铸造alti合金的凝固参数和晶粒细化研究【字数：12758】
摘 要随着社会科技的进步，在循环经济的发展要求下，传统的合金已不再胜任社会的需求。一些特殊性能的铝合金，如对于耐热铝合金的需求，已影响到船舶、航天、汽车等行业的方方面面。新型的耐热铝合金主要包含Al-Fe、Al-Cr、Al-Ti这3个系列，以此，在其系列合金上的良好开发前景显而易见。本文采用常温石墨铸锭和200℃温度下保温石墨铸锭两种浇铸方法，浇铸出不同凝固条件下的Al-Ti合金试样。通过对比，来寻找不同铸造条件，即不同的凝固参数对Al-Cu-Ti合金的综合性能影响，以及热处理对铸造Al-Ti合金的晶粒细化影响。在Al-Cu-Ti合金铸态组织分析中，发现其显微组织是由α（Al）基体和第二相组成，其形貌主要为网状或骨骼状，同时还有较多细小质点分布在其晶界处。在均匀化处理后，发现其晶界组织形状虽有所淡化，但其形貌基本不变，晶界周围细小质点变少，析出了较多的针状织晶等强化相。本次均匀化参数为495℃保温16h，自然冷却，此工艺有助于合金组织的提升。通过固溶热处理后，Al-Ti合金试样有了较为显著的变化。在维氏硬度分析方面，固溶参数515℃保温2.5h试样的硬度较高，其次固溶参数525℃保温2h也达到不错的效果。通过SEM电镜背散射分析图谱分析，固溶参数515℃保温2.5h的试样同样有较好的表现。其第二相相较于铸态有了充分的溶解，虽有少许星状和棒状未溶相组织的存在，但不影响其整体分布。面扫描后发现其未溶相主要为Ti元素的偏聚。经过两次热处理后的试样，其组织溶解地更加充分，晶界比铸态晶界窄，但不如铸态组织连续。其呈现状态仍如网状或骨骼状分布，第二相的分布更加地弥散。
目录
1.绪论 1
1.1 引言 1
1.2 铸造铝铜系合金 1
1.3 铸造铝合金的热处理工艺 2
1.3.1 铝铜合金热处理研究现状 2
1.3.2 均匀化处理 3
1.3.3 固溶处理 3
1.4 晶粒细化的理论研究 4
1.4.1 晶粒细化的背景 4
1.4.2 晶粒细化的优点 4
1.4.3 晶粒细化的意义 4
1.5 主要研究内容 5
2.实验材料和研究方法 6
2.1 实验设备 6
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
2.1.1实验设备表 6
2.1.2热处理设备 6
2.1.3显微镜 7
2.2 实验材料 7
2.2.1材料准备 7
2.2.2 合金的熔炼 7
2.2.3 试样的制备 8
2.2.4 显微组织的分析 10
2.3 材料的热处理 10
2.3.1 均匀化处理 10
2.3.2 固溶处理 10
2.4 维氏硬度比较 11
2.4.1 维氏硬度介绍 11
2.4.2 维氏硬度测量 12
2.5 SEM图像分析 12
3. 结果与讨论 14
3.1 原始铸态组织分析 14
3.2 冷却参数对均匀化热处理组织的影响 15
3.2.1 常温石墨铸型冷却条件下的均匀化热处理组织 15
3.2.2 保温石墨铸型冷却条件下的均匀化热处理组织 17
3.3 固溶处理对组织细化的影响 18
3.3.1 固溶处理时间对Al0.5%Ti合金组织的影响 18
3.3.2 固溶处理时间对Al1%Ti合金组织的影响 22
3.4 维氏硬度分析 25
3.4.1 铸态组织硬度 25
3.4.2 均匀化组织硬度 25
3.4.3 固溶处理组织硬度 26
4. 结论 29
参考文献 31
致谢 32
1.绪论
1.1 引言
铝相比其他有色金属和钢铁等材料，具有更优良的特性，如密度小、较好的加工型、较高的耐蚀性等。但是由于纯铝的力学性能不高，在实际工业生产中，通常在铝中添加某些合金元素来制成铝合金，以提高其力学性能[1]。铝合金作为应用最广泛的合金之一，具备了许多优点，影响了人们生活的方方面面。当今社会在面临能源与环境的严峻挑战下，飞机、汽车等重型制造业为了适应时代需求及外界挑战的情况下，对结构件的性能要求也越来越迫切。铝及其合金具有密度小、加工性能好、强度高、耐磨性强等优点，已被广泛应用于航天航空、桥梁建筑、汽车船舶、机械重工等领域[23]。
