超高强Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si钛合金的强化行为及模型

基于XRD、OM、SEM和TEM分析,研究超高强Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si钛合金的组织演变及强化行为。结果表明,位错强化和析出强化效应对该合金的屈服强度影响较大。冷轧+再结晶+冷轧+双时效组合工艺可获得1518 MPa的最高屈服强度,这主要归因于显微组织中的高密度残存位错及密集而细小的次生α相。建立复合强化模型,其预测误差在16.6%以内。此外,研究发现次生α相体积分数的增加可以不断强化晶内区域,这使得沿晶断裂开始出现并逐渐占据整个断裂面。

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。

表面喷丸及退火处理对Fe-30Mn-3Al-3Si TWIP钢组织与性能的影响

为实现强韧化,对Fe-30Mn-3Al-3Si TWIP钢进行了表面喷丸及退火热处理。采用金相显微镜、X射线衍射仪和透射电子显微镜等手段分析了喷丸以及喷丸结合退火处理对TWIP钢显微组织结构的影响,并利用显微维氏硬度计和万能材料试验机对原始样品、喷丸以及喷丸结合退火处理样品的硬度分布、力学性能及加工硬化行为进行了研究。分析结果表明,喷丸可在TWIP钢表面引起强烈的塑性变形,并形成包含60~100 nm大小的位错胞块的强烈形变层和包含微纳尺度形变孪晶结构的过渡层。该纳米-微米尺度的晶粒尺寸梯度结构可以将TWIP钢表面强烈形变层的硬度显著提升至366 HV0.1,并在残余压应力联合作用下使试样的屈服强度提升至485 MPa,均远高于初始样品的对应值。但受喷丸引起的表面粗糙和强烈形变层纳米晶塑性低的影响,其断后延伸率仅为41.8%。退火处理后,喷丸样品中的形变组织发生回复与再结晶,其中强烈形变层位置的再结晶晶粒尺寸为1~3μm,硬度也降低至215 HV0.1。所形成的微米-微米尺度晶粒尺寸梯度结构试样的屈服强度降低至261 MPa,但延伸率增加至65.3%。晶粒尺寸梯度结构有助于增加TWIP钢屈服与抗拉强度,但不利于延伸率的提升。

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。

Sb对Al-20Si合金组织和性能的影响

研究了添加不同含量的微量元素Sb后,Al-20Si合金微观组织和力学性能的变化。通过金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、能谱(EDS)、X射线衍射仪(XRD)表征了该合金的微观结构,分析其拉伸行为和断裂机制。结果表明,随着Sb元素的添加,对Al-20Si合金中初晶硅产生变质效果,使初晶硅形貌和尺寸产生明显变化,AlSb作为异质核心,使初晶硅数量增加,拉伸性能得到明显改善。当Sb添加量达到0.8%时,初晶硅尺寸达到最小,同时合金具有较好的综合力学性能,其抗拉强度、伸长率分别从未变质的93.2 MPa和0.77%提高到154.1 MPa和1.97%,分别提高了65.34%和155.84%。

Fe、Ni元素微合金化对Al-11Si铝合金微观组织及力学性能的影响

本研究利用扫描电子显微镜(SEM)、能量散射X射线光谱(EDS)和拉伸试验机,研究了Ni(1.2及1.6wt.%)和Fe(0.6及0.8wt.%)含量对Al-11Si铝合金的微观组织及不同温度下的力学性能的影响。实验结果表明,适量的Ni元素对于Al-11Si合金中富含Fe相的类型、形态和分布具有积极作用。在Al-11Si铝合金中添加1.2wt.%Ni和0.6wt.%Fe可以生成一种类似“汉字状”的富Fe强化相。当进一步增加到1.6wt.%Ni和0.8wt.%Fe后,富Fe相变为了长针状,对Al基体产生严重的割裂作用,降低了合金力学性能。由于含有1.2wt.%Ni和0.6wt.%Fe的Al-11Si铝合金中生成了“汉字状”富Fe强化相,合金的高温拉伸性能得到了显著改善。在350℃的测试温度下,Al-11Si铝合金的抗拉强度(UTS)达到了139 MPa。

