其它合金化元素) ：当合金成分中c u m g 之比约为2 ：l 时，组织中耐热性最差 的m 9 2 s i 即完全消失，强化相变为a l s s i 6 c u 2 m g g ，铜量更多时组织中还将出现 c u a l 2 。考虑到c u a l 2 比m 9 2 s i 热稳定性相对好得多，一般希望活塞合金中更多 地出现前者。但并不是说，c u 、m g 元素总量越多越好，因为总量过高会使合金 的塑性变差【2 , 3 4 】。然而，这些只是在不考虑其它合金化元素前提下的结论。实际 上，活塞合金中的各种合金元素是相互影响的，它们组成的是一个多元体系，在 研究时应有多元相图的思维综合考虑，从而避免片面地分析和讨论【3 5 3 们。 ( 2 ) 硅相变质 s i 相尤其是初晶s i 周围容易发生应力集中，从而成为合金失效的源头，在 过共晶合金中更为明剧3 7 1 。初晶s i 的细化变质能够大大改善这种情况，快冷能 够细化初晶s i ，但是成本高，难以实现工业生产【3 引。通过添加含p 元素的变质 剂( 如赤磷、磷盐或c up 合金) 可生成s i 相的异质形核核心a l p ，有效变质初晶 s i 。国内活塞生产已普遍开始采用由山大吕美公司生产的a l p 系列中间合金进 行p 变质。初晶s i 的细化变质极大地改善了合金的力学性能，但是s i 相属于小 平面生长机制，表面存在尖角，仍然容易发生应力集中，因此，s i 相细化变质追 求的另一个方面就是团球化，包括对初晶s i 和共晶s i 的团球化。由于生长机制 的问题，团球化是很难实现的，只有改变s i 的生长机制才有可能从根本上实现 团球化。但仍有一些方法有助于团球化。挤压铸造能够改善s i 相的形貌，减小 对基体的割裂作用【1 4 卵4 0 1 。此外，据活塞行业业内人士称，在初晶s i 得到良好 变质情况下，针片状的共晶s i 则成为了活塞合金失效的重要原因，有必要对共 晶s i 也进行变质处理，即复合变质。对复合变质的研究已有很多，但大都难以 应用。最有前景是是p 于s r 的复合变质，但由于其相互毒化，至今没有较好的 解决办法，本文将在此方面做些工作。 ( 3 ) i x - a l 相形貌控制。 9 山东大学硕士学位论文 a a 1 相为a l s i 多元活塞合金的基体相，因其随温度升高力学性能急剧下降， 也是该合金中最容易塑性变形的部分。目前对洳m 相形貌在室温下对a l _ s i 多 元活塞合金性能的影响规律已有较清醒的认识，但对高温时其形貌对力学性能的 影响规律尚有争议和不清的地方。a 舢相形貌变化可导致s i 相和合金相的分布 起到至关重要的影响，还可能改变s i 相和合金相的形貌，因此掌握高温时似l 相形貌对合金性能的影响规律，有助于高性能合金的开发和研究。 1 4 本文主要研究内容 本文通过对合金组织的定量分析，强化相与高温强度之间关系的量化分析， 分析成分、组织、性能之间的联系，深入了解多元a l - s i 活塞合金体系的组织演 变与强化规律。采用铸造合金化的方式，设计、优化调整了活塞合金的高温强化 相。并深入地探索了弘舢基体相形貌对活塞合金力学性能尤其是高温抗拉强度 的影响，对其中的机理进行了解释。此外开发了复合变质工艺，得到良好的复合 变质组织。 具体包括以下内容： ( 1 ) 采取多元相图分析和组织提取技术，实现了对合金组织的定量分析，量 化主要强化相与高温强度之间的关系，合理调整合金成分，优化主要高温 强化相： ( 2 ) 设计生成辅助高温强化相，使之与主要高温强化相有机结合，获得理想 的组织结构，增强合金高温强度及耐热性； ( 3 ) 探索了小舢基体相形貌对活塞合金力学性能尤其是高温抗拉强度的影响， 对合金组成相之间的相互关系及对性能的影响进行了研究，阐述了各组成 相在合金失效中的作用机理，全面地解释了从s i 活塞合金体系的强化及 断裂机理，有利于合金设计及组织调控； ( 4 ) 开发有效的复合变质工艺，使得初晶s i 和共晶s i 同时得到较好的变质 处理，降低合金失效尤其是疲劳失效的几率。 1 5 研究的应用价值 1 0 本文的研究紧贴实际，既着眼于基础性的研究，又着重新型砧一s i 高强耐热 山东大学硕士学位论文 活塞材料的开发，在研究手段和试验手段上多有创新，对活塞合金的发展有着较