（材料加工工程专业论文）快速凝固稀土中间合金对高镁铝合金组织和性能的影响.pdf

ii一 i n m i c p r o f t e n gx i n y i n g at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y ，2 0 1 1 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：日期：至竺! ：笪! 三 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 口公开口保密(年，解密后应遵守此规定) 论文作者签名：k 簟中导师签名：卜侈要：仃。厶，。 济南大学硕十学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1a 1 - m g 系合金特点和性能1 1 1 1a 1 m g 系合金特点2 1 1 2a 1 一m g 系合金的力学性能3 1 1 3 国家标准中的a 1 一m g 系铸造合金【1 引4 1 2 铝镁系合金中合金元素的作用5 1 3 稀土铝合金研究概况6 1 3 1 稀土元素铒的特点及应用：7 1 3 2e r 在铝合金中的研究概况7 1 4 快速凝固技术在铝合金中的应用。9 1 4 1 快速凝固材料的组织和性能特征9 1 4 2 快速凝固铝合金材料的制备工艺1 0 1 4 3 快速凝固铝合金材料的发展1 1 1 5 铝镁合金在工业中的应用1 2 1 5 1 汽车轻量化一1 2 1 5 2 高强度航空铝镁合金1 3 1 5 3 船舶的轻量化及耐蚀性能1 3 1 6 主要研究内容1 3 第二章试验方案设计与研究方法1 5 2 1 试验原料及设备1 5 2 1 1 试验主要原料1 5 2 1 2 试验设备简介1 5 2 2 试验工艺流程15 2 3 试验原料及设备测试方法1 7 快速凝固稀十中间合会对高镁铝合会组织和性能的影响 第三章微量元素z r 和e r 对a 1 一m g 合金组织及力学性能的影响1 9 3 1z r 对a 1 m g 合金铸态组织的影响1 9 3 2z r 对a 1 一m g 合金力学性能的影响2 2 3 2 1z r 对a l 合金拉伸强度的影响2 2 3 2 2z r 对合金硬度的影响2 3 3 3z r 在a 1 一m g 合金中的存在形式2 4 3 4e r 对a 1 - m g 合金铸态组织的影响2 5 3 5 不同含量e r 对a t m g 0 2 z r 合金力学性能的影响2 6 3 5 1e r 和z r 复合对a l 合金拉伸强度的影响。2 6 3 5 2e r 和z r 复合添加对硬度的影响2 7 3 6 本章小结2 8 第四章快速凝固a 1 2 0 c e 中间合金对a 1 m g 合金组织和性能的影响3 0 4 1 稀土c e 对铸件的作用3 0 4 2 不同状态a 1 2 0 c e 中间合金的x r d 分析3 2 4 3 不同状态a 1 2 0 c e 中间合金的显微组织3 2 4 4 不同状态a 1 2 0 c e 中间合金的d t a 分析3 3 4 5 不同状态灿一2 0 c e 中间合金对合金铸态组织的影响3 4 4 6 不同含量快速凝固状态a 1 2 0 c e 中间合金对合金铸态组织的影响3 5 4 7 不同状态a 1 2 0 c e 中间合金对合金力学性能的影响3 6 4 7 1c e 对合金拉伸强度的影响3 6 4 7 2 拉伸断口形貌观察3 7 4 7 3c e 对合金硬度的影响3 9 4 8c e 对合金显微组织及力学性能的影响机理3 9 4 9 本章小结4 0 第五章 快速凝固a 1 3 0 y 中间合金对a 1 一m g 合金组织和性能的影响4 1 5 1 稀土y 在铝合金中的存在形式4 1 5 2 不同状态舢3 0 y 中间合金的分析4 2 5 2 1 不同状态a 1 3 0 y 中间合金的x r d 物相分析4 2 济南大学硕 ：学位论文 5 2 2 不同状态a 1 3 0 y 中间合金的显微组织4 3 5 2 3 不同状态a 1 3 0 y 中间合金的d t a 分析4 3 5 3 不同状态a 1 3 0 y 中间合金对合金铸态组织的影响4 4 5 4 不同含量快速凝固态a 1 3 0 y 中间合金对合金铸态组织的影响4 5 5 5 不同状态a 1 3 0 y 中间合金对合金力学性能的影响。