Sr含量对Al-Si合金显微组织和热导率的影响

以纯铝、Al-20Si和Al-10Sr中间合金为原料,Sr为变质剂(含量为0.01%、0.02%、0.04%和0.06%,质量分数),制备了Al-7Si-xSr、Al-12Si-xSr和Al-20Si-xSr合金,研究了Sr含量对Al-Si合金相变储热材料显微组织及热导率的影响。利用Hot Disk热常数分析仪测量合金的热导率,通过扫描电镜观察及分析合金的显微组织。结果表明:在Al-Si合金中添加变质元素Sr会影响合金的热导率,Al-7Si-0.04Sr合金热导率较Al-7Si合金增加了73.47 W·m^(-1)·K^(-1),Al-20Si-0.04Sr合金的热导率较Al-20Si合金增加了24.09 W·m^(-1)·K^(-1),Al-12Si-0.04Sr合金的热导率较Al-12Si合金增加了17.79 W·m^(-1)·K^(-1)。铝硅合金热导率的增长主要与α(Al)、共晶硅和初晶硅的形貌有关。经过Sr变质之后,Al-7Si合金中共晶Si立体形貌均由片层状转变为珊瑚状,Al-12Si和Al-20Si合金中共晶Si立体形貌由片层状转变为枝条状;其中,Al-7Si合金中α(Al)尺寸明显减少、排列紧密,二次枝晶臂间距逐渐减小;Al-20Si合金中的初晶Si尺寸明显减小,其形貌由多角的大块状变为小块状;α(Al)形态的转变不仅能够为自由电子的传输提供快速通道,而且还会使得共晶Si的排列更加规则,减少自由电子发生散射的几率,对合金的热导率影响较大。共晶Si由片层状转变为珊瑚状或枝条状,增加电子的平均自由程,有利于电子的传输。Al-20Si合金的热导率与初晶Si的形态有着重要联系,大尺寸且形状完整的初晶Si会发生晶格振动,会提高合金的热导率。

Sc和Si相互作用对铸造Al-Si-Sc合金组织和性能的影响

通常在铸造Al-Si合金加入Sc来改善合金的性能,但是Si和Sc的相互作用对合金组织和性能影响仍需要进一步深入研究。本文研究了不同含量的Si和Sc对合金组织和性能的影响,结果表明,Sc通过原位形成初生Al_(3)Sc作为α-Al异质形核质点从而细化α-Al晶粒;在凝固过程中,共晶反应生成了网格状AlSi_(2)Sc_(2)相,包晶反应形成了块状AlSi_(2)Sc_(2)相;两种AlSi_(2)Sc_(2)相都会消耗合金中Sc原子,从而降低了Al_(3)Sc的细化效果;Sc还变质共晶Si为更有序的纤维/片状结构,适当的Si与Sc的比可以避免AlSi_(2)Sc_(2)的形成;Al-6Si中Sc含量从0.3%增加至1%时,抗拉强度和屈服强度均上升,但由于AlSi_(2)Sc_(2)相的存在,其伸长率下降;当Sc含量为1%、Si含量从6%降至3%时,抗拉强度、屈服强度和伸长率分别上升2%、12%和21%,主要是凝固过程中析出了Al_(3)Sc而非AlSi_(2)Sc_(2)相。最后,还讨论了Si-Sc交互作用对组织演变的机制。

Cu含量以及Cu/Mg比对Al-Si-Cu-Mg合金组织和力学性能的影响

研究了Cu含量和Cu/Mg比对Al-Si-Cu-Mg合金组织和力学性能的影响。结果表明Al-Si-Cu-Mg合金凝固组织是否形成Mg_(2)Si、Q-Al_(5)Cu_(2)Mg_(8)Si_(6)以及θ-Al_(2)Cu取决于Cu含量以及Cu/Mg比。当Cu/Mg比相对低时形成Mg_(2)Si中间相,而Cu/Mg比高时则倾向于生成Q-Al_(5)Cu_(2)Mg_(8)Si_(6)和θ-Al_(2)Cu相。当Cu/Mg比相同时,高Cu含量和高Mg含量都会促进Q相θ相的形成。通过观察T6热处理后的组织发现Cu含量以及Cu/Mg比控制了初生相的溶解以及析出相的形成,从而影响合金的强度与韧性。通过控制Cu含量及Cu/Mg比使Al-9Si-2Cu-0.5Mg合金中析出较少数量的初生相,再通过热处理析出大量的Q′强化相,使合金具有较高的强度和相对适中的伸长率。

