cr添加对耐热al合金微观组织与性能的影响【字数：10860】
耐热铝合金因比强度高、抗蠕变性能好等优点使其在高温条件下表现出较好的热稳定性和优良的力学性能。该类合金广泛用于机械制造领域，诸如输送电力的扩容导线、发动机上的活塞、缸套等零部件。研究发现Cr添加起到细化耐热铝合金晶粒的作用，并进一步提高其服役温度，成为近年来的研究焦点。本文研究Cr含量和不同的浇铸铸型对耐热铝铬合金铸态组织和性能的影响，其中Cr元素变量为0wt%Cr、0.3wt%Cr、0.5wt%Cr和1wt%Cr。合金浇铸铸型分别为在常温下的金属铸型、在常温下的石墨铸型和在200℃在下保温的金属铸型。根据以上变量制备出12类金相试样，并通过蔡司金相显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射和维氏硬度计等仪器对合金铸态组织和显微硬度进行分析。研究发现，合金铸态组织大部分为不规则的树枝晶，以α铝为基体，晶界及枝晶间隙分布着呈网状和粒状的第二相Al2Cu，元素Cr则以第二相Al0.983Cr0.017的形式较为均匀的分布在Al基体上；Cr元素含量增加有细化晶粒的作用，同时也使得网状第二相分布均匀，并且存在树枝晶粗化的现象；显微硬度分析表明，在石墨铸型条件下的硬度比金属铸型的硬度大。随Cr含量的增加，在常温石墨铸型条件下，合金的硬度呈上升趋势，1wt%Cr时硬度最大，而在常温金属铸型条件下，硬度呈先上升后下降趋势，0.5wt%Cr时硬度最大。
目录
1. 绪论 1
1.1 耐热铝合金简介 1
1.2 耐热铝合金热处理工艺 2
1.2.1 铝合金的基本热处理 2
1.2.2 耐热铝合金制备与工艺技术 3
1.3 各类合金元素对耐热铝合金的组织和性能影响 4
1.3.1 AlCu系列合金和 AlFeVSi 系列合金 4
1.3.2 Cr元素对耐热铝合金的组织和性能影响 5
1.3.3 稀土元素对耐热铝合金的组织和性能影响 6
1.4 本论文研究的主要内容和意义 6
2. 实验部分 7
2.1 实验材料及设备 7
2.2 合金熔炼及试样制备 8
2.3 组织结构观察与分析测试 10
2.3.1 金相观察 10
2.3.2 SEM扫描电子显微镜 11 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
2.3.3 XRD物相分析 11
2.4 显微硬度性能测试 11
3. 结果与分析 12
3.1 铸态微观组织 12
3.1.1 Cr对微观组织产生的影响 12
3.1.2 SEM组织及成分分析 15
3.2.3 浇铸方式对组织形态的影响 21
3.2 显微硬度性能测试 27
3.3 XRD物相分析 29
4. 结论 31
参考文献 32
致谢 33
1. 绪论
1.1 耐热铝合金简介
耐热铝合金是在高温条件下有较好的热稳定性和优良的力学性能的合金。随着经济的快速发展，耐热铝合金多被用在机械制造领域中。主要服役于高温环境中，其耐高温、高比强和良好的蠕变性能的优点是普通铝合金所不能及的。
随着科技的发展，环保理念的普及以及城市化进程的推进，电力已经在人们生活中扮演着越来越重要的角色，比如电动汽车的高速发展。这些都使得供电压力急剧上升，大容量的电力系统是目前发展趋势。因此，应要求导线具有更高的输送能力。目前，用耐热铝合金制成的扩容导线可以在高温条件下保持足够的力学性能。而在高温条件下，比钢芯铝绞线的输送能力提高了40%。在长期高温的服役条件下，耐热铝合金扩容导线的能够极佳的保持其热稳定和强度。以上的优良性能优点被科学人员发现和研究，并且广泛的应用于输电线路的使用、变电站的建设等[1]。
