Al-Mn系铝合金弥散相及高温性能研究

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目前,铝合金虽然在兵器、船舶、航空、航天、汽车、热交换等行业得到广泛应用,针对其常温下综合性能已进行了广泛深入系统的研究,但关于在较高温度使用的耐热铝合金的研究和开发仍不够充分,没有进一步开发新型耐热铝合金的思路。本研究的思路是将铝合金中的弥散相作为高温强化相,进一步提高耐热铝合金的性能。本研究的主要目的是以能形成较多弥散相Al-Mn系铝合金为基础,通过调整合金化方案及采用适当的的预处理工艺,探究提高弥散相数量和密度的方法,为弥散相作为高温强化相及弥散相与结晶相有效匹配开发新型耐热铝合金奠定基础。结果表明:(1)Al-4Mn-0.15V-0.22Cr合金半连续铸造形成大量形状不规则尺寸为30~150 μm的粗大块状含Mn、Cr、V结晶相,枝晶网不明显,仅在基体上离散分布着少量尺寸约为10 μm以下的过剩相;均匀化处理后,合金中粗大块状含Mn结晶相无明显变化,合金中析出大量的弥散相。合金热轧后,粗大一次结晶相被部分轧碎沿轧向链状分布,弥散相尺寸和分布更均匀,300℃退火后,组织无明显变化。(2)在Al-4Mn合金中添加4%Cu,形成较多的低熔点(Al-Al2Cu)共晶产物构成明显的枝晶网,其二次晶间距减小,另外使形状不规则粗大块状结晶相变成长度约100~250μm的针棒状粗大结晶相。继续在Al-4Mn-4Cu合金基础上添加Fe、Ni,Fe参与粗大含Mn、Cr、V结晶相的形成,但对其形态影响不明显,含Fe、Ni相与(Al-Al2Cu)共晶产物共同构成更明显的枝晶网。均匀化处理后,部分(Al-Al2Cu)低熔点共晶产物溶入基体,部分与含Fe、Ni相在原枝晶网的位置形成1~2 μm之间离散的过剩相,还有一部分依附粗大结晶相形成包围粗大结晶相的含Cu相外,合金基体中出现尺寸小于0.5μm密度高于Al-4Mn合金的棒状弥散相。(2)在Al-4Mn合金中添加3%Si,不仅参与粗大结晶相形成并使其变成长针状,而且还形成大量含Si、Mn的共晶产物构成明显的枝晶网,均匀化处理后,粗大长针状结晶相无明显变化,含Si、Mn的共晶产物略有球化并进一步粗化。在Al-4Mn-3Si合金基础上再添加Fe、Ni,Fe不仅参与粗大结晶相的形成使其变成不规则块状,而且也参与共晶产物的形成。均匀化处理后,粗大块状结晶相无明显变化,共晶产物演变成尺为5~10 μm之间的棒状与球状含Mn、Fe、Si、Ni相,合金基体中出现尺寸小于0.3μm的弥散相。(4)在Al-4Mn合金中添加少量的Cr、V,添加的Cr不仅参与粗大结晶相的形成,也参与较粗大弥散相的形成;添加的V参与粗大结晶相的形成,基本未参与较粗大弥散相的形成。(5)在Al-4Mn(微量V和Cr)中添加4%Cu的合金热轧后,粗大一次结晶相被部分轧碎沿轧向链状分布,弥散相明显增多,最终热处理后,合金中存在尺寸稍大的含Mn、Cu和尺寸稍小只含Cu的两种弥散相,密度较高。(6)在Al-4Mn(微量V和Cr)中添加3%Si的合金热轧后,粗大一次结晶相被轧碎多数呈长棒状分布在合金基体上,合金中弥散相尺寸差较大,300℃退火后,组织和相成分均无明显变化。在Al-4Mn-3Si合金中继续添加1.2Fe和1.2Ni,热轧后部分含Mn、Si、Fe的粗大一次结晶相未明显碎化,弥散相分布不均匀。(7)半连续铸锭均匀化处理前进行250℃×72 h预处理能明显细化含Mn和Cr弥散相并提高其密度和分布均匀性。(8)2618铝合金未形成粗大结晶相,但形成由尺寸3~5 μm的块状和片层状Al9FeNi相以及1 μm左右的块状含Mg、Cu相构成的明显枝晶网,其二次晶间距约为10μm。均匀化处理后,含Mg、Cu相溶入基体,只剩尺寸在1~3 μm之间的球状与棒状Al9FeNi相以及含Cu、Fe相发生部分球化。合金热轧后,过剩相更细小,更均匀,最终热处理后,球状含Fe、Ni相在1 μm左右,棒状含Cu、Fe、Ni相尺寸为1~2 μm之间。(9)在室温下,四种合金的强度由高到低为:2618合金、Al-4Mn-0.15V-0.22Cr合金、3003合金、Al-4Mn-3Si-1.2Fe-1.2Ni合金,四种合金的延伸率由高到低依次为:3003 合金、Al-4Mn-0.15V-0.22Cr 合金、Al-4Mn-3Si-1.2Fe-1.2Ni 合金、2618 合金。在250℃下,六种合金的强度由高到低为:2618合金、Al-4Mn-4Cu-0.15V-0.22Cr合金、Al-4Mn-0.15V-0.22Cr 合金、Al-4Mn-3Si-0.15V-0.22Cr 合金、3003 合金、Al-4Mn-3Si-1.2Fe-1.2Ni,六种合金的延伸率由高到低依次为:Al-4Mn-0.15V-0.22Cr合金、3003合金、2618 合金、Al-4Mn-4Cu-0.15V-0.22Cr 合金、Al-4Mn-3Si-1.2Fe-1.2Ni 合金、Al-4Mn-3Si-0.15V-0.22Cr合金。
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