【挤压铸造铝合金应用现状的文献综述3200字】

挤压铸造铝合金应用现状的文献综述铝合金材料常被归类为铸造铝合金和变形铝合金，随着压铸工艺的日渐成熟和应用，铸造铝合金中又分出一支新的合金种类——压铸铝合金。因挤压铸造工艺利用压力实现熔融金属液的充型和凝固，与压铸技术存在部分相似，但在充型速度、压力作用和传递方式、压力大小等方面存在差异。通常铝合金会从材料流动性、开裂倾向、凝固方式、收缩性质等多个方面来评价其铸造性能，但对于挤压铸造技术而言，其良好的成型性扩大了其适用合金的成分范围，包含各种铸造铝合金和变形铝合金，甚至是新的合金系或含量范围[15]。在现有的挤压铸造铝合金基础上，按照其主要添加元素可以分为以下几类：1.1Al-Si系铸造铝合金Al-Si系铸造铝合金具有优良的铸造性能和加工性能，是目前种类最多、使用最广的一类铸造铝合金。合金中的主要加入元素Si在改善合金流动性的同时，还具有强化合金的作用，使合金的硬度和强度提升。亚共晶Al-Si合金的显微组织中，共晶组织多分布在树枝晶骨架中，晶界中的共晶体比例随合金中Si含量的增加而增加。因为针状的共晶硅对合金的强度和塑性产生负面影响，一般通过改性共晶硅和细化晶粒的方式来提高铝硅合金的力学性能。过共晶Al-Si合金的微观组织因硅含量较高，初生硅会分布在α+Si共晶体的基体中。初生硅相硬而脆，它的存在提高了耐磨性和硬度，但又恶化了材料的铸造性能和力学性能[16]。当采用挤压铸造成型方式时，Al-Si系合金在高机械压力下凝固结晶，共晶点会向着富硅、高温的方向移动。因此，经挤压铸造成型的合金组织发生变化，亚共晶和共晶Al-Si合金中枝晶增加且更为细密，对过共晶Al-Si合金而言，不仅减少初生Si的数量，还能细化初生Si。挤压铸造在细化晶粒的同时，还能大幅减少气孔、缩松等缺陷。以上这些因压力导致合金微观组织变化的现象，均可以明显的改善合金的力学性能[17]。国内外针对铝硅合金的挤压铸造工艺进行了大量的研究。El-KhairM[18]研究了不同挤压压力对Al-6Si-0.3Mg的影响，结果表明随着挤压压力的增大，在增大组织致密度的同时也减小了α-Al晶粒的尺寸。在压力为160MPa时，合金的屈服强度、抗拉强度、延伸率分别为114MPa、132MPa和6.5%。张东城[19]的研究发现，对经稀土和Sr元素复合变质后的高强韧铝硅合金Al-9Si-Cu-Zn-Mg进行挤压铸铸造成型，成型压力的增大不仅使合金的组织细化，还降低了第二相体积分数。在200MPa的成型压力下，合金的抗拉强度和延伸率提升至304.98MPa、8.51%。1.2Al-Cu系铸造铝合金Al-Cu系合金是使用较早且用途很广的硬铝合金。它具有优良的耐热性和机械性能，由于其结晶温度间隔较宽，普通的铸造方式容易形成缩松、热裂等缺陷。通常，Al-Cu系合金中一般会加入少量Mg，加入镁后合金中生成强化效果极好的S(CuMgAl2)相；合金中Mn的加入，可提高合金的耐蚀性以及高温机械性能；微量Ti元素的加入，可以有效细化晶粒，进而减少合金热裂纹的发生。Al-Cu系合金也常采用时效强化手段，使固溶于α相中的强化元素析出多种晶间化合物来提升合金性能[20]。Al-Cu系合金在挤压铸造时形成异常偏析的倾向较大，并随含Cu量的升高而变大。晶间偏析合金的力学性能产生不利影响，还会加重合金产生热裂纹的倾向[21]。因此在应用该合金时，需要选取适宜的浇注温度和压力等工艺参数。甘耀强[22]等人的研究表明，挤压铸造Al-5Cu-0.4Mn合金质量受到浇注温度、模具温度和挤压力等工艺参数的综合影响，不合理的工艺参数将会造成合金缩松缩孔、热裂等缺陷的产生，如图1-1所示。图1-1挤压铸造Al-5Cu-0.4Mn合金的缩松、裂纹SEM形貌Fig.1-1SEMmorphologyofshrinkageporosityandcrackofsqueezecastingAl-5Cu-0.4Mnalloy1.3Al-Mg系铸造铝合金Al-Mg系铸造合金具有较高的抗蚀性、良好的焊接性和较好的塑性，但铝镁系合金的铸造性能较差，易于开裂。