4 7 5 5 1y 含量对合金拉伸强度的影响4 7 5 5 2 拉伸断口形貌观察4 8 5 5 3y 对合金硬度的影响4 9 5 6 y 对合金显微组织及力学性能的影响机理5 0 5 7 本章小结5 0 第六章结论5 2 参考文献一5 4 致谢5 4 附录5 5 一、在校期间发表的学术论文5 5 二、在校期间参加的项目“5 5 三、在校期间获奖情况5 5 济南大学硕十学位论文 摘要 a 1 1 2 m g 合金作为一种特殊的高镁铝合金，因其具有较高的耐蚀性、高强度、 可切削加工性等优点，长期以来也一直应用于国防。随着科技的发展进步，也对 这种常规的军用材料提出了更高的要求，因此有必要采用非常规的手段来获得一 种性能优越的新材料来满足工业的需要。 微合金化是提高铝合金综合性能的有效方法之一，本文将快速凝固技术与微 合金化二者统一起来，并将其运用到了铸造铝合金中。本文通过改变合金元素的 加入量，分别采用了布氏硬度测试( h b ) 、x 射线衍射分析( x r d ) 、扫描电镜( s e m ) 与能谱分析( e d s ) 、差热分析( d t a ) 、金相显微组织观察( o m ) 等分析测试手段， 研究了不同合金元素z r 、e r 单独加入及复合加入对a 1 1 2 m g 合金微观组织及力 学性能的影响，重点研究了添加快速凝固a 1 一r e ( c e ，y ) 中间合金对 a 1 1 2 m g 0 2 z r - 0 2 e r 合金的影响，对合金试样进行了显微组织观察和性能检测， 并与加入普通块状a t r e 合金的试样进行对比。 单独加入微量元素z r 、e r 和复合加入z r 、e r 均能不同程度地细化合金铸态 组织并提高其抗拉强度。单独添加0 2 z r ，可使合金抗拉强度提高3 6 m p a ，提 高了1 8 ；单独添加0 2 e r 合金抗拉强度的提高2 9 m p a ，提高了1 5 ；以复合 形式添加0 2 z r 和0 2 e r 时合金抗拉强度提高6 6 m p a ，提高了3 4 。且复合 添加对铸态组织的细化作用要优于单独添加的效果。综合分析得出灿一1 2 m g 0 2 z r - 0 2 e r 四元合金性能最优。 添加快速凝固态a 1 r e ( c e ，y ) 合金，与添加块状中间合金的试样相比，具有 更好的效果：组织中出现较明显的新相，呈四方形或者发散纤维状镶嵌于晶界周 围，共晶组织b 相被打断，呈网状或断续的孤岛状，分布在基体中。 加入快速凝固态a 1 r e ( c e ，y ) 中间合金的试样其力学性能要优于加入普通 常规态中间合金。未加入的稀土中间合金的a 1 m g 合金的室温抗拉强度为 2 5 8 m p a ，而加入稀土的合金的抗拉强度随其含量整体呈现先增大后减小的趋势。 添加不同状态的a 1 c e 中间合金，当添加量为o 8 时抗拉强度最大，添加快凝 态的合金抗拉强度提高了2 3 ，而添加常规态的提高了1 0 。而加入不同状态 触- y 合金，其抗拉强度在稀土添加量为o 6 时最大，分别提高了2 8 和1 3 。 这主要由于快速凝固状态中间合金为微晶或者非晶态，自由能较高，处于亚稳态， f o ral o n gt i m e w i t hd e v e l o p m e n to fs c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a ld e v e l o p m e n t ，t h e r e i sah i g h e rd e m a n df o rs u c hc o n v e n t i o n a lm i l i t a r ym a t e r i a l s i ti sn e c e s s a r yt ou s e u n c o n v e n t i o n a lm e a n st oo b t a i nas u p e r i o rm a t e r i a lt om e e tt h en e e d so fi n d u s t r y t h ea d d i t i o no ft r a c em i r c o a l l o y i n ge l e m e n tt oa l u m i n u ma l l o y si so n eo ft h o s e e f f e c t i v em e a n st oi m p r o v et h es y n t h e s i sp r o p e r t i e so ft h ea l u m i n u ma l l o y s r a p i d l y s o l i d i f i e da l l o ya n dm i c r o a l l o y i n ga r eu s e di