搅拌摩擦加工对过共晶Al-Si-Fe合金组织及性能的影响

对过共晶Al-Si-Fe合金进行了搅拌摩擦加工(FSP),研究了不同FSP转速和道次对过共晶铝硅合金强度和组织的影响。其中,选择搅拌转速分别为750r/min、1050r/min和1500r/min,搅拌道次分别为1道、2道、3道。结果表明,合金经过FSP加工后,硅、含铁相等硬质第二相颗粒强烈细化,但随着搅拌转速的提高,硬质相颗粒细化效果变差,第二相颗粒平均粒径由11.7μm变为15.5μm。随着搅拌道次的增加,细化效果越发显著,第二相颗粒的平均粒径由11.7μm变为8.9μm。FSP加工后材料抗拉强度和延伸率较铸态大幅度提高。当搅拌转速为750r/min、道次为3时,材料的拉伸强度和延伸率分别由铸态的48MPa、0.43%提高到150MPa、2.97%。因此,经FSP后过共晶铝硅合金组织和力学性能得到极大改善。

过共晶铝硅合金中硅相细化的研究进展

过共晶铝硅合金因其耐磨性能良好而受到关注,但组织中含有粗大的初晶硅和针状的共晶硅,限制了其进一步广泛使用。本文综述了当前过共晶铝硅合金中硅相细化的一些方法,如合金化、变质处理和改进制备工艺等。其中重点介绍了合金化对过共晶铝硅合金中组织的作用;然后对各种变质剂的细化效果进行了对比分析;并讨论了改进制备工艺对硅相尺寸和形貌的影响;最后指出未来的研究方向应集中开发出适用于广泛使用的新型复合变质剂,并通过变质和改进制备工艺相结合,获得性能更加优异的过共晶铝硅合金。

铸态下Sn-Bi二元共晶焊料合金的组织特征及其力学性能

研究了四种不同Bi含量(45%、50%、55%、60%)的Sn-Bi二元共晶合金自由凝固下的组织特征和力学性能,探讨了Sn-Bi二元共晶合金的晶体生长机制以及Bi元素含量对合金显微组织的影响。结果表明:Sn-Bi二元亚共晶合金铸态下的金相组织为初生Sn固溶体相和Sn/Bi共晶层片集群构成,随着Bi含量的增加,呈树枝晶形态生长的初生Sn相数量减少,形态长大。初生Sn固溶体相内部脱溶析出大量的杆状或点状Bi相,形成杆状共晶结构;Sn-Bi二元过共晶合金铸态下的金相组织为初生Bi相和Sn/Bi共晶层片集群构成,初生Bi相中基本不固溶Sn元素,呈小平面方式生长,并在在初生Bi相周围包裹生长一层Sn晕圈相。在室温下,Sn-Bi二元共晶合金的硬度和强度随着Bi含量的增加而上升,延伸率随着Bi含量的增加先上升后下降。

深冷处理时间对快凝过共晶Al-Si-Fe合金组织与性能的影响

在固溶时效的基础上研究了深冷处理时间对过共晶Al-Si-Fe合金组织与性能的影响。结果表明,随着深冷时间的延长,组织变化不大,合金的力学性能得到了很大的提高;最佳的处理工艺为固溶处理(520℃×3 h)+深冷处理(-196℃×48 h)+时效处理(120℃×10 h)。