铝镁合金极易在空气中发生氧化而形成一层疏松的氧化膜，严重影响合金性能，通常进行阳极氧化处理以提高其力学性能和耐蚀性。由于铝镁合金中的Mg含量较高，在熔炼过程中容易造成Mg元素烧损和合金液吸气，使得铸件中有大量气孔存在。同时Al-Mg系铸造合金的固液相区间较宽，合金在凝固过程中容易形成缩松缩孔。对于铝镁合金而言，采用挤压铸造技术可以克服其铸造性能差的缺点，并减少内部缺陷的产生[23]。研究表明，当铝镁合金在压力下凝固结晶时，可以显著细化α固溶体和β相组织尺寸。此外，Si的存在不仅可生成Mg2Si强化相，还可提高合金的流动性。林益雄[24]等人研究了成型压力对Al-5Mg-2Si-Mn合金组织和性能的影响，表明随着压力的增大，细长状的Mg2Si相转变为点状或短棒状弥散在组织中，其抗拉强度和延伸率显著提高。BritoCD[25]等人的研究表明，挤压力在Al-7Mg合金凝固过程中通过提高冷却速率使得合金的组织得到细化，极限抗拉强度得到增强。1.4Al-Zn-Mg-Cu系铸造铝合金Al-Zn-Mg-Cu系通常作为变形铝合金，因其比重小、强度高，被称为“超硬铝”，在航天航空、飞机、军工等领域被广泛应用。该种合金系的铸造性能差强人意，普通铸造方式难以生产良好的成形铸件，但挤压铸造工艺解决了Al-Zn-Mg-Cu系合金的铸造难题，并且其铸件的力学性能可接近其锻件的性能水平[26]。采用挤压铸造工艺成型时，在压力的作用下使初生α固溶体的二次枝晶臂间距显著减小，共晶组织明显细化，合金力学性能更加优异[27]。此前，挤压铸造Al-Zn-Mg-Cu系合金只能用于结构简单的壁厚件，但随着挤压铸造技术发展和合金成分的创新，用其生产的铸件也越来越复杂和多样化。FANCH[28]等研究表明，挤压铸造Al-Zn-Mg-Cu合金的α-Al初生晶粒的平均晶粒尺寸随着浇注温度的升高而增大（从32μm增加到51μm），而采用稀土细化剂之后，合金的平均晶粒尺寸减小，晶粒也更为圆整。李成[29]等人将组织细化方法与超声处理相结合，其研究结果表明加入0.25%Zr元素并进行超声处理后的挤压铸造Al-Zn-Mg-Cu铝合金的晶粒细小，Zn、Mg在晶界的偏聚显著减轻，如图1-2所示，同时合金力学性能大幅提升：抗拉强度382MPa，延伸率为3.3%。图1-2不同Zr含量下超声处理后合金的金相组织Fig.1-2MetallographicstructureofthealloyafterultrasonictreatmentwithdifferentZrcontents综上所述，挤压铸造对于合金的材料成分要求具有广谱性，Al-Si、Al-Cu、Al-Mg和Al-Zn-Mg-Cu等合金在适宜的工艺参数下不仅能采用挤压铸造技术进行成型生产，还能因此而获得更好的性能参数。在实际应用中铝合金结构件常采用硬钎焊工艺进行连接或装配，其利用两母材之间熔化的钎焊料实现零件的连接。然而市面上常用的钎焊料为4系Al-Si合金，故在进行硬钎焊工艺时的温度常与大部分合金的固相线接近，容易出现母材过烧情况。因此为满足电控箱水冷壳体的硬钎焊工艺要求，选用可承受硬钎焊高温环境的铝合金母材尤为重要。参考文献李文翔，李晔，董洁霜，等．引入碳交易机制的新能源汽车发展路径研究[J]．系统仿真学报:1-16[2021-04-01]张超，江鹏飞．新能源汽车轻量化途径及其评价[J].汽车实用技术,2021,46(01):14-15+28.管仁国,娄花芬,黄晖,等.铝合金材料发展现状,趋势及展望[J].中国工程科学:1-158.李光霁,刘新玲.汽车轻量化技术的研究现状综述[J].材料科学与工艺,2020,28(05):47-61.NaveenNS,KishorePS.ExperimentalInvestigationonHeatTransferParametersofanAutomotiveCarRadiatorusingGraphene/Water-EthyleneGlycolCoolant[J].JournalofDispersionScienceandTechnology,2020.