n t oc a s ta l u m i n u ma l l o yf l e x i b l yi nt h i s a r t i c l e b ye h a n g i n gt h ec o n t e n t so fm i n o re l e m e n t sb ym e a n so f h a r d n e s st e s t i n g ， t e n s i l e p r o p e r t i e sm e a s u r e m e n t ，x r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) ，s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p y ( s e m ) a n de n e r g yd i s p e r s i v es p e c t r o s c o p y ( e d s ) ，o p t i c a lm i c r o s c o p y ( o m ) e f f e c to fm i n o ra d d i t i o no fz i r c o n i u ma n de r b i u mr e s p e c t i v e l yo rm e a n w h i l e o nm i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so f a l 1 2 m ga l l o yw e r ei n v e s t i g a t e d r a p i d - s o l i d i f i e d a 1 一r e ( c e ，y ) a l l o y a r e p u t i n t o a i 1 2 m g - 0 2 z r - 0 2 e r m i c r o s t r u e t u r e o ft h e a 1 12 m g 一0 2 z r - 0 2 e r - r e ( c e ，y ) a l l o yw a so b s e r v e db yu s i n gs e m ，a n dp r o p e r t i e sw a s i n v e s t i g a t e d t h ea d d i t i o no fm i n o rz i r c o n i u ma n de r b i u mr e s p e c t i v e l yo rm e a n w h i l e c a l ll e a d t oi n c r e a s et e n s i l es t r e n g t ha n dr e f i n et h em i e r o s t r u c t u r eo fa 1 一m ga l l o y t e n s i l e s t r e n g t hi si m p r o v e db y 18 w i t ha d d i n g0 2 z rr e s p e c t i v e l ya n db y3 4 w i t h m e a n w h i l e0 2 e ra n d0 2 z r t h er e f i n i n ge f f e to fa 1 - m ga l l o y 丽ma d d i n g m e a n w h i l ea r et h eb e s t t h er e s u l t ss h o wt h a tp r o p e r t i e s o fa 1 - m ga l l o yw i t h r a p i d s o l i d i f i e da l l o ya r e m u c hb e t t e rt h a nt r a d i t i o n a la l l o y s e u t e c t i cbp h a s e c h a n g i n gf r o mn e tt os m a l li s l a n do rr o dd i s p e r s e si nt h em a t r i x a n dn e wq u a d r a t e a n df i b r o u sp h a s ea p p e a r sa r o u n dg r a i nb o u n d a r y m e c h a n i c a lp r o p e r t yo fa 1 - m ga l l o yw i t ha d d i n gr a p i d - s o l i d i f i e da l l o yi sm u c h b e t i e rt h a na 1 一m ga l l o yw i t h o u tr a p i d s o l i d i f i e da l l o y t e n s i l es t r e n g t ho fa 1 - 12 i i i i v 济南大学硕士学位论文 第一章绪论 铝合金是一种较轻的金属材料，在2 0 世纪初才开始工业应用。