此外，耐热铝合金在发动机上的活塞、缸套等零部件上也有使用，由于活塞不仅要长期服役在350℃耐热铝合金在的高温条件下，并且还要承受着一定的载荷以及热疲劳的作用。所以车辆发动机的零件一般由AlSi系铸造耐热铝合金制成。由于其长时间在高温下工作，在生产过程中加入一些过渡金属元素[2]，例如：Cu，Ni，Mn等，进一步合金化使其热稳定性提高，保证汽车发动机零件在高温环境时，工作状态的稳定。现在人们广泛使用耐热铝合金的主要组成就是AlSiCuMgNi耐热铝合金[3,4]。
/ /
(a)耐热铝合金导线 (b)活塞
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(c)缸套 (d)新一代超音速飞机蒙皮采用铝合金
图11 耐热铝合金的应用
虽然耐热铝合金具有耐高温和良好的蠕变能力，但是长时间在特定的温度环境下，铝合金基体会随着晶粒的变大而变软，从而导致其力学特性大大减弱，发生形变。
1.2 耐热铝合金热处理工艺
1.2.1 铝合金的基本热处理
退火和固溶时效是两种铝合金热处理的基本方法。铝合金可以通过退火处理，从而得到更稳定的组织和提高的合金塑性，另外也能够使用固溶时效方式，进一步增强合金的强度。进一步的实验研究发现，在AlCr合金中，添加V、Mn、Nb、W等合金化元素，能够有效的提高其耐热性能。这些元素能够在快速凝固的过程中形成过饱和固溶体，经过进一步的时效处理后，得到细小弥散的强化第二相，从而阻碍晶界的迁移和稳定基体[5]。
1.2.2 耐热铝合金制备与工艺技术
目前，关于耐热铝合金的材料制备与工艺技术是通过合金化处理、热处理和控制凝固这三种方式来达到优化合金性能的作用，有三种方式来达到有效阻止原子扩散、阻碍晶界的迁移和位错的运动。一是加入微量元素，变化相的分布和形态，得到具有共格关系的弥散增强相，获得亚稳相，对晶界有钉扎作用。另外，得到的熔点高的弥散第二相均匀分布在铝基体中，有助于提高材料的强度。然而第二相的数量达到一定数量时，第二相产生偏聚而使得铝合金的脆性变大。二是在铝基体上添加增强相使其弥散分布产生钉扎作用(对晶界迁移、滑移有阻碍作用)。这些增强相主要采用金属陶瓷和纤维相来稳定组织并且阻碍再结晶过程，从而提高材料在高温下的稳定性。三是在铝合金基体中添加性质活跃的稀土元素，使晶界周围得到强化粒子，固定晶界的迁移增强晶界强度，从而满足在高温时的服役条件[6,7]。
此外，关于新型耐热铝合金热处理工艺。非共格第二相产生的第二相强化作用，增强材料的耐热性。采用合金化处理和粉末冶金制成的铝合金，工作温度可达350℃。最近的科学发展则使用快速凝固的工艺和粉末冶金技术[7]，能够产生固溶强化、细晶强化来改变材料性能。该类合金的第二强化相在高温下有良好的稳定性，在350℃的左右的服役条件下，可以部分代替钛合金而作为结构材料。
目录
1. 绪论 1
1.1 耐热铝合金简介 1
1.2 耐热铝合金热处理工艺 2
1.2.1 铝合金的基本热处理 2
1.2.2 耐热铝合金制备与工艺技术 3
1.3 各类合金元素对耐热铝合金的组织和性能影响 4
1.3.1 AlCu系列合金和 AlFeVSi 系列合金 4
1.3.2 Cr元素对耐热铝合金的组织和性能影响 5
1.3.3 稀土元素对耐热铝合金的组织和性能影响 6
1.4 本论文研究的主要内容和意义 6
2. 实验部分 7
2.1 实验材料及设备 7
2.2 合金熔炼及试样制备 8
2.3 组织结构观察与分析测试 10
2.3.1 金相观察 10
2.3.2 SEM扫描电子显微镜 11 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
2.3.3 XRD物相分析 11
2.4 显微硬度性能测试 11
3. 结果与分析 12
3.1 铸态微观组织 12
3.1.1 Cr对微观组织产生的影响 12
3.1.2 SEM组织及成分分析 15
3.2.3 浇铸方式对组织形态的影响 21
3.2 显微硬度性能测试 27
3.3 XRD物相分析 29
4. 结论 31
参考文献 32
致谢 33
1. 绪论
1.1 耐热铝合金简介