Zr对Al-Si-Mg-Mn合金凝固过程、时效组织和性能的影响

通过模拟计算、组织观察以及力学性能测试,研究了不同Zr含量对铸造Al-Si-Mg-Mn合金凝固过程、时效组织及力学性能的影响。结果表明,随着Zr含量增加,合金凝固路径存在显著差异,晶粒由初期树枝晶逐步演变为等轴晶;175℃时效7 h条件下,Zr的加入显著提高合金硬度。Zr的加入促使析出相在更低时效温度析出,这可能是Zr细化了晶粒从而提高了扩散效率。峰值时效时合金主要析出相为β″相和Q′相。

Mn微合金化Al-Si-Cu-Mg合金显微组织及耐蚀性能研究

Al-Si-Cu-Mg系列合金具有优异的强韧性,但其中的含Cu强化相极大地影响了该系合金的耐蚀性能。因此,本文通过对不同Mn含量的Al-7Si-2Cu-0.6Mg合金进行显微组织观察和电化学分析,探究Mn元素的添加对T6热处理状态下合金微观结构和耐蚀性的影响。结果表明,Mn添加量的提高对合金显微硬度几乎没有影响,但在合金基体中可以观察到弥散相。随着Mn含量升高,合金的耐蚀性呈现先升高后降低的趋势。添加0.360%Mn(质量分数)合金具有最佳耐蚀性,腐蚀电流密度比基础合金减少了54%。腐蚀形貌观察结果表明,Mn的添加可以显著减弱合金的点蚀趋势。

Y/Al-5Ti-1B复合变质对Al-7Si合金微观组织和力学性能的影响

在传统铸造Al-Si合金中存在的粗大树枝晶α-Al相以及针状共晶Si严重割裂基体,显著降低合金的力学性能。为细化Al-Si合金的组织,提升其力学性能,本文使用扫描电镜(SEM)、电子探针(EPMA)、X射线衍射仪(XRD)以及万能材料试验机,研究了不同添加量Y/Al-5Ti-1B变质剂(Al-5Ti-1B均为2%,稀土Y分别为0.05%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%,质量分数)对Al-7Si合金微观组织和力学性能的影响,并探究了其对Al-7Si合金的变质机理。实验结果表明,当Al-5Ti-1B含量为2%、稀土Y含量为0.4%时,变质效果最佳,共晶Si由粗大针状变为细小颗粒状,长和宽分别减小至2.7和0.8μm,相较于未经变质处理的Al-7Si合金,减小了90.6%和4.7%。合金抗拉强度由原来的168.1 MPa提升至209.1 MPa,增加了24.4%。同时伸长率从6.23%提升至9.62%,增长了54.4%。此外,合金的断裂方式也从脆性断裂转变为韧-脆混合断裂。

微量稀土La对Al-7%Si-0.6%Fe合金组织与性能的影响

在Al(铝)-Si(硅)合金中同时添加Sr(锶)和B(硼)存在“中毒”现象,无法同时细化α-Al晶粒和变质共晶Si.本文研究了在同时添加α-Al晶粒细化剂B和共晶Si变质剂Sr的条件下,微量稀土La(镧)对Al-7%Si-0.6%Fe合金组织、热导率和力学性能的影响,分析了稀土La的影响规律及其作用机理.结果表明微量稀土La的添加,一方面可以中和Sr与B的毒化效应,提升共晶Si的变质效果;另一方面可以促使α-Al异质形核基底La B6的形成,并作为表面活性剂降低α-Al的形核过冷度,从而细化α-Al晶粒.共晶Si的变质以及α-Al晶粒的细化有助于同时提升Al-7%Si-0.6%Fe合金的热导率及力学性能.此外,当稀土La的添加量在0.02%—0.06%之间时,合金的导热性能明显提升;随着La添加量的进一步增大,合金热导率下降.

Cu含量和热处理工艺对Al-Si-Mg-Mn-xCu铸造铝合金显微组织和力学性能的影响

采用三维X射线显微镜、光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜及硬度测试系统研究Cu含量及热处理工艺对真空压铸Al-Si-Mg-Mn-xCu合金显微组织和力学性能的影响。研究发现,虽然Cu含量增加会提高铸锭中气孔的密度和尺寸,但是Cu添加将促进凝固过程中含Cu初生相(Q-Al_(5)Cu_(2)Mg_(8)Si_(6)和θ-Al_(2)Cu)的形成,从而提高合金性能。合金中形成5种不同结构的初生相,包括共晶Si、α-Al(Fe,Mn)Si、β-Mg_(2)Si、Q-Al_(5)Cu_(2)Mg_(8)Si_(6)和θ-Al_(2)Cu相。随着Cu含量增加,θ相的面积分数迅速增加,α-Al(Fe,Mn)Si相面积分数首先降低,随后缓慢增加,而Q相的变化趋势与α-Al(Fe,Mn)Si相相反。这些初生相在热处理过程中会出现不同的演变规律。在随后的时效处理过程中,Q'和θ'相的协同析出能显著提高合金的时效硬化潜力。