刘莹,莫灼强,莫肇月,曹宇,朱玉涛,邓松云.汽车散热器用3004/7072铝合金复合材料的组织和性能[J].金属热处理,2018,43(12):67-70.王功,张晓萍.汽车散热器用新型铝合金的铸造工艺及组织性能研究[J].热加工工艺,2020,49(19):80-82+86.孙学娟,龚勋,刘世雄.车用翅片散热器发展趋势分析[J].时代汽车,2019(09):118-119.李龙,夏承东,宋友宝,等.铝合金在新能源汽车工业的应用现状及展望[J].轻合金加工技术,2017,45(09):18-25+33.BonolloF,GramegnaN,TimelliG.High-PressureDie-Casting:ContradictionsandChallenges[J].JOM,2015,67(5):901-908.KomazakiT,NishiN,MurashimaI,etal.Aluminumalloyforhighpressuredie-casting:US,US6649126B2[P].2003.ChadwickGA,YueTM.Principlesandapplicationsofsqueezecasting[J].Metals&Materials,1989,5:6-12.TanakaH.NumericalAnalysisofFilletShapeandMoltenFillerFlowduringBrazingintheAl–SiAlloyofAutomotiveRadiator[J].MATERIALSTRANSACTIONS,2021,62(4):498-504.代雪佳.散热器炉中钎焊工艺研究[D].重庆大学,2014.贾海龙、周文强、王思清、等.高性能挤压铸造铝合金研究进展[J].特种铸造及有色合金,2020,v.40;No.332(11):16-23.MurrayJL,McalisterAJ.TheAl-Si(Aluminum-Silicon)system[J].BulletinofAlloyPhaseDiagrams,1984,5(1):74.罗守靖,陈炳光,齐丕骧.液态模锻与挤压铸造技术[M].化学工业出版社,2007.El-KhairM.Microstructurecharacterizationandtensilepropertiesofsqueeze-castAlSiMgalloys[J].MaterialsLetters,2005,59(8/9):894-900.张东城.高强韧铝硅合金的挤压铸造组织和性能研究[D].华中科技大学，2019.HiroseK,HirosawaS,SatoT.EffectsofQuenched-inExcessVacanciesandMicroalloyingElementsonPhaseDecompositionofAl-Cu-Alloys[C]//MaterialsenceForum.TransTechPublications,2002:795-800.林超,张鸿,毕亮,等.铸造Al-Cu合金凝固缺陷研究现状[J].材料导报,2016,30(21):143-143.甘耀强,张大童,张卫文,等.挤压铸造Al-Cu合金缺陷分析及其对策[J].特种铸造及有色合金,2013,33(001):44-48.孙浩然.挤压铸造Al-Mg-Si-Zn合金微观组织与力学性能的研究[D].华南理工大学,2019.林益雄,王连登,黄街华,等.成形压力对Al-5Mg-2Si-Mn合金组织和性能的影响[J].特种铸造及有色合金,2020,40(11):115-119.BritoCD,MagalhaesFD,CostaA,etal.MicrostructuralAn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