Al-Si-Cu-Ni-Mg系鑄造耐熱鋁合金組織及其高溫性能研究.pdf

1、鑄造鋁合金作為輕質(zhì)金屬結構材料，具有密度小，比強度、比剛度高，切削加工性好，鑄造性能優(yōu)良和易于回收等優(yōu)點，符合當前社會對材料輕量化和綠色環(huán)保的要求。近年來，隨著汽車工業(yè)對發(fā)動機功率密度的要求不斷提高，現(xiàn)有鑄造耐熱鋁合金的高溫性能已不能滿足工業(yè)發(fā)展的需要，因此，開發(fā)新型鑄造耐熱鋁合金，使合金能夠應用于工作溫度在250℃以上的發(fā)動機缸體和活塞等汽車關鍵部件，已經(jīng)成為亟待解決的重要課題。
　　本文以 Al-12Si-4Cu-2Ni-0.

2、8Mg(M174)(wt.%)合金為基礎，研究了合金元素和熱處理工藝參數(shù)對顯微組織和性能的影響規(guī)律，優(yōu)化出了一種綜合性能，尤其是高溫性能優(yōu)異的鑄造耐熱鋁硅合金。采用微機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電感耦合等離子直讀光譜儀(ICP)、光學顯微鏡(OM)、定量金相分析軟件、X射線衍射儀(XRD)、差示掃描量熱儀(DSC)、動態(tài)熱機械分析儀(DMA)、熱膨脹儀(DIL)、帶能譜分析(EDX)的掃描電子顯微鏡(SEM)和透射電子顯微鏡(TEM)等分析手段，通

3、過硬度、室溫和高溫瞬時拉伸性能、熱物理性能、壓縮蠕變性能及干/油潤滑條件下的摩擦磨損性能等試驗，系統(tǒng)研究了 M174、M174-xSr(x=0.006,0.02,0.03,0.04)、M174-(0,0.1)Ti-(0,0.02)Sr、M174-xGd(x=0.1,0.2,0.5,1.0,3.0)、M174-xY(x=0.1,0.2,1.0)、M174-xNd(x=0.2,0.4,1.0,3.0)、M174-xSm(x=1.0,3.0)

4、和M174-xCe(x=1.0,3.0)(wt.%)等合金的鑄態(tài)顯微組織及其室溫和高溫拉伸性能，獲得了優(yōu)化合金——M174-0.2Gd(wt.%)合金；研究了T6熱處理（固溶+人工時效）工藝對合金組織和力學性能的影響規(guī)律，優(yōu)化出T6熱處理工藝參數(shù)；探討了合金在熱暴露后室溫拉伸性能的時變降低機制、高溫蠕變機制以及干/油潤滑條件下的摩擦磨損機理，為高性能鑄造耐熱鋁合金的進一步開發(fā)和應用提供理論和實踐依據(jù)。研究結果如下：
　　1、鑄造M

5、174合金的鑄態(tài)顯微組織由α-Al基體和分布于基體上的初晶Si、共晶Si、δ-Al3CuNi、γ-Al7Cu4Ni、Q-Al5Cu2Mg8Si6、Al11(MnFeNiCu)4Si以及θ-Al2Cu相等多種金屬間化合物組成。這些金屬間化合物在合金凝固過程中的析出順序依次為初晶Si，α-Al，共晶Si，δ-Al3CuNi，γ-Al7Cu4Ni，Q-Al5Cu2Mg8Si6和θ-Al2Cu。
　　2、通過研究鑄造M174-xSr(x=

6、0，0.006,0.02,0.03,0.04)合金的鑄態(tài)顯微組織和室溫拉伸性能可以發(fā)現(xiàn)：Sr可以減小鑄態(tài)組織中共晶Si和Al11(MnFeNiCu)4Si相的尺寸，提高合金的室溫伸長率。隨著合金中 Sr含量的增加，Al11(MnFeNiCu)4Si相的體積分數(shù)逐漸降低，α-Al的二次枝晶間距先減小后增大。當Sr含量為0.02 wt.%時，二次枝晶間距達到最低值13μm，合金的室溫拉伸性能相對較好。
　　3、通過研究鑄造M174-(

7、0,0.1)Ti-(0,0.02)Sr合金的鑄態(tài)顯微組織和室溫及高溫瞬時拉伸性能，可以發(fā)現(xiàn)：Sr與B發(fā)生反應形成SrB6相，該相可以作為形核核心提高細化劑的細化效果。Al-5Ti-1B中間合金的加入可以提高鑄態(tài)合金的高溫瞬時拉伸性能，而Al-10Sr中間合金的加入則會降低鑄態(tài)合金的高溫瞬時拉伸性能。
　　4、通過研究M174-xGd(x=0,0.1,0.2)(wt.%)合金在單步和雙步固溶處理和時效處理過程中的組織演變規(guī)律和力學性