Al−Si−Fe−Mn合金熔体保温过程中富铁相的三维形态特征和生长行为

采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、热力学计算和同步辐射X射线成像技术研究Al−7.0Si−1.0Fe−1.2Mn合金熔体保温过程中富铁相的形态演变和生长行为。结果表明,随着保温温度的降低,富铁相的形态由粗大的星形和多边形状转变成细小的汉字状以及汉字和多边形的耦合结构。富铁相的三维形貌显示,星形富铁相由多个多分支的初生相和衍生的不规则次生相组成;耦合结构由多面体和枝晶组成;单一汉字相则由枝晶组成。随着保温温度的降低,富铁相的数量、体积分数以及最大富铁相的体积和连通性显著降低。原位同步辐射X射线结果显示,在凝固过程中形成了两类初生富铁相,其中尺寸较小的初生富铁相保留在熔体中,并成为耦合共晶结构富铁相的形核质点。

选区激光熔化成形TiB_(2)/Al-Si-Mg大尺寸复杂构件

选区激光熔化(SLM)成形大尺寸复杂构件厚度多样、成形高度较高、方向复杂,需要研究构件微观组织均匀性和力学性能稳定性。本文以SLM成形TiB_(2)/Al-Si-Mg复合材料为研究对象,分析复合材料多级微观组织,对比不同成形厚度、高度、方向下复合材料的力学性能。结果表明:复合材料表现出熔池特征结构,细小等轴晶粒组织均匀分布且随机取向,纳米TiB_(2)颗粒在材料内部弥散分布。随成形厚度增加,复合材料伸长率保持稳定,抗拉强度受本征热处理影响略微增大;在不同成形高度下,复合材料抗拉强度和伸长率保持稳定;在不同成形方向下,复合材料抗拉强度保持稳定,伸长率受熔池结构影响在水平方向略高。基于以上结果,成功制备大飞机舱门铰链臂(588 mm×318 mm×470 mm)复杂结构件。

Al-5Nb-B细化剂对Al-12Si合金组织与性能的影响

采用氟盐法制备了Al-5Nb-B晶粒细化剂,将所制备的细化剂按不同含量(0.0wt%、1.5wt%、3.0wt%、4.5wt%)分别添加到Al-12Si合金中。采用光学显微镜、扫描电镜对添加不同含量晶粒细化剂的Al-12Si合金的显微组织进行观察,并在电子万能试验机(D2-02001)上进行室温力学性能测试。研究了Al-5Nb-B晶粒细化剂对近共晶Al-12Si合金显微组织与拉伸性能的影响。结果表明:氟盐法制备的Al-5Nb-B晶粒细化剂主要包含平均尺寸为20μm的Al3Nb颗粒和5μm的NbB2颗粒。随着Al-5Nb-B晶粒细化剂含量的增大,Al-12Si合金中α-Al晶粒尺寸由未添加的1864μm减小到396μm,铸态合金的抗拉强度由128 MPa增大到145 MPa,且断后伸长率由6.9%提高到9.8%。氟盐法制备的Al-5Nb-B晶粒细化剂提高了NbB2在Al-12Si合金熔体中的形核数,有效细化了α-Al基体,提高了合金力学性能。

Mg对亚共晶Al-10Mg_(2)Si合金组织与力学性能的影响

研究了不同Mg含量对含10 mass%Mg_(2)Si的亚共晶Al-Mg-Si合金显微组织、拉伸性能和断裂行为的影响。结果表明:在合金中添加1.2~2.8 mass%的Mg能够减小初生α-Al枝晶的尺寸,适量的Mg明显地细化了合金中的Mg_(2)Si共晶相,并使其形貌由粗大的汉字状转变为短条状、颗粒状和纤维状。共晶Mg_(2)Si的细化归因于Mg原子团簇在其两侧的富集,抑制了共晶Mg_(2)Si的生长,促进了其生长方向的改变。适量的Mg的添加同时提高了合金的强度和塑性,添加2.8 mass%Mg的合金拉伸性能达到最高,抗拉强度、屈服强度和伸长率分别由未添加Mg的232.4 MPa、150.4 MPa和1.5%增加到322.0 MPa、270.4 MPa和6.1%,分别提高了38.6%、79.8%和306.7%。未添加Mg的合金的断裂机制为脆性断裂,添加2.8 mass%Mg的合金的断裂机制转变为韧性断裂。