Al-Cr-Nb-Ti-Zr共晶难熔高熵合金高温摩擦磨损性能研究

通过非自耗真空电弧熔炼制备了Al_(15+x)Cr_(20)Nb_(15)Ti_(40-x)Zr_(10)(x=0、13)共晶难熔高熵合金,并探究了Al和Ti元素含量变化对Al_(15+x)Cr_(20)Nb_(15)Ti_(40-x)Zr_(10)共晶难熔高熵合金相结构、微观组织、显微硬度与高温摩擦性能的影响规律.结果表明:2种合金相结构相同,均由富含Nb和Ti的B2相与富含Cr和Zr的C14 Laves相组成;但随着Al含量的增大,合金铸态组织发生了从亚共晶(初生B2相+B2/Laves相共晶相,x=0)到共晶(B2/Laves相共晶相,x=13)的转变,同时伴随着合金显微硬度的提高,并且在宽温域下的摩擦性能有所改善.随着摩擦试验温度的升高,2种合金的磨损机制均从磨粒磨损逐渐转变为以氧化磨损为主,且磨损率均呈现出逐渐降低的趋势.不同温度下摩擦试验发现完全共晶合金Al28Cr20Nb15Ti27Zr10表现出更好的耐磨性,这是由于完全共晶合金更高的硬度以及在高温下的氧化摩擦层含有更大比例的Al2O3,从而摩擦层更为致密.

共晶高熵合金C_(x)CoCr_(3)Fe_(5)Ni强度-韧性协同效应

通过真空感应熔炼制备C_(x)CoCr_(3)Fe_(5)Ni(x=0,0.1,0.2和0.3,摩尔分数)高熵合金(HEAs),研究碳含量对微观结构和力学性能的影响。随着碳含量的增加,合金相结构由FCC+BCC双相结构转变为M_(23)C_(6)碳化物和FCC相的共晶结构。与CoCr_(3)Fe_(5)Ni基体合金(屈服强度307.5 MPa、极限抗拉强度646.5MPa以及伸长率55.4%)相比,C_(0.2)CoCr_(3)Fe_(5)Ni共晶HEA的屈服强度(378.9MPa)、极限抗拉强度(837.1MPa)和伸长率(56.1%)均显著提高。该合金力学性能的提高主要归因于碳合金化所引起的间隙固溶强化和特殊的共晶结构带来的第二相强化。

共晶高熵合金研究进展

共晶高熵合金是凝固过程中发生共晶转变的多组元合金,具有优异的液态充型能力和机械性能,适用于生产形状复杂、对力学性能要求较高且不能进行热机械处理的零件。共晶高熵合金具有4种及以上元素,且相组成和组织形貌对合金成分变化不敏感,因此具有很大的性能调控空间及工艺窗口。通过调控共晶高熵合金的相组成及组织形貌可使其叠加各种优异性能。本文从设计方法、制备工艺、组织结构、力学及理化性能等方面综述了共晶高熵合金的研究现状,并对共晶高熵合金未来的发展进行展望。

增材制造VNbTiSi轻质难熔共晶高熵合金的组织及力学性能

高熵合金与增材制造技术的结合,为极端服役环境下结构复杂部件的一体化制造提供了新的思路。采用激光熔化沉积(LMD)技术成功制备了VNbTiSi轻质难熔共晶高熵合金,通过显微组织分析筛选出最佳激光功率参数,并对试样进行了室温及高温压缩性能测试。结果表明:VNbTiSi轻质难熔共晶高熵合金表现出了优异的打印性能,最佳工艺参数下制备得到的样品在宏观和微观上均没有出现裂纹。在合金底面及沿构建方向,熔池内部与熔池边界(搭接处)均呈现出不同的形貌,熔池内部由柱状的全共晶组织构成,共晶胞为熔池边界出现较为粗大的(Nb, X)5Si3初生硅化物相。相比铸态组织,激光熔化沉积使得共晶组织的片层间距显著细化。增材制造合金不仅在1000℃下压缩强度可达640 MPa,在1100℃时依然能够保持高于500 MPa的压缩强度,高温压缩性能显著优于铸态VNbTiSi合金。