V合金化对Al-9Si合金凝固组织与力学性能的影响

研究了V合金化对Al-9Si合金凝固过程、微观组织和力学性能的影响。结果表明,在Al-9Si合金中添加V,析出化合物Si_(2)V,而无AlV化合物析出,V对初生α-Al的析出温度无明显影响。随着V量增加,Al-9Si合金的初生α-Al的形核温度和形核过冷度同步增加,0.4%V(质量分数)使形核温度由未添加V的607.5℃上升至612.6℃,过冷度由24℃增加至27.1℃;继续增加V量,形核温度略有升高,但形核过冷度略有减小。V添加使Al-9Si合金初生α-Al晶粒形态由枝晶向等轴晶转变,Al-9Si-0.4V合金的α-Al晶粒尺寸由Al-9Si的593μm细化至302μm。V对共晶Si无变质作用,但V能使针状β-Al_(5)FeSi转变为鱼骨状的Al_(12)(Fe,V)_(3)Si相。0.6%Sb(质量分数)变质Al-9Si-0.4V合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率为153.9 MPa、78.5 MPa和6.56%,较Al-9Si合金分别提高23.8%、14.1%和102.4%;硬度由47.3 HV提高至59.1 HV。Al-9Si合金的拉伸断口由撕裂棱和解理台阶组成,而Al-9Si-0.4V-0.6Sb合金断口中的解理台阶显著减少,撕裂棱变得更加致密,出现了以共晶Si为中心的韧窝,呈混合断裂特征。

离心铸造Al-60Si合金的数值模拟与实验研究

高硅铝合金由于具有较低的热膨胀系数、低密度、导热性能好等良好的物理化学性能,已成为最具有潜力的金属基电子封装材料。然而,高硅铝合金常规制备方法,如粉末冶金等,制备出的合金存在致密度低、合金内部容易产生气孔、组织粗大等问题,且成本较高。本文以Al-60Si超高硅铝合金作为研究对象,采用ProCast数值模拟的方法,计算了不同浇注温度、离心转速等工艺条件下,合金凝固过程中温度场和流场等分布规律,确定最优工艺参数为离心转速800 r/min,浇注温度1200℃,浇注速度16.5 mm/s;并制备了高性能的细晶Al-60Si合金环形铸件,发现铸环外层、中层和内层分布不同尺寸的初生硅相,外层部分大多数是块状初生硅相;中层及内层部分是粗大的板条状初生硅相;通过表征热膨胀系数发现,离心后的Al-60Si热膨胀系数整体小,其中铸环外层区域热膨胀系数最小,性能较好。

激光熔化沉积Al-12Si合金成形工艺研究

为了满足结构件的一体式、轻量级以及专属定制的要求,笔者对激光熔化沉积(laser metal deposition,LMD)成形Al-12Si合金激光工艺参数进行了摸索,优化激光成形参数;在此基础之上,开展激光熔化沉积成形实验,通过金相分析、扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)等表征手段对激光熔化沉积制备Al-12Si合金显微组织进行表征。结果表明:在激光功率700~800 W、激光扫描速度为300~360 mm/min的工艺参数下能够获得高度致密的Al-12Si合金。激光熔化沉积Al-12Si合金成形工艺的研究旨在克服传统制造方式的局限性,通过科学的方法优化工艺参数并改善成形质量,最终获得高质量且性能优异的Al-12Si合金部件。

SiC_(p)含量对SiC_(p)/Al-1.2Mg-0.6Si铝基复合材料组织和性能影响

采用粉末冶金法制备SiC_(p)/Al-1.2Mg-0.6Si铝基复合材料,分析了该复合材料的均匀性和界面结合情况,探讨了几种体积分数该复合材料的显微组织和性能变化。结果表明,SiC颗粒和基体之间的界面清晰平滑,界面结合良好,但随着热压温度的增加,SiC与基体间的微观缩孔和析出相逐渐增多。随着SiC颗粒含量的增加,材料的弹性模量、热导率显著提高,弯曲强度先升高后下降,而热膨胀系数逐渐降低。

Ca-Mg-Al-Si系高性能泡沫陶瓷的制备

通过对钢渣和菱镁矿配方组成的优化,采用高温发泡法制备的兼具高强度和低热导率的Ca-Mg-Al-Si系高性能泡沫陶瓷,其主要原料为红柱石与粉砂质页岩,发泡剂为碳化硅,助熔剂为锂辉石。在测试其气孔率,体积密度与抗折强度等性能的同时,也使用Micro-CT、SEM、XRD、XRF等检测手段对泡沫陶瓷进行了表征。实验结果显示:当样品中加入11 wt%钢渣,7 wt%菱镁矿时综合性能最佳,此时抗折强度为11.15 MPa,热导率为0.091W/(m·K),总气孔率为61.02%,闭口气孔率为55.30%,体积密度为0.944 g/cm^(3)。