孔隙和α-Al(Fe/Mn)Si相对高压压铸Al-7Si-0.2Mg合金塑性的影响

采用高压压铸工艺制备两批次不同尺寸的Al-7Si-0.2Mg(质量分数,%)合金,获得显微组织和孔隙非均匀分布的薄壁铸件,并对比研究孔隙和显微组织对铸态合金塑性的影响。结果表明:不同铸件和不同位置样品的伸长率有较大波动(9.7%~17.9%)。当合金存在大面积孔隙时,有效承载面积减小导致由孔隙产生的应力集中使合金伸长率显著降低。当合金只存在小面积孔隙时,塑性变形过程中合金中的α-Al(Fe/Mn)Si相先于共晶硅相发生脆性断裂,α-Al(Fe/Mn)Si相的数量密度对伸长率的波动起主导作用,具有高数量密度α-Al(Fe/Mn)Si相试样的伸长率显著降低。此外,局部较高的冷却速率导致铸件α-Al(Fe/Mn)Si相数量密度的增加。

富Ce稀土对多元Al-Si活塞合金凝固组织的影响

采用DSC以及光学显微镜与扫描电镜研究了富Ce稀土(0.1wt%,0.3wt%,0.5wt%)对多元近共晶Al-11.5Si-4Cu-2Ni-1Mg-0.5Fe(wt%)活塞合金凝固组织的影响。发现富Ce稀土加入对该合金的共晶硅和多种第二相的凝固温度、形态与体积分数均有明显影响。富Ce稀土的加入,使Al-Si共晶温度降低,T-Al_(9)FeNi相和δ-Al_(3)CuNi相析出温度升高。富Ce稀土加入量0.3wt%时,共晶硅变质效果最佳,T-Al_(9)FeNi相由初始的板条状转变为小块状,体积分数减小到3.22vol%,δ-Al_(3)CuNi相由初始的片状转化为鱼骨状,体积分数增加到6.47vol%。富Ce稀土中La、Ce原子在凝固过程中富集在固液界面前沿,增大了成分过冷,细化共晶组织。当富Ce稀土含量为0.5wt%时,合金中出现长针状富稀土相。

细化变质对免热处理压铸Al-Zn-Si-Cu合金组织及性能的影响

采用压铸成形工艺制备Al-Zn-Si-Cu合金,研究陶瓷纳米增强颗粒(TiC/TiB_(2))和Al-10Sr变质剂对免热处理压铸Al-Zn-Si-Cu合金力学性能、导热/电性能、显微组织的细化变质效果。结果表明,单独添加0.5%陶瓷纳米颗粒后,与未添加细化剂的合金相比,α-Al相得到明显细化,呈近蔷薇状,纤维状共晶Si相更加致密,短棒状Al_(2)Cu相更加细小,且Zn、Si、Cu元素在基体中含量增加,此时力学性能得到提升,导热/电性能略有下降,主要是由于溶质元素的增加导致晶格发生畸变程度变大,增大电子散射能力的同时减小电子的平均自由程,使得金属的导热和导电能力下降;经0.5%陶瓷纳米颗粒和0.1%Al-10Sr中间合金共同作用后,共晶Si相棱角钝化,基体中溶质元素含量进一步增加,此时合金力学性能达到最佳,其抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为361 MPa,213 MPa和6.8%,热导率为118.73 W/(m·K)。

Si含量对Al-Si-Cu-Ni-Mg合金组织和性能的影响

采用搅拌铸造工艺制备不同Si含量合金,旨在揭示Si含量对Al-Si-Cu-Ni-Mg合金微观组织、力学性能和耐磨性的影响。结果表明,随着Si含量升高,合金中共晶Si长径比和平均长度先升高后降低,Si含量为16wt.%合金的长径比和平均长度最大,分别为8.8μm、24.1μm。经过520℃/6 h固溶+180℃/5 h时效处理后,共晶Si形貌由纤维状变为球状,初晶Si棱角钝化。合金中共晶Si长径比和平均长度均有明显降低,保持与铸态合金相同的变化趋势;Si含量为16wt.%合金的长径比和平均长度分别为3.5μm、12.4μm,初晶Si尺寸没有明显变化。随着Si含量的升高,铸态合金拉伸性能逐渐降低,宏观硬度逐渐上升。经过T6热处理后,合金的拉伸性能和宏观硬度有了明显提升,保持与铸态合金相同的变化趋势,随着Si含量的升高,合金磨损失重减少,耐磨性得到改善。Si含量为16wt.%的合金磨损失重最少,耐磨性最好;继续增加Si含量时,合金耐磨性降低。