二战时，铝 合金主要作为军用材料，应用在飞机、坦克，应用面比较窄。此后，铝合金才逐 渐被开发成为民用材料，得益于它自身重量轻、密度小、比强高、良好的导电导 热性以及优异的耐腐蚀性的优点，铝材由飞机产业逐步过渡到汽车业、建材业、 交通运输业、电器工业等国内民生部门，广泛的被人们所熟知，为人类的生活提 供了便利1 1 叫。 不得不提的是，科技的飞速进步，汽车工业也得到了跳跃式的发展，其应用 材料也从最初的全钢构发展到铝镁等轻型材料，其应用膨胀的空间是全方位的。 上世纪9 0 年代，汽车材料向轻量化、环保型方向发展的趋势日益明显，与汽车 相类似的海、陆、空运载工具，特别是对于一直力求取得国际领先水平的中国高 速铁路来说，这方面的期望更为迫切【4 j 。 a i m g 合金理所当然地进入了人们的视野1 5 6 j ，它具有卓越的性能。向铝中 添加1 的镁，形成合金的密度要比纯铝低约万分之一，而拉伸强度g b 则提高 2 0 m p a 左右；添加4 6 镁，诸如5 系、7 系的铝镁合金，因其高强、抗蚀、 耐磨等优越性，一直在各国的军事工业中所使用，航母、潜艇、战机中应用最为 广泛。而添加1 0 w t 的高镁铝合金，比如z l 3 0 1 ，长期以来也一直应用于国防。 铝中镁含量超过5 6 时，其铸造等方面的工艺难度大为增加，工业上所 采用的铝镁合金中，镁的质量分数一般不超过1 2 ，这主要是由于：在超高镁铝 合金中存在的技术性问题至今未能得以解决。 本文选择添加质量分数为1 2 镁的合金作为研究目标，是目前各国牌号铝镁 合金中添加量相当多的体系，也是在试验过程中最不好把握的一个体系。本文以 期揭示该体系中存在的科学问题以及在超高铝镁合金制备中的存在的技术问题 提出建设性的建议，期望能在新型合金的开发上做出一些贡献。 1 1a 1 一m g 系合金特点和忡it ：厶匕月g a 1 一m g 系铸造合金因其具有较高的拉伸强度、耐腐蚀性、可切削加工性和良 好的表面光洁性等优点，又被称为耐蚀铸造铝合金。对于这种第二组元以镁为主 2 济南大学硕：仁学位论文 曼=：i ：i ：=- - i i i i i 曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅曼量曼曼曼舅曼皇曼曼曼 u - o j j 弓 哪 a e 舢 卜 图1 1a i m g 二元合金相图【8 】 f 蟾1 1a i - m gp h a s ed i a g r a m 近些年来，a 1 - m g 合金的研究已具有一定的规模，国内外学者从很多方面对 其进行了研究。目前研究的热点多集中在s c 、z r 、n 等微量元素对合金组织与 性能的影响上【1 0 。1 3 1 ，研究表明加入微量s c ，可消除铸态枝晶组织并显著细化铸 态晶粒、有效抑制再结晶，明显提高了合金的强度和塑性。微量s c 引起的强化 来源于晶粒细化、次生的a 1 3 ( s c ，z r ) 相析出和亚结构强化。热处理以及形变时效 强化高强度a 1 m g s c 系合金也多有涉及【1 4 ，l5 。同时，有关再结晶温度的研究也 屡次报道，有文献表明在铝合金中添加s c 能改善弥散相的分布和抑制再结晶发 生【1 6 】，m g 的存在形式也能影响再结晶温度，固溶的m g 可以提高再结晶温度， 而以其它形式存在的则对其影响不明显i l 7 j 1 1 2a 1 - m g 系合金的力学性能 a 1 - m g 系合金的力学强度主要由加工硬化率以及镁的质量分数所决定，而向 合金中添加微量元素、a g 等对强度有较明显的补充作用。工业中常用铝镁合 金及其性能如表所示： z a l m g s s i z l 3 0 30 8 - 1 34 5 5 5 - o 1 - 0 4余量 z a i m g s z n z l 3 0 5 7 5 - 9 01 0 - 1 5 o 1 4 ) 2b e0 0 3 - 0 1 余量 4 济南大学硕士学位论文 表1 4a i m g 合金特点及应用 t a b l e1 4c h a r a c t e r i s t i ca n da p p l i c a t i o no f a l - m ga l l o y s 1 2 铝镁系合金中合金元素的作用 锰：锰的含量通常小于1 0 。