Al-Zn-Mn-Si-Mg系压铸铝合金阳极氧化工艺

在传统铝合金阳极氧化电解工艺基础上,添加草酸、酒石酸和柠檬酸等形成硫酸-有机酸混合体系氧化处理液,对Al-Zn-Mn-Si-Mg系压铸铝合金进行阳极氧化处理,探索阳极氧化工艺参数和有机酸种类对氧化膜微观形貌、耐腐蚀和耐磨性能的影响.研究结果表明:在硫酸质量分数为10%、氧化电压为18V、氧化时间为60 min、氧化温度为20℃的条件下,与纯硫酸体系相比,混合酸体系能显著增加Al-Zn-Mn-Si-Mg系压铸铝合金阳极氧化膜厚度,提高氧化膜的耐腐蚀性能和耐磨性能;其中10%硫酸-15%柠檬酸混合体系(百分数均为质量分数,下同)下的氧化膜耐腐蚀性能较强,10%硫酸-10%酒石酸体系下的氧化膜耐磨性能较优.

微量Fe、Ni和Ti复合对Al-20Si合金微观组织及其性能的影响

Fe、Ni和Ti元素以AlFeNiTi中间合金的形式添加,AlFeNiTi中间合金(原子比1∶1∶1∶1)通过真空电弧熔炼炉进行熔配,研究中间合金添加量(0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%,质量分数)对Al-20Si合金中Si相、α-Al和力学性能的影响.结果表明:当Al-20Si合金中添加2.0%AlFeNiTi中间合金时,初生Si的形貌由粗大不规则块状和五瓣星状变质为细小规则的块状,其平均尺寸从未变质时的91μm减小到40μm,减小56.1%;共晶Si形貌从粗大的针片状变质为边缘钝化的细小粒状,而且α-Al的二次枝晶显著减小,形貌由粗大树枝晶细化为蔷薇状组织.合金的抗拉强度由129 MPa(未变质合金)增加到182 MPa(2.0%AlFeNiTi变质),增加了41.1%,延伸率由0.8%提高到1.43%,提高了78.7%.

Al_(2.5)Cu_(0.5)Ti中间合金对Al-7Si合金微观组织和力学性能的影响

通过真空电弧熔炼炉制备Al_(2.5)Cu_(0.5)Ti中间合金,利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、电子探针显微分析仪(EPMA)、X射线衍射仪(XRD)、差热分析仪(DSC)和万能材料试验机,研究不同添加量(0.3%,0.5%,0.7%,0.9%和1.3%,质量分数,下同)Al_(2.5)Cu_(0.5)Ti中间合金对Al-7Si合金微观组织和性能的影响。结果表明:随着Al_(2.5)Cu_(0.5)Ti合金添加量的增加,Al-7Si合金中初生α-Al和共晶Si组织被显著细化。与未添加Al_(2.5)Cu_(0.5)Ti中间合金相比,当Al-7Si合金中添加0.9%Al_(2.5)Cu_(0.5)Ti中间合金后,初生α-Al晶粒尺寸从218μm减小到80μm,二次枝晶间距从25μm减小到9.3μm;共晶Si组织由粗大的针片状细化为短片状和短棒状,平均长度和宽度分别从34.8μm和4μm减小到11.6μm和1.7μm;合金的抗拉强度和伸长率分别达到184 MPa和9.3%,与未变质合金的力学性能(162 MPa和3%)相比分别提高了13.6%和210%,断裂模式由韧脆混合断裂模式转变为韧性断裂。然而,当Al_(2.5)Cu_(0.5)Ti合金的添加量增加到1.3%时,发生过变质现象,导致Al-7Si合金组织粗化,力学性能下降。

Ce含量和T6热处理对Al-0.3Fe-0.1Si合金组织与性能的影响

研究了稀土元素Ce和T6热处理工艺对Al-0.3Fe-0.1Si合金组织和性能的影响。结果表明,添加适量的稀土Ce和T6热处理均可抑制晶粒长大,并有效细化Al-0.3Fe-0.1Si合金的晶粒尺寸。当稀土Ce的加入量为0.2%时,铸态合金的抗拉强度为81.7 MPa,比加入量为0.1%时提高了10.7%。稀土Ce的加入量为0.3%时,T6态合金的电导率为58.13%IACS,比铸态合金提高了2.3%。热处理前后的Al-0.3Fe-0.1Si-0.1Ce合金与Al-0.3Fe-0.1Si-0.3Ce合金的电导率接近。当稀土Ce的加入量为0.1%~0.2%时Al-0.3Fe-0.1Si合金获得较好的综合性能。本研究的结果可为导电Al-0.3Fe-0.1Si合金制备提供理论和试验参考。