Cu含量对Al-1Mg-0.6Si-xCu合金板材韧性及弯曲性能的影响

采用室温拉伸、Kahn撕裂以及弯曲实验,结合数字图像分析法和扫描透射电镜等手段,探究了Cu含量对Al-1Mg-0.6Si-xCu合金板材韧性及弯曲性能的影响。结果表明:随着Cu含量的增加,合金的伸长率、均匀伸长率、均匀断裂能和单位面积裂纹形核功逐渐增加,合金的弯曲性能变好,均匀阶段韧性提升,而合金的失稳伸长率、失稳断裂能及单位面积裂纹扩展功下降,合金失稳阶段韧性变差。随着Cu含量的增加,Al-1Mg-0.6Si-xCu合金中强化相β″的密度增加,且在0.5-Cu合金中出现Q′相和L相,晶内析出相密度增加,使得合金在形变过程中消耗的能量增加;晶界析出相间距增加,从而提高合金的韧性及弯曲性能。

Mg元素含量对Al-2Si-0.8Fe合金抗退火软化和导电性能的影响

采用光学显微镜、扫描电镜、布氏硬度计、电子万能材料试验机和涡流导电仪等研究了Mg元素含量对Al-2Si-0.8Fe合金的微观组织、力学性能及导电性能的影响。结果表明:随着Mg元素含量的增加,铸态Al-2Si-0.8Fe合金的硬度和抗拉强度不断提高,而对其导电性能的影响相对较小;当Mg含量增至1.5%时,铸态合金的硬度和抗拉强度达到最大值,分别为77.1 HBW和190 MPa,较Al-2Si-0.8Fe合金的硬度(42.3 HBW)和抗拉强度(123.5 MPa)分别提升了82.3%和53.8%,而导电性能的下降幅度控制在2.9%以内。低温退火处理后,合金的导电率有所提升;当Mg含量超过1%时,退火态合金的硬度显著降低,出现退火软化现象;而在Mg含量低于1%时,退火态合金的抗拉强度和硬度并未明显下降,分别达到201.7 MPa和78 HBW,显示出良好的抗退火软化特性。添加少量的Mg后,合金的组织主要由初生α-Al、共晶Mg_(2)Si相以及长针状β-Al_(5)FeSi相构成,而随着Mg含量的增加,会发生β-Al_(5)FeSi→π-Al_8Mg_(3)FeSi_(6)反应,导致合金中Mg_(2)Si强化相数量减少,无法弥补铸态合金固溶强化对硬度的提升效果,从而产生退火软化现象。

Al-Si镀层22MnB5激光焊的熔池流动特性及元素分布

熔池流动行为对镀层元素在焊缝中的分布起决定性作用.采用建立激光焊熔池三维瞬态数值模型的方法,分析AlSi镀层22MnB5高强度钢激光焊的熔池流动行为及其对焊缝中Al元素分布的影响规律.在焊接试验中,根据能谱仪对焊接接头的扫描数据验证数值模型的可靠性.结合模拟结果与试验结果对激光焊熔池流动行为及焊缝Al元素分布规律进行研究.结果表明,根据激光焊热输入与功率密度阈值的不同,熔池形貌呈现无匙孔、未完全贯穿匙孔和完全贯穿匙孔3种特征,并存有不同的温度场、流场、流速和稳定性.无匙孔熔池由于流速分布均匀,涡流产生较少,稳定性最好.镀层Al元素在焊接接头上下焊趾区域易产生偏聚,较之上表面镀层,下表面镀层进入熔池后Al元素偏聚现象更明显.因此,上部Al元素均质化分布显著优于下部.

SiCp/Al-Si基复合材料界面结构调控及强化机制的研究进展

SiCp/Al-Si基复合材料具有高的比强度、比刚度、比模量,良好的导热、导电、耐磨性及尺寸稳定性等优点,作为结构功能性材料应用于空间工程、电子封装、交通运输和精密仪器等领域。其研究热点主要集中在界面结构调控、强化机制及性能调控等方面。在SiCp/Al-Si复合材料中存在着增强体与基体界面、析出相与基体界面、析出相与增强体界面,这些界面受各种因素影响,会出现多种界面反应和界面产物,界面结构和结合状态复杂而多样。基于此,本文综述了制备工艺、基体合金成分和SiCp表面改性等方面对SiCp/Al-Si基复合材料界面结构的影响及调控,并总结了影响其力学性能的因素及强化机制的研究现状,最后对复合材料未来的发展及研究方向进行了展望。