在合金中存在的锰，一小部分是固溶在铝基 体中的，剩下的则以a 1 6 m n 的形式在组织中存在。研究显示，锰一般可增加合 金的再结晶温度，而在退火时铝镁合金晶粒极易长大，此时加入少量的锰便能很 好的阻止晶粒长大，并能提高其强度。镁含量较高的合金中加入少量锰元素，能 够降低镁在基体中的溶解度，减小焊缝裂纹倾向，从而使焊缝和基体金属的强度 得到提高。并且，m n 含量增加，其抗裂力降低，热裂倾向增大，超过一定的量， 都会导致拉伸强度和伸长率的下降 1 9 j 。 铌：n d 具有较高的化学活性，可与氧反应生成n d 2 0 3 ，在合金中加入1 - 2 ， 可提高合金的高温力学性能、气密性和耐腐蚀性，在航天材料中广泛应用。 铍：铍一直是很强的表面活性元素。加入少量的铍元素，能改善板材的表面 质量、降低铸锭的热裂倾向、同时能在熔炼时防止镁被氧化，并且在加热过程中 5 快速凝同稀e 中间合金对高镁铝合金组彩：和性能的影响 加微量铍还能抑制材料表面氮化物的形成。在铝镁合金中只要加入很少量的铍 ( 大约0 0 3 左右) ，它便在合金液表面大量富集，生成相当多的致密度系数为 1 7 1 的b e o ，足够将表面遮盖起来，使合金液的抗氧化性能大大提高，从而优化 了熔炼工艺。与此同时，它还能显著降低铸件厚壁处存在的气孔和晶间氧化行为， 弱化厚壁效应。但并不是铍添加量越多越好，量多则会产生严重的晶粒粗化现象， 影响合金的力学性能。 银：a g 可以大幅度提高m g 在a l 中的过饱和度，显著增加强化效果。在 m g 仅为o 5 ，1 0 0 - 2 4 0 。c 时即可获得时效强化。a 1 - m g a g 合金中存在十分稳 定的c p 区或t 相m 9 3 2 或t 相m 9 3 2 ( a 1 ，a g ) a 9 【2 0 】。 镨：稀土元素p r 影响合金铸态组织中第二相的析出，并显著抑制合金在变 形和热处理过程中再结晶的发生，在保持合金的强度及弹性模量的同时，改善合 金抗晶间腐蚀和剥落腐蚀的性能，并提高合金的塑性2 1 2 2 1 。 1 3 稀土铝合金研究概况 稀土元素是一类特殊的元素，其电子结构比较独特，由于不饱和的内层4 f 电子层，使其化学性质相当活泼，因此具有很多与众不同的性质。在铝及其合金 中常常起到精炼、变质、细化以及微合金化的作用 2 3 。2 5 1 ，目前最常用的稀土元素 主要为s c 、c e 、n d 等，其中研究最广的是s c 元素，研究发现【2 6 1 ，在优化铝合 金组织性能方面，s c 是最高效的元素，细晶强化作用、弥散强化作用极强。a 1 3 s c 从液态金属析出时释放的能量比a a 1 从液态金属析出时所释放的能量少，可先 于q a 1 从液态金属中析出；且a a 1 与a 1 3 s c 的界面能远低于a - a 1 液态a l 的界 面能，舢3 s c 可为a a l 的形核生长提供条件，增加q a l 的形核率，细化晶粒。 s c 吸引空位，降低空位及溶质原子的扩散能力，使晶界无沉淀带宽度变窄，进 而减小晶界与晶内的电极电位差，提高合金的耐蚀性能。美国航天局兰利研究中 心开发的牌号为c 5 5 7 的三元a 1 一s c z r 合金，利用s c 和z r 的协同强化作用，通 过砧3 s c 和灿3 z r 共格弥散体的形成及晶粒细化导致附加强化作用，提高了合金 强度的热稳定性，伺时还把该合金扩展到可在深冷温度( 甚至液氢) 下使用【2 刀。 2 0 0 2 年乌克兰材料科学问题研究所与美国赖特帕特森空军基地的空军研发实验 室合作，通过添加0 4 9 ( 质量分数) 钪对a 1 z n m g c u 进行了改性研究，认为合 6 济南大学硕士学位论文 金成分和热处理条件是提升合金性能的决定性因素，在t 6 热处理条件下，高锌 浓度( 1 0 1 2 ) 同时含3 ( 质量分数) 镁和1 2 ( 质量分数) 铜的a 1 z n m g c u 合金内形成细而均匀的显微组织，晶粒大小为1 5 - 2 5 1 m a 2 8 - 3 1 】。 上世纪末，我国就已经对a 1 m g s c 合金展开了研究，并且很多学者的得到 了优秀的研究成果，但是，与欧美相比，不仅技术上还有一定差距，而且我们的 成本要比欧美发达国家高几倍。很明显，s c 元素的微合金化效果相当显著，但 其昂贵的价格也让它的应用性大打折扣。为了节约成本，使得人们不得不寻求其 替代元素，此时，e r 元素开始进入了各国研究人员的视野中。 