超声压力作用下高Fe、Si含量Al

1、超声压力作用下高Fe、Si 含量 Al-Cu-Mn 合金的微观组织和力学性能研究Al-Cu 合金是一类典型的高强韧铝合金, 具有较高的力学性能、良好的加工能力、优良的耐热性能等, 在航空航天、交通运输等领域得到广泛应用。高性能铸造 Al-Cu 合金往往需要严格控制杂质元素, 如 Fe 和 Si 。因此被迫大量使用低杂质含量的电解铝。随着废杂铝存量的日益增加, 杂质控制难度显著增大 , 为了实现废铝的循环再利用, 顺应绿色铸造、节能减排和可持续发展的发展趋势 , 开发高性能、低成本的新型铝铜合金材料, 探索相应的材料制备与成形新技术 , 对拓展 Al-Cu 合金的应用具有重要意义。本文以高 Fe

2、、Si 含量的铸造 Al-5.0Cu-0.6Mn合金为研究对象 , 基于超声处理、中和变质和挤压铸造等手段, 利用光学显微镜（ OM）、扫描电镜（ SEM）、透射电镜（ TEM）、差热分析（ DSC）、 X射线衍射（ XRD）、和同步辐射 X 射线断层扫描（ SRXCT）等手段 , 分析了 Si 含量、挤压压力、超声处理以及压力超声复合作用对合金微观组织和力学性能的影响 , 重点探讨了合金中的富铁相形成特点及其作用。论文的主要结论如下 : （ 1） Si 含量和挤压压力显著影响铸态和热处理态高铁含量 Al-5.0Cu-0.6Mn 合金的微观组织和力学性能。发现当 Fe 含量为 0.7%和 1.

3、2%时, 随着 Si 含量由 0%增加到 1.1%, 铸态合金中的富铁相由 Al₃（FeMn）和或 Al₆（FeMn）转变为 -Fe;在重力铸造下 , 合金的强度随着 Si 含量的增加而降低 , 而在挤压铸造下则随着Si含量的增加而缓慢增加 , 主要原因是压力使合金中的孔洞消失, 细小的 -Fe 起钉扎作用阻止位错运动。 （2）热处理态合金中 , 在 0.7Fe 和 1.2Fe 合金中 , 随着Si 含量由 0%增加到 1.1%, 富铁相由（ CuFe）向 -Fe 转变。合金强度随着 Si 含量的增加而

4、增加 , 主要原因是 Si 促进细小紧凑结构 -Fe的形成和析出弥散分布的T 相。 75 MPa挤压压力下 ,T5 热处理状态的Al-5.0Cu-0.6Mn-0.7Fe-0.5Si合金获得较佳的综合力学性能, 其抗拉强度、 屈服强度和伸长率分别为370 Mpa、270 MPa和 8.7%, 相对常规高强韧铸造铝合金,F该 e 合、 S 金 i 对杂质含量的要求大幅降低。（3）超声处理和挤压压力对Al-5.0Cu-0.6Mn-0.6Fe的微观组织和力学性能有显著影响 , 对比研究重力场、超声场、压力场和超声压力复合场下合金的组织和性能发现 , 超声压力复合场能明显细化合金中的-Al 枝晶 ,Al

5、₂Cu 和富铁相 , 消除挤压铸造出现的双峰组织 , 去除合金中的气孔 , 获得均匀且细小的组织。超声压力复合场下合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别比相应压力场下合金提高 8.1%、 5.5%和 33.6%, 比重力铸造合金提高64.5%、58.7%和 311.9%。（4）复合场处理时间影响Al-5.0Cu-0.6Mn合金的微观组织。 分别超声处理30 s 和 120 s 后发现 :120 s 超声处理后 , 超声压力复合场中的合金组织更均匀细小 , 原因可能是在更长的超声处理时间下 , 复合场下的合金冷却速度高于其他单一场作用下的合金冷却速度。

6、（5）浇注温度对超声压力复合作用 Al-5.0Cu-0.6Mn-0.5Fe 合金微观组织有一定影响。在含 0.5Fe 和 0.5Si 的合金中 , 当浇注温度为 710oC时, 合金中的晶粒尺寸和二次枝晶的尺寸最小 , 合金的力学性能最佳。（6）采用同步辐射 X 射线技术三维重构了高 Fe 含量 Al-5.0Cu-0.6Mn 合金中富铁相和 Al₂Cu 的形貌特征。发现富铁相和 Al₂Cu都是空间相互连通的复杂网状结构。1.0Fe 合金中富铁相和Al₂Cu

7、的表面平均曲率都比0.5Fe 合金的高。 1.0Fe 合金中富铁相的节点长度比0.5Fe 合金的长 , 而 Al₂Cu的节点长度变化与之相反。这是因为 Fe 含量增加 , 富铁相由紧凑的汉字状转变为长棒状, 而Al₂Cu 的形成受合金凝固后期-Al 和富铁相共晶反应的影响。 （7）采用同步辐射 X射线技术三维重构了高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轴状相互连通的收缩凝固孔洞和近球状的氢气孔。孔洞的球形度主要分布在0.4-1.0之间 , 等效直径分布在 10-20 m之间 , 其球形度与等效直径遵循幂函数关系。1.0Fe 合金中孔洞的平均曲率正值比0.5Fe 合金的多 , 且收缩凝固孔洞平均曲率正值较高的部分与共晶反应接触, 而平均曲率负值较高的部分与铝枝晶尖端接触。（ 8）对超声压力复合场下高Fe、Si 含量 Al-5.0Cu-0.6Mn合金