烧结温度和保温时间对黏结剂喷射增材制造AlCoCrFeNi_(2.1)共晶高熵合金显微组织和性能的影响

AlCoCrFeNi_(2.1)共晶高熵合金具有断裂强度高、抗疲劳强度高等优点。本研究使用黏结剂喷射增材制造技术(Binder jetting additive manufacturing,BJAM)制备该合金,通过调节烧结温度(1290℃~1350℃)和保温时间(1~5 h)探究烧结工艺对该合金的显微组织及拉伸性能的影响。结果表明:烧结温度和保温时间通过影响孔隙率及晶粒大小直接影响高熵合金烧结件的性能;孔隙率的下降与晶粒长大同时发生,两因素耦合影响烧结件的力学性能。1350℃保温3 h样品的伸长率达7.09%、致密度达92.5%,1350℃保温1 h样品的屈服强度和断裂强度分别达到600.19 MPa和1021.32 MPa。

熔体净化和急冷协同对含镧过共晶铝硅合金组织凝固及力学性能的影响

采用光学显微镜、扫描电镜和差示扫描量热仪等研究了熔体净化和急冷协同作用对Al-(16-24)Si-0.1La合金凝固组织和力学性能的影响。结果表明,与熔体急冷相比,熔体净化和急冷协同作用可完全抑制硅含量不超过20wt%的过共晶Al-Si-0.1La合金中初生硅的析出,明显细化Al-(16-24)Si-0.1La合金中的共晶组织,提高共晶组织的显微硬度。因此,熔体净化与急冷协同处理是改善过共晶铝硅合金凝固组织和力学性能的有效方法。

无Co型共晶中熵合金Cr_(2)FeNiNb_(X)和CrFe_(1.5)Ni_(1.5)Nb_(Y)的成分设计及其力学性能

为开发低成本、高性能共晶中熵合金材料,本研究基于元素半径、混合焓及简单共晶混合法,设计出无Co型共晶中熵合金Cr_(2)FeNiNb_(X)(X=0.4、0.59、0.8)和CrFe_(1.5)Ni_(1.5)Nb_(Y)(Y=0.4、0.5、0.61),采用真空非自耗电弧熔炼技术制备合金铸锭,通过XRD、EDS及SEM分析合金的显微组织,借助维氏硬度计、万能电子力学试验机测试合金的力学性能,最终探讨合金的组织转变机制及强韧化机理.研究结果表明,随着Nb含量增多,两个合金体系的显微组织均出现亚共晶→共晶→过共晶转变,其中Cr_(2)FeNiNb_(X)(X=0.4、0.59、0.8)的初生相由BCC固溶体向Laves相转变,而CrFe_(1.5)Ni_(1.5)Nb_(Y)(Y=0.4、0.5、0.61)的初生相由FCC固溶体向Laves相转变.Cr_(2)FeNiNb_(X)(X=0.4、0.59、0.8)的维氏硬度、断裂强度及断裂应变为726~822 HV、2 638~2 835 MPa和7.98%~9.22%,而CrFe_(1.5)Ni_(1.5)Nb_(Y)(Y=0.4、0.5、0.61)的维氏硬度、断裂强度及断裂应变为359~460 HV、1 880~2 115 MPa和20.48%~25.65%.其中,CrFe_(1.5)Ni_(1.5)Nb_(0.4)具有良好的强韧性配合,其断裂强度高达2 110 MPa,同时断裂应变维持在24.25%,合金优异的强韧性源于Laves相强化、界面强化、固溶强化、第二相增韧、合金化增韧等多种强韧化协同机制.

NbC纤维增强共晶镍基合金的超高梯度定向凝固组织研究

采用液态金属冷却定向凝固工艺制备NbC纤维增强高温共晶镍基合金。利用SEM、XRD、EDS和EPMA等测试方法,对NbC纤维增强高温共晶镍基合金不同区域的显微组织及形成机理进行分析,随后分别改变抽拉速率(2、7、12μm/s)和熔体温度(1 550、1 580、1 600℃),研究工艺参数对合金组织的影响。根据组织类型及形态不同,可将定向凝固高温共晶镍基合金分为启动区与复合区两个区域,启动区以大块状的富Nb和富W碳化物为主,而位于启动区之上的复合区主要分布定向排列的NbC纤维。定向凝固过程中NbC纤维的生长可划分为3个阶段,即启动阶段、多取向竞争阶段和稳定阶段。随抽拉速率增大,纤维体积分数增大,纤维中C、Nb和W质量分数降低,且Nb含量下降更显著。随熔体温度升高,纤维体积分数、横截面积以及间距皆增大,纤维中C、Nb和W质量分数升高,且W含量上升更显著。