激光表面重熔Al-17Si合金组织与耐磨性研究

对Al-17Si合金进行激光表面重熔处理,研究激光功率和扫描速度对合金组织变化和摩擦磨损性能的影响。研究结果表明,Al-17Si表面重熔层厚度随激光输出功率增大而增大,随扫描速度增大而减小;初晶Si尺寸随激光输出功率增大明显减小,随扫描速度增大略有增大;摩擦磨损系数和磨损量随激光输出功率增大而减小,随扫描速度增大而增大。当前实验条件下,激光表面重熔Al-17Si合金最佳工艺参数为输出功率250 W、扫描速度600 mm/min。

Zr含量对汽车车身用Al-0.36Mg-1.23Si合金板材组织及性能的影响

借助OM,TEM观察,拉伸和杯突试验研究w(Zr)≤0.29%对T4P态Al-0.36Mg-1.23Si合金板材显微组织、成形性和烤漆硬化性的影响.结果表明,当w(Zr)≤0.15%时,Zr以40~50 nm的(AlSi)3(Zr_(x)Ti_(1-x))弥散相粒子存在于铝基体中,粒子数量随Zr含量增加而增多,Zr质量分数超过0.22%,板材中出现3~23μm的(AlSi)3(Zr_(x)Ti_(1-x))初生相.添加0.15%Zr使板材的再结晶晶粒从无Zr板材的55μm细化至20μm,Zr含量继续增加,晶粒无明显变化.Zr含量增加,T4P态板材的强度略有增大,延伸率先保持不变后逐渐减小,n_(10-20),r_(10)和I_(E)值基本不变.含Zr合金板材经模拟烤漆后的屈服强度增量均超过86 MPa,但Zr含量增加对合金板材的烤漆硬化性无明显影响.

均匀化处理对Al-5.6Mg2Si合金耐静态腐蚀性能的影响

采用X射线衍射、扫描电镜等测试手段研究了均匀化处理对Al-5.6Mg_(2)Si合金耐静态腐蚀性能的影响。结果表明:均匀化处理提高了Al-5.6Mg_(2)Si合金凝固组织的均匀化程度,降低了易于发生原电池现象的点敏感度,使该合金在3.5%NaCl溶液中的耐腐蚀性能提高。对比未经均匀化处理的Al-5.6Mg_(2)Si合金,其平均晶粒尺寸由42.5μm变成16.4μm,约为未均匀化处理的38.6%;Mg_(2)Si相体积份数由61.72%降低到57.20%,为未均匀化处理的92.7%,其平均腐蚀速率由0.38180g/m^(2)·h减小到0.00807g/m^(2)·h,约为未均匀化处理时的2.11%。

硅相钝细化处理与热挤压对Al-25Si合金组织的影响

对Al-25Si合金进行硅相钝细化处理和热挤压的复合处理,研究工艺参数对Al-25Si合金组织形态的影响。结果表明:对铸态Al-25Si合金进行硅相钝细化处理,能够使合金中的硅相尖角钝化,保温温度越高、保温时间越长,硅相尖角钝化效果越明显;但保温温度过高、时间过长,硅相的粗化明显,尖角钝化效果变弱,反而不能改善硅相的形态。热挤压可以明显使共晶硅均匀分布在合金中,但是对初生硅的尺寸、形状几乎没影响;保温时间和温度对挤压态Al-25Si合金中的硅相有很大的影响,当温度达到合金的液相线时,合金的组织形态变化明显。随着保温温度和时间增加,硅相的尺寸增加,球化效果变好。但温度过高、时间过长会发生过烧氧化的现象。

Sc含量对含Zr的Al-0.36Mg-1.23Si合金板材组织和性能的影响

利用OM、TEM,拉伸试验机和杯突试验机研究了添加质量分数(下同)0.15%的Zr及同时添加不超过0.09%Sc的T4P态Al-0.36Mg-1.23Si合金板材显微组织、成形性和烤漆硬化性。结果表明:Al-0.36Mg-1.23Si、Al-0.36Mg-1.23Si-0.15Zr、Al-0.36Mg-1.23Si-0.15Zr-(0.03~0.09)Sc合金板材基体中弥散相粒子分别为(Al, Si)_(3)Ti相、(Al, Si)_(3)(Zr, Ti)相以及(Al, Si)_(3)(Zr, Sc, Ti)相。添加0.15%Zr将T4P态Al-0.36Mg-1.23Si合金板材的等轴状再结晶晶粒尺寸由53μm细化至23μm,再添加0.03%~0.09%Sc后,板材的再结晶晶粒略微细化至20μm左右。Sc含量增加,T4P态Al-0.36Mg-1.23Si-0.15Zr合金板材的屈服强度和抗拉强度均略有降低,断裂伸长率、n_(10~20)值、r_(10)值和杯突值I_(E)均无明显变化,板材再经2%的预拉伸和170℃30 min模拟烤漆处理后的烤漆硬化性逐渐降低。