1 3 1 稀土元素铒的特点及应用 元素周期表中，铒( e r ) 位于第六周期第b ，它具有密排六方的晶体结构， 银白色金属。原子序数为6 8 ，原子量为1 6 7 2 6 ，密度为8 7 9 5 9 e r a 3 ，熔点为 1 5 2 2 0 * c ，原子半径为1 7 5 7 a ，它的化学活性较高，与硫、氢、铁、碳和硅等元 素生成高熔点，高稳定性的化合物，并且容易与氧反应生成玫瑰红色的e r 2 0 3 。 在地壳中，e r 的储量相当丰富，它延展性极好，与s c 元素性比较，e r 属于质优 价廉的稀土元素，因此在铝工业中，e r 的推广应用具有较大优势和非凡意义。 e r 元素在工业上应用较广，可细化铸态晶粒，也可改善合金性能。另外， 在铜合金中，e r 也有所应用，一定量的e r 可以提高c u - z r 合金的导电性和耐热 性能【3 2 】。但是，因为e r 3 + 的电子结构中存在2 1 个未满的价轨道，使它具有相当 丰富的电子能级。在电磁辐射的作用下，4 f 电子可以发生跃迁，跳跃到各种激发 态的能级，其中还伴随者吸收各种波长能量，颜色发生丰富多彩地变化，高能态 的电子还可返回到较低能级，成为低能态，释放各种颜色的光，成为发光体。因 此，目前e r 更广泛是在功能材料上的应用1 3 引。 1 3 2e r 在铝合金中的研究概况 由图1 2a l 。e r 二元相图可看出【3 4 1 ，在富铝端存在着a 1 a 1 3 e r 共晶体，共晶 温度约为9 2 8 k ( 6 2 5 。c ) ，共晶点则约在6 e r 处出现。通过包晶反应生成a 1 3 e r 液态l + a 1 2 e r a 1 3 e r 。a 1 3 e r 属于立方晶系，l 1 2 型结构，与铝的结构类似，它 与a 1 3 s e 同属于p m 3 m 空间群，a 1 3 e r 的热稳定性能较高，晶格参数也与a 1 3 s e 的所接近，因而e r 在铝合金中具有与s c 所类似的作用。北京工业大学聂祚仁课 7 快速凝固稀土中i b - 合金对焉镁铝合金组织和性能的影响 题组比较早的发现了稀土e r 对铝合金的积极作用 3 5 - 3 7 】，继而对e r 元素在纯触、 a i - m g 、a 1 一l i 、a 1 一a g 、a i - z n m g - a g 合金中的作用规律展开了系统的、较深入 的研究【3 8 4 3 1 。大量的研究结果表明，适当添加微量e r 元素可以提高合金的拉伸 强度与硬度等力学性能。当w 0 三r ) = 0 4 时，a 1 5 m g 合金的强度大概可以增加 2 0 3 0 ，而塑性保持稳定状态；继续增加e r ，强度提高不明显但塑性出现了明 显的下降，下降幅度约3 5 左右。最近几年来，国内其他研究人员对这方面的研 究也日益关注起来。中南大学的孙顺平制备了3 种不同铒元素含量的a 1 m g s i 合金，结果表明e r 元素的添加可以有效细化铸态晶粒，减小枝晶间距m 。国外 则在这方面起步较晚，2 0 0 3 年之后才有了为数不多的报道，r o s a l b i n o 等人在 2 0 0 3 年发表了一篇有关稀土e r 提高铝镁合金抗腐蚀性的文章 4 5 , 4 6 ，研究发现 a 1 _ m g 合金加入稀土e r 后，形成表面致密氧化膜，其具有较好的连续性、极少 的缺陷、并且均匀分布在表面，从而提高了基体和氧化膜之间的结合力，从而使 合金的抗腐蚀和抗氧化能力增强。 p - k 三 是 伽 厶 暑 山 h 图1 2a 1 e r 二元合金相图 f i g 1 2a i e rp h a s ed i a g r a m 8 济南大学硕十学位论文 1 , 4 快速凝固技术在铝合金中的应用 本文比较有创新性的一点就是将快速凝固技术灵活的运用到了铸造铝合金 中。快速凝固工艺和材料的研究在国际上目前处于研究热点，在我国9 0 年代已 引起人们的注意，并且开始了这方面的研究。经过2 0 多年的不断创新与改进， 已成为一种挖掘新材料、开发材料潜能的重要手段之一h 7 1 。 快速凝固技术是一种非平衡的凝固过程，以大于1 0 3 1 0 5 k s 的冷却速率直接 将液态瞬间冷凝成固态，一般生成非晶、准晶、微晶和纳米晶等亚稳相，得到一 种具有特殊的性能和用途的材料郴j 。快速凝固技术关键是使凝固过程中熔体的 冷却速度得到有效提高，可以减少单位时间内金属凝固时产生的熔化潜热，并同 时增加凝固过程中介质的传热速度。快速凝固技术的特点是尽可能在熔体液固相 前沿形成类似均质形核的凝固条件，凝固前获得大的过冷度，以获得更细小优异 的凝固组织。