AlCuMg合金因其具有较高的强度、良好的断裂韧性以及有意的抗疲劳性能广泛的应用在了航天航空领域。国外在其合金中加入了Ag元素提高了其耐热性能，然而其材料昂贵。我国自主研发了AlCuNi合金，Ni元素是用来提高合金耐热性。当然，同时添加稀土元素也有异曲同工之妙[4]。该系合金制成的金属铸件大部分用于飞行器舱体的承力结构件，在满足了其轻量化要求下，其承受冲击载荷能力和静载荷能力也在接受考验[5]。在此，本文通过均匀化处理及固溶处理实验对铸造AlTi合金进行热处理优化，在控制其他变量情况下，用寻找合适的固溶参数来进行对合金升级。同时，研究不同的凝固参数对铸件铸态和热处理态的影响，探讨组织细化的机制，用以改善合金的综合性能。本论文通过多重对比和多次实验来验证较好的热处理工艺，具有重要的理论意义和实际应用价值。
1.2 铸造铝铜系合金
铸造铝合金是将熔融金属浇铸入不同形状的金属铸型，通过不同的冷却保温工艺，形成各种形状零件毛坯的铝合金。根据合金的成分和加工工艺，铝合金一般分为变形铝合金和铸造铝合金。现代社会中，按照合金中主要加入的元素分为4个系列，即：铝硅系、铝铜系、铝镁系和铝锌系。而本文所涉及AlTi合金即是以Cu为主要元素的合金，在其加入Ti元素作为中间合金，这些合金均属于可热处理强化的合金，具有低密度，比强度高，抗蚀性和铸造工艺性好，受零件结构设计限制小等优点。大多数需要进行热处理以达到强化合金，消除逐渐内应力、稳定组织和尺寸等目的。在制造业中用以制造飞行器及汽车的零部件等。例如打飞机的梁、 燃汽轮叶片、泵体等大件零件制作和发动机的机匣的制作；在汽车制造业中汽车的气缸盖、变速箱和活塞也均有此类金属。
铝铜合金顾名思义，就是通过在Al基中加入了相较于其他元素较大的Cu元素。该元素的加入起到了固溶强化的作用，热处理后再经过析出强化更加地提高了合金强度[6]。铝铜系合金是最早出现的工业铸造铝合金，其具有较高的强度和热稳定性，但加工性能以及耐腐蚀性较差，并且铸造充型能力和抗裂性能等的缺陷，其合金需加入锰、钛等合金元素进行晶粒强化，改善合金性能。
随着工业的发展，现有的铸造铝合金材料的热疲劳、耐高温性能等临近极限，很难适应航空发动机的需求。如发动机活塞，作为至关重要的部件之一，长时间工作在400℃左右的高温环境之中，同时热机械疲劳作用[7]对其零部件的挑战也很大。因此，对于飞机发动机的一些耐热部件用的较多铸造铝铜合金的服役性能也更加严苛，其中美国206.0和201.0（AlCu4AgMgMn）于20世纪70年代基于AU5GT基础上研制成功，其力学性能和抗腐蚀性能良好，AU5GT 是历史上最悠久、应用最广泛的高强韧铸造铝铜合金。该合金在 AlCu 二元合金基础上通过添加 Mg、Ti 等合金元素制备的。由于其杂质元素控制严格，对工艺的要求较高，且耗费的人力物力较大。同时因在其合金中加入了Ag这种贵金属，使得材料成本提高，大大限制了材料的应用范围，仅广泛发展于军事领域[8]。我国于 20 世纪 六七年代成功研制了 ZL205A 合金。该合金成分中含有 Cu、Mn、Cd、Ti、Zr、V、B 等元素，成分较为复杂。ZL205A 合金已大规模应用于飞机汽车制造业，有效地解决了目前工业对于材料的各项需求。
目录
1.绪论 1
1.1 引言 1
1.2 铸造铝铜系合金 1
1.3 铸造铝合金的热处理工艺 2
1.3.1 铝铜合金热处理研究现状 2
1.3.2 均匀化处理 3
1.3.3 固溶处理 3
1.4 晶粒细化的理论研究 4
1.4.1 晶粒细化的背景 4
1.4.2 晶粒细化的优点 4
1.4.3 晶粒细化的意义 4
1.5 主要研究内容 5
2.实验材料和研究方法 6
2.1 实验设备 6
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
2.1.1实验设备表 6
2.1.2热处理设备 6
2.1.3显微镜 7
2.2 实验材料 7
2.2.1材料准备 7
2.2.2 合金的熔炼 7
2.2.3 试样的制备 8
2.2.4 显微组织的分析 10
2.3 材料的热处理 10
2.3.1 均匀化处理 10
2.3.2 固溶处理 10
2.4 维氏硬度比较 11
2.4.1 维氏硬度介绍 11
2.4.2 维氏硬度测量 12
2.5 SEM图像分析 12
3. 结果与讨论 14
3.1 原始铸态组织分析 14
3.2 冷却参数对均匀化热处理组织的影响 15
3.2.1 常温石墨铸型冷却条件下的均匀化热处理组织 15
3.2.2 保温石墨铸型冷却条件下的均匀化热处理组织 17
3.3 固溶处理对组织细化的影响 18