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。

增材制造AlCoCrFeNi_(2.1)共晶高熵合金研究进展

AlCoCrFeNi_(2.1)共晶高熵合金具备细小、均匀、规则的片层结构,在较宽的温度(70~1000 K)和成分偏差范围内均具备良好的组织结构和强塑性兼备的力学性能,因而成为目前研究最为广泛的共晶高熵合金。本文针对增材制造AlCoCrFeNi_(2.1)共晶高熵合金,综述了不同工艺和工艺参数对该合金的微观组织和力学性能的影响,重点阐述了选区激光熔化技术制备AlCoCrFeNi_(2.1)共晶高熵合金的相分布、微观组织和强化机制。最后,指出当前增材制造AlCoCrFeNi_(2.1)共晶高熵合金相形成机理及组织演化过程中存在的分歧和不足,并提出以AlCoCrFeNi_(2.1)共晶高熵合金为基体的材料改性、增材制造高熵合金新工艺研究开发等发展方向,为推动该合金的工业化应用提供思路。

Sn和Ni对过冷Ag-28.1Cu共晶合金凝固组织的影响

为了揭示在共晶相中具有不同固溶度的Sn和Ni元素对过冷共晶凝固组织的影响和作用机理,使用熔融玻璃净化和循环过热相结合的方法制备了过冷Ag-28.1Cu-xM(x=0%0.5%、1%,质量分数;M=Sn,Ni)共晶合金试样,分析了第3组元Sn和Ni对过冷Ag-Cu共晶合金凝固组织的影响。结果表明添加Sn元素不会改变宏观组织的分区特征,微观组织中出现反常共晶增多和粗化的现象,并具有随机的取向分布。凝固过程中Sn会形成垂直于固-液界面的浓度梯度,造成胞状界面失稳形成树枝状,但仍能够维持耦合共晶生长。而添加Ni元素会使宏观组织的分区特征消失,微观组织中则出现了单相枝晶,且表现出单一取向分布,原因是第3组元Ni平行于固-液界面扩散,使共晶合金生长方式从耦合生长转变为离异生长。

退火温度对Al-Co-Fe-Ni共晶高熵合金组织性能的影响

良好的延展性是合金成形能力的重要影响因素,尽管共晶高熵合金具有良好的铸造性能,但有限的延展性限制了其实际应用。本文采用热轧和退火工艺来克服共晶高熵合金这一问题,探究热轧后不同退火温度对Al21.5Co19.5Fe9.5Ni50共晶高熵合金微观组织和力学性能的影响。结果表明,当退火温度为700℃时,合金的断裂强度和断裂伸长率达到最优,分别为1211 MPa和14%。其优异强塑性匹配来自于热轧-700样品在拉伸变形过程中,FCC相内出现大量位错并在相界面处堆积,B2相由于相界面处的高局部应力导致应力诱发马氏体相变转变L10孪晶马氏体,合金产生了TRIP效应,使其达到最优的强塑性匹配。