实际操作中，利用快速凝固技术得到的产品一般尺寸较小，通常需 要利用其它技术手段进行辅助加工才可以进一步使用。 1 4 1 快速凝固材料的组织和性能特征 一般通过快速凝固所获得的材料组织特征如下：二次枝晶壁变得相当细小， 成分偏析有了明显的改观或者被消除；凝固组织得到较好的细化，冷却速率进一 步提高，晶粒尺寸会得到更好的细化，减小越发明显，结果得到微纳米晶；当冷 却速率更高，合金的常规结晶过程将被完全抑制，液态时的混乱无序状态被保留 下来，获得非晶态固体；得益于快的冷却速率，大大减少了合金中空位、位错等 缺陷；同时，固溶度得到了提高，细小亚稳相的形成，使合金获得了一定程度的 弥散强化作用。 非晶态是指物质从液态或气态急速冷却时来不及结晶而在常温下保留原子 无序排列的凝聚状态，在热力学上属于非平衡的亚稳态。非晶态合金具有金属性 质，又兼有和玻璃一样的特征，所以在学术界中又称为“金属玻璃”。能否形成非 晶态主要决定于合金本身的g f a ( 非晶形成能力) 和合金本身的冷却速度。当某 种合金成分既定时，此时冷却速度便成为了形成非晶态的主要条件。冷速必须大 于其形成非晶时的临界冷度时，才会有非晶态形成，临界冷度因合金成分变化很 大。冷却时液态金属的冷却速度由铜辊( 或钼辊) 的转速来决定，从而影响冷却后 9 快速凝固稀匕中间合会对高镁铝合会组织和件能的影响 材料的形态与结构，继而对晶化后的磁粉磁性能和微结构产生一定的影响。冷却 速度与冷却辊轮转速成正比，转速越快，冷速越高，晶粒越小，形态则会形成微 纳米晶或者非晶结构。 1 4 2 快速凝固铝合金材料的制备工艺 目前世界上最常见的快速凝固的方法主要为粉末冶金、快速凝固熔铸和雾化 沉积这三种方式。 单辊旋淬快速凝固技术：快速凝固熔铸技术目前应用最为普遍的方法是单辊 旋淬快速凝固技术，此类技术的主要工艺原理为：将装有母合金的玻璃试管或者 坩埚采用高频感应迅速升温加热至熔化，将合金母料熔化完全，从试管底部以层 流的形式喷射出来，在高速旋转的铜辊( 或钼辊) 上面急速冷却成连续薄带并被 甩出。单辊旋淬快速凝固技术是一种典型的直接喷铸行为，一般快速凝固的合金 条带一次成型，所获条带的宽度和厚度随辊轮转速不同而不同。 快速凝固粉末冶金法( r s p m ) ：r s p m 方法主要是利用由h a r t m a r m 管产 生高速、高频的超音速脉冲气流冲击金属液，并把金属液吹散成均匀细小的液滴， 产生的强大气体对流将液滴急速冷却，继而凝固成细小粉末。快速凝固粉末冶金 法最常用的是超音速雾化法，通过这种方法获得的快速凝固的金属粉末表面更为 光滑，尺寸更为细小，球化效果最佳。而通过热挤压或热锻的方法获取快速凝固 的合金时，表面容易产生较多的缺陷，效果不理想。 快速凝固喷射沉积法( s f ) ：在雾化法的基础上产生了快速凝固喷射沉积法， 可以直接制备大尺寸快速凝固材料及产品的新技术，由冷金属基底上喷射沉积去 多雾化后的液滴，在底部由于急速的热传导导致液滴快速凝固，在基底便形成了 高度致密的快凝坯。喷射沉积法最突出的特点是把液体金属的雾化制粉过程和固 结成型结合起来，直接从液态金属制取整体致密、接近零件实际形状的大块高性 能材料【4 9 】。这种方法能比较有效地避免粉末受到污染，同时能够避免传统工艺制 备高性能材料时出现的成分偏析、组织粗大等缺点，工序得到了简化，降低了生 产成本。与常规铸造方法相比，它能显著提高合金的溶解度、细化晶粒、消除宏 观偏析，从而大幅度提高材料的力学性能【5 0 】。喷射沉积铝镁合金的研究主要是对 5 0 8 3 铝镁合金和z l 3 0 1 铝镁合金的研究，而对于镁的质量分数大于1 2 的铝镁 合金的研究很少有报道 5 1 - 5 5 j 。 l o 济南大学硕十学位论文 1 4 3 快速凝固铝合金材料的发展 ( 1 ) 耐热铝合金 自2 0 世纪7 0 年代以来，快速凝固技术取得了较快的发展，扩大了元素在合 金中的过饱和固溶度，并为研制新型弥散强化型耐热铝合金起到了向导的作用。 近年来，随着航空、国防工业的快速发展，耐热铝合金性能急需从各方面得到提 高。 过渡族金属元素在铝中的过饱和固溶度由于快速凝固技术从而获得了一定 程度的增加，可使a l 基体形成高度弥散、具有热稳定性的金属间化合物粒子。 在高温下，这些弥散相是相对稳定的，位错需要克服更大的阻力才能摆脱这些第 二相粒子继续移动，材料中位错运动被抑制。正是这些高度弥散、热力学稳定、 与基体共格或者半共格的第二相粒子的存在，才使得快凝耐热铝合金具有了较好 的抗腐蚀、抗疲劳性能，优秀的室温和高温力学性能和出色的热稳定性 5 6 1 。 随着近年来国内外这些方面研究的不断深入，一系列快速凝固耐热铝合金相 继问世。