8、能變化，可以優(yōu)化出合金的固溶處理工藝為500℃×2h+540℃×3h，在該工藝條件下，初晶Si相邊緣鈍化、共晶Si相熔斷且球化、θ-Al2Cu和Q-Al5Cu2Mg8Si6等金屬間化合物完全溶入基體中。優(yōu)化后的時效處理工藝為175℃×5h。
　　5、稀土元素Gd對鑄態(tài)、T4態(tài)和T6態(tài)M174合金的顯微組織有以下影響：1）在鑄態(tài)合金組織中，隨著Gd含量的增加（≤0.5 wt.%），Al11(MnFeNiCu)4Si和δ-Al3CuN

9、i相的尺寸逐漸減小，組織中出現(xiàn)富Gd相且其形貌逐漸由塊狀演化為細長條狀。2）在T4態(tài)合金組織中，隨著Gd含量的增加（≤0.2 wt.%），骨骼狀的δ-Al3CuNi相逐漸分為兩部分：一部分為δ-Al3CuNi相，其形貌保持骨骼支架狀；另一部分則是被碎化的金屬間化合物，由尺寸約5~10μm的Al3CuNi相以及尺寸≤5μm的富Gd相組成。3）在T6態(tài)合金組織中，Gd抑制了時效過程中θ-Al2Cu相的析出。峰值時效態(tài) M174-0.2Gd合

10、金顯微組織中主要存在兩種析出相：一種為出現(xiàn)在晶粒內(nèi)部的球狀Q-Al5Cu2Mg8Si6相，其直徑≤200nm；另一種為存在于晶界處的Al3CuGd相，其晶格常數(shù)為a=b=4.157?，c=10.651?，尺寸≤200nm。
　　6、對鑄態(tài)、T4態(tài)和T6態(tài)M174-xGd(x=0,0.1,0.2)(wt.%)合金室溫和高溫瞬時拉伸性能的研究表明，隨著Gd含量的增加，合金的室溫和高溫瞬時拉伸性能先增加后降低。當拉伸測試溫度低于200℃

11、時，同一熱處理態(tài)的M174-0.1Gd合金拉伸性能較好；當拉伸測試溫度高于300℃時，同一熱處理態(tài)的M174-0.2Gd合金抗拉強度較優(yōu)。
　　7、研究了鑄態(tài)和T6態(tài)M174-xGd(x=0,0.1,0.2)(wt.%)合金室溫和高溫物理性能的變化趨勢，結果表明：在同樣的熱處理條件下，隨著Gd含量的增加，合金的熱膨脹系數(shù)逐漸降低而彈性模量逐漸增加。
　　8、探討了T6態(tài)M174-0.2Gd(wt.%)合金熱暴露后室溫拉伸性能

12、的時變降低機制，結果表明：熱暴露后合金室溫拉伸性能隨熱暴露時間逐漸下降的原因在于θ-Al2Cu和Q-Al5Cu2Mg8Si6相的二次析出并長大。當熱暴露溫度為250℃時，隨著熱暴露時間由0h逐漸增加至200h，θ-Al2Cu相析出且尺寸逐漸增加至100~250nm，局部區(qū)域的析出相長度甚至達到約500nm，相鄰θ-Al2Cu相之間的距離也由20~100nm增加至200nm以上，晶粒內(nèi)部逐漸出現(xiàn)尺寸為1~2 nm，其長軸平行于<100>α

13、-Al的點狀Q-Al5Cu2Mg8Si6相。
　　9、對T6態(tài)M174-0.2Gd(wt.%)合金高溫壓縮蠕變行為的研究表明，晶界處存在熱穩(wěn)定性較高的Al3CuGd稀土相可以有效固定晶界，提高合金的蠕變性能。在低應力（σ≤50MPa）低溫（T≤250℃）的條件下，n=1.3~2.5，Q=32.0~74.6kJ/mol，蠕變受擴散蠕變或析出相阻礙的晶界滑動控制；在高應力（σ≥80MPa）高溫區(qū)，n=3.7~5.6，Q=18.0~79

14、.0kJ/mol，蠕變受晶界滑動和位錯攀移控制。對于T6態(tài)M174-0.2Gd合金而言，服役溫度T≤300℃，應力σ≤80MPa。
　　10、對鑄態(tài)和T6態(tài)M174-xGd(x=0,0.1,0.2)(wt.%)合金在室溫和高溫條件下干摩擦磨損行為的研究表明，隨著Gd含量的增加，合金的體積磨損率和動態(tài)摩擦磨損系數(shù)逐漸降低，高溫或者高載荷作用下的磨損機制逐漸由磨粒磨損和剝層磨損相結合的方式向剝層磨損轉(zhuǎn)變。
　　11、研究了T6態(tài)