3.3.1 固溶处理时间对Al0.5%Ti合金组织的影响 18
3.3.2 固溶处理时间对Al1%Ti合金组织的影响 22
3.4 维氏硬度分析 25
3.4.1 铸态组织硬度 25
3.4.2 均匀化组织硬度 25
3.4.3 固溶处理组织硬度 26
4. 结论 29
参考文献 31
致谢 32
1.绪论
1.1 引言
铝相比其他有色金属和钢铁等材料，具有更优良的特性，如密度小、较好的加工型、较高的耐蚀性等。但是由于纯铝的力学性能不高，在实际工业生产中，通常在铝中添加某些合金元素来制成铝合金，以提高其力学性能[1]。铝合金作为应用最广泛的合金之一，具备了许多优点，影响了人们生活的方方面面。当今社会在面临能源与环境的严峻挑战下，飞机、汽车等重型制造业为了适应时代需求及外界挑战的情况下，对结构件的性能要求也越来越迫切。铝及其合金具有密度小、加工性能好、强度高、耐磨性强等优点，已被广泛应用于航天航空、桥梁建筑、汽车船舶、机械重工等领域[23]。
AlCuMg合金因其具有较高的强度、良好的断裂韧性以及有意的抗疲劳性能广泛的应用在了航天航空领域。国外在其合金中加入了Ag元素提高了其耐热性能，然而其材料昂贵。我国自主研发了AlCuNi合金，Ni元素是用来提高合金耐热性。当然，同时添加稀土元素也有异曲同工之妙[4]。该系合金制成的金属铸件大部分用于飞行器舱体的承力结构件，在满足了其轻量化要求下，其承受冲击载荷能力和静载荷能力也在接受考验[5]。在此，本文通过均匀化处理及固溶处理实验对铸造AlTi合金进行热处理优化，在控制其他变量情况下，用寻找合适的固溶参数来进行对合金升级。同时，研究不同的凝固参数对铸件铸态和热处理态的影响，探讨组织细化的机制，用以改善合金的综合性能。本论文通过多重对比和多次实验来验证较好的热处理工艺，具有重要的理论意义和实际应用价值。
1.2 铸造铝铜系合金
铸造铝合金是将熔融金属浇铸入不同形状的金属铸型，通过不同的冷却保温工艺，形成各种形状零件毛坯的铝合金。根据合金的成分和加工工艺，铝合金一般分为变形铝合金和铸造铝合金。现代社会中，按照合金中主要加入的元素分为4个系列，即：铝硅系、铝铜系、铝镁系和铝锌系。而本文所涉及AlTi合金即是以Cu为主要元素的合金，在其加入Ti元素作为中间合金，这些合金均属于可热处理强化的合金，具有低密度，比强度高，抗蚀性和铸造工艺性好，受零件结构设计限制小等优点。大多数需要进行热处理以达到强化合金，消除逐渐内应力、稳定组织和尺寸等目的。在制造业中用以制造飞行器及汽车的零部件等。例如打飞机的梁、 燃汽轮叶片、泵体等大件零件制作和发动机的机匣的制作；在汽车制造业中汽车的气缸盖、变速箱和活塞也均有此类金属。
铝铜合金顾名思义，就是通过在Al基中加入了相较于其他元素较大的Cu元素。该元素的加入起到了固溶强化的作用，热处理后再经过析出强化更加地提高了合金强度[6]。铝铜系合金是最早出现的工业铸造铝合金，其具有较高的强度和热稳定性，但加工性能以及耐腐蚀性较差，并且铸造充型能力和抗裂性能等的缺陷，其合金需加入锰、钛等合金元素进行晶粒强化，改善合金性能。
随着工业的发展，现有的铸造铝合金材料的热疲劳、耐高温性能等临近极限，很难适应航空发动机的需求。如发动机活塞，作为至关重要的部件之一，长时间工作在400℃左右的高温环境之中，同时热机械疲劳作用[7]对其零部件的挑战也很大。因此，对于飞机发动机的一些耐热部件用的较多铸造铝铜合金的服役性能也更加严苛，其中美国206.0和201.0（AlCu4AgMgMn）于20世纪70年代基于AU5GT基础上研制成功，其力学性能和抗腐蚀性能良好，AU5GT 是历史上最悠久、应用最广泛的高强韧铸造铝铜合金。该合金在 AlCu 二元合金基础上通过添加 Mg、Ti 等合金元素制备的。由于其杂质元素控制严格，对工艺的要求较高，且耗费的人力物力较大。同时因在其合金中加入了Ag这种贵金属，使得材料成本提高，大大限制了材料的应用范围，仅广泛发展于军事领域[8]。我国于 20 世纪 六七年代成功研制了 ZL205A 合金。该合金成分中含有 Cu、Mn、Cd、Ti、Zr、V、B 等元素，成分较为复杂。ZL205A 合金已大规模应用于飞机汽车制造业，有效地解决了目前工业对于材料的各项需求。
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