如：俄罗斯研究开发的a k 4 1 合金【5 7 1 ，而国内的研究很多是在a k 4 1 合金的基础上，通过严格控制杂质元素m n 、s i 等含量，调整合金元素c u 、f e 、 n i 含量，使得合金的综合性能得到了改善【5 羽。 ( 2 ) 耐磨铝硅合金 。 灿s i 合金具有优异的耐磨性、优良的铸造性能、低的热膨胀系数以及焊接 性能，广泛地被应用于国内外内燃机活塞合金中。但在常规铸造中存在着较大硅 相严重割裂基体的连续性，导致过共晶铝硅合金的塑性、强度等力学性能不佳。 硅含量超过1 4 w t 的过共晶铝硅合金，硅相的不利影响在变质处理的情况下也 无法消除。广泛地说，过共晶铝硅合金中硅的尺寸、形态及分布状态是影响其性 能的关键因素。 快速凝固技术的存在，为a 1 s i 合金熔体提供了较大的过冷度和极高的冷却 速度。在凝固时，合金熔体中在短时间内能产生大量的晶核且极快得生长，从而 使硅相来不及长大，硅相尺寸细小并使其分布状况明显改观，性能也得到了大幅 提高。同时，合金元素的固溶度因快速凝固技术而得到显著地提高，在a 1 s i 二 元合金系的基础上可以加入其它合金元素( 例如m n 、l i 等) ，材料需要的某些性 能可以获得相应的提高 5 9 1 。 快速凝同稀十中间合金对高镁铝合金组织和性能的影响 ( 3 ) 低密度铝锂合金 铝锂合金具有低密度、高比强度、比刚度、良好的耐腐蚀性和卓越的超塑成 型性能等特点的新型铝合金材料，国内外一直认为是航空航天工业的理想结构材 料非a 1 l i 合金莫属。但是a 1 “合金在采用常规铸造工艺生产时，其延展性和 韧性都比较差。合金固溶热处理后直接进行时效时，存在明显的合金强度达到峰 值时间长、强度相对不高的问题。通过快速凝固技术制备的a 1 - l i 合金，基体晶 粒与a 1 3 l i 沉淀作用产生细化，外力作用下位错的滑移距离缩短，应力集中减小， 因此可有效抑制裂纹形核，合金性能得以改善例。 1 5 铝镁合金在工业中的应用 铝合金是一种较轻的金属材料，它具有重量轻、密度小、比强高、良好的导 电导热性以及优异的耐腐蚀性等优点。 铝镁合金还保持了质轻的特点，与其它的铝合金系相比，其机械性能要明显 有优势。在工业中，铝镁合金材料的应用主要有以下三大方面：一是汽车工业， 其次是航空航天工业，再次为船舶工业。 1 5 1 汽车轻量化 几十年间，伴随着国际上科学技术获得了前所未有的飞速发展，现代汽车工 业的原材料构成也产生了巨大的变化，大比重、高密度的材料比例日益下降，而 低密度、低比重的材料获得了前所未有的重视。从2 0 年前开始，汽车用金属材 料的发展趋势便日益明显倾向于轻量化、环保型方向发展，铝、镁合金逐渐成为 应用最为广泛的材料，并逐渐变为不可取代的必需材料。 铝的密度很低，大约只有钢的1 3 ，工业中用铝代替钢重量可以减少1 2 左 右。而镁密度只有铝的2 3 ，在强度方面，镁合金高于铝合金，可以与高强合金 结构钢相媲美。因此，汽车零部件采用铝、镁合金，能够减轻汽车重量并达到节 能减排的目的。 有学者认为，车用铝合金的需求在未来的十几年将大幅度增加，承载元件重 量将减少3 0 ，而非承载元件重量将减少6 0 。对汽车轻量化的迫切追求将使 得轻金属特别是有色金属的应用得到飞速发展。有专家预测，将来的1 5 年，与 轻质的铝镁合金相比，在汽车工业中黑色金属的使用将明显处于劣势。 1 2 济雨大学硕卜宁位论文 当今的汽车制造中正大量地使用着铝镁合金。以欧洲的主流汽车为例，德国 大众轿车和奥迪轿车上的铝镁合金件，正在经历着从轮毂向“汽车内脏发动机” 全面扩展的变革；在北美的底特律汽车基地，每辆车用的铝镁合金近些年一直呈 现快速增长的势头，而福特汽车则宣称未来十年将大力加大在轻合金领域的利用 率。日本的汽车巨头丰田汽车，早些年已经开始注重节能减排，在铝镁合金汽车 零部件方面一直处于领先地位。 1 5 2 高强度航空铝镁合金 高强度铝合金一直以来被视为是航空航天领域的主要结构材料之一，其优异 的低密度、高强度、热加工性能好的优点决定了它在航空工业中独一不二的选择。 从航空航天工业发展的长远趋势来看，高强度铝合金的力学强度和综合性能的高 要求日益凸显。 近些年来，国内外利用快速凝固工艺制备的高强度铝合金同有了不同程度的 提高。上世纪8 0 年代，美国便开始利用传统r s p m 制备方法，研制出了p m 7 0 9 0 、 c w 6 7 等型号的高强度合金。我国发展较晚，进入9 0 年代之后，北京航空材料 研究所才采用半连续铸造法制备出了7 a 5 5 超高强铝合金，紧接着又在7 a 5 5 的 基础上研究出性能更为优异的的7 a