耐热铝合金是在高温条件下有较好的热稳定性和优良的力学性能的合金。随着经济的快速发展，耐热铝合金多被用在机械制造领域中。主要服役于高温环境中，其耐高温、高比强和良好的蠕变性能的优点是普通铝合金所不能及的。
随着科技的发展，环保理念的普及以及城市化进程的推进，电力已经在人们生活中扮演着越来越重要的角色，比如电动汽车的高速发展。这些都使得供电压力急剧上升，大容量的电力系统是目前发展趋势。因此，应要求导线具有更高的输送能力。目前，用耐热铝合金制成的扩容导线可以在高温条件下保持足够的力学性能。而在高温条件下，比钢芯铝绞线的输送能力提高了40%。在长期高温的服役条件下，耐热铝合金扩容导线的能够极佳的保持其热稳定和强度。以上的优良性能优点被科学人员发现和研究，并且广泛的应用于输电线路的使用、变电站的建设等[1]。
此外，耐热铝合金在发动机上的活塞、缸套等零部件上也有使用，由于活塞不仅要长期服役在350℃耐热铝合金在的高温条件下，并且还要承受着一定的载荷以及热疲劳的作用。所以车辆发动机的零件一般由AlSi系铸造耐热铝合金制成。由于其长时间在高温下工作，在生产过程中加入一些过渡金属元素[2]，例如：Cu，Ni，Mn等，进一步合金化使其热稳定性提高，保证汽车发动机零件在高温环境时，工作状态的稳定。现在人们广泛使用耐热铝合金的主要组成就是AlSiCuMgNi耐热铝合金[3,4]。
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(a)耐热铝合金导线 (b)活塞
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(c)缸套 (d)新一代超音速飞机蒙皮采用铝合金
图11 耐热铝合金的应用
虽然耐热铝合金具有耐高温和良好的蠕变能力，但是长时间在特定的温度环境下，铝合金基体会随着晶粒的变大而变软，从而导致其力学特性大大减弱，发生形变。
1.2 耐热铝合金热处理工艺
1.2.1 铝合金的基本热处理
退火和固溶时效是两种铝合金热处理的基本方法。铝合金可以通过退火处理，从而得到更稳定的组织和提高的合金塑性，另外也能够使用固溶时效方式，进一步增强合金的强度。进一步的实验研究发现，在AlCr合金中，添加V、Mn、Nb、W等合金化元素，能够有效的提高其耐热性能。这些元素能够在快速凝固的过程中形成过饱和固溶体，经过进一步的时效处理后，得到细小弥散的强化第二相，从而阻碍晶界的迁移和稳定基体[5]。
1.2.2 耐热铝合金制备与工艺技术
目前，关于耐热铝合金的材料制备与工艺技术是通过合金化处理、热处理和控制凝固这三种方式来达到优化合金性能的作用，有三种方式来达到有效阻止原子扩散、阻碍晶界的迁移和位错的运动。一是加入微量元素，变化相的分布和形态，得到具有共格关系的弥散增强相，获得亚稳相，对晶界有钉扎作用。另外，得到的熔点高的弥散第二相均匀分布在铝基体中，有助于提高材料的强度。然而第二相的数量达到一定数量时，第二相产生偏聚而使得铝合金的脆性变大。二是在铝基体上添加增强相使其弥散分布产生钉扎作用(对晶界迁移、滑移有阻碍作用)。这些增强相主要采用金属陶瓷和纤维相来稳定组织并且阻碍再结晶过程，从而提高材料在高温下的稳定性。三是在铝合金基体中添加性质活跃的稀土元素，使晶界周围得到强化粒子，固定晶界的迁移增强晶界强度，从而满足在高温时的服役条件[6,7]。
此外，关于新型耐热铝合金热处理工艺。非共格第二相产生的第二相强化作用，增强材料的耐热性。采用合金化处理和粉末冶金制成的铝合金，工作温度可达350℃。最近的科学发展则使用快速凝固的工艺和粉末冶金技术[7]，能够产生固溶强化、细晶强化来改变材料性能。该类合金的第二强化相在高温下有良好的稳定性，在350℃的左右的服役条件下，可以部分代替钛合金而作为结构材料。
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