热机械处理Al-Co-Fe-Ni共晶高熵合金组织性能研究

共晶高熵合金具有优异的强塑性匹配,同时还兼具传统共晶合金良好的铸造性能,对高熵合金的实际化应用有着重大的意义。而如何进一步提升共晶高熵合金的强塑性能,成为了高熵合金领域的研究热点。本文以Al-(21)Co_(19.5)Fe_(9.5)Ni_(50)共晶高熵合金为研究对象,探究了热机械处理对合金微观组织和拉伸力学性能的影响规律。并结合合金微观组织和相结构对合金应变硬化能力的影响,阐明了热机械处理条件下合金的变形机制及其对合金力学性能的影响。结果表明,经过热机械处理后合金由共晶层片组织转变为近完全等轴晶组织,且FCC相中析出L1_(2)相。热机械处理后合金在拉伸变形过程中,随着应变量的增加FCC相内位错密度增加,B2相发生应力诱发马氏体相变而形成具有相互交错孪晶结构的L1_(0)相,最终在FCC相与B2相双重强化机制下,表现出更高的屈服强度(551 MPa)和断裂伸长率(10.2%),加工硬化率曲线出现显著变化。

亚共晶合金晶粒尺寸与相图变量相关双参数模型的检验

提出用于描述晶粒尺寸与工艺条件和相图变量相关联的简单双参数数学模型,然而,这些模型还没有通过良好的实验数据进行充分检验。采用精选的亚共晶合金实验数据检验这些模型,并提出实验数据的选择标准。采用这些双参数模型拟合被选择的实验数据,检查曲线的拟合质量和适用性,从而确定与实验数据吻合更好的数学模型。基于数据分析,探讨溶质元素细化晶粒尺寸的机理。结果表明,晶粒尺寸与合金凝固间隔之间存在明确的依赖关系,这种关系可采用P变量加以描述。晶粒尺寸对凝固间隔的这种明显依赖表明,在充型和凝固过程存在对流的铸锭和铸件中,与枝晶破碎有关的机理是控制溶质元素细化晶粒的主要运行机制。

扫描策略对SLM AlCoCrFeNi_(2.1)共晶高熵合金开裂敏感性的影响

采用有限元仿真和试验相结合的方法从宏观分析了不同扫描路径对选区激光熔化成形AlCoCrFeNi_(2.1)共晶高熵合金试样开裂敏感性的影响。研究发现,棋盘格扫描路径具有更小的动态应力值和残余应力,其残余应变导致试样呈现“内缩外拱”趋势,而长直线扫描路径产生的残余变形导致试样上拱趋势更加明显,但上表面更加平整。另外,试验发现低能量密度下由于欠熔合引起的不规则缺陷造成的应力集中远大于由于过熔合引起的球形缺陷造成的应力集中,试样开裂敏感性随着输入能量密度的升高而逐渐降低。长直线扫描路径成形试样的裂纹自试样底部中间向上扩展并向上翘起,而棋盘格扫描路径打印的试样则自试样的对角开裂并向上翘起,与仿真结论保持一致。本文研究结果可为深入理解选区激光熔化技术成形AlCoCrFeNi_(2.1)共晶高熵合金的宏观开裂机制和推动该合金的工程化应用提供参考。

Sr及热处理对Al-Si-Mg合金共晶硅形貌与材料性能的影响研究

研究了Sr变质及不同热处理状态对Al-Si-Mg系合金组织构成、共晶硅形貌、力学性能及断裂模式等方面的影响,提出通过调控共晶硅形貌及减少Al(Fe,Mn)Si等硬脆相数量及尺寸,改善Al-Si-Mg系铸造合金塑性的途径。结果表明,添加Sr后,相互交叉呈“直片状”的共晶硅变质为“细小羽毛状”形态,合金断后伸长率提升137%,强度提升不明显;热处理可通过对共晶硅的熔断与球化,实现铝合金断裂模式与力学性能的改变,人工时效处理可提升合金屈服强度73%,固溶处理可提升合金断后伸长率97%,淬火温度对2#铝合金T6处理的力学性能影响较大,淬火温度为530℃时,经200℃人工时效处理后,铝合金抗拉和屈服强度分别较铸态提高14%和100%,断后伸长率与铸态持平,显示出较为优良的综合力学性能。