激光-电弧复合增材制造Al-Cu合金T型结构微观组织演变与熔池流动行为分析

在T型结构增材制造过程中,交叉节点处易出现冶金结合不良及重熔缺陷等问题,制约该结构性能的提升。采用激光-电弧复合增材制造技术制备了Al-Cu合金T型结构,对交叉节点处的组织形貌进行了表征,并通过数值模拟分析了节点处熔池内的温度分布以及流动特征。结果表明,在T型结构节点处能够观察到重熔作用所导致的弧形条纹特征,该区域的模拟形貌与实际结果具有良好的一致性;熔池边界处等温线分布较为密集,内部Marangoni对流导致逆时针涡流的形成,最高流速可达0.16 m/s。依据顶层晶粒形态差异,分为顶层节点重熔区(RZI)和顶层热影响区(HAZ)。其中RZI内主要为细小的树枝晶,平均晶粒尺寸相比于HAZ降低了20.8%,内部析出相主要为与α-Al基体呈非共格界面的大尺寸θ(Al_(2)Cu)相;平均显微硬度可达(98.4±6.4)HV_(0.1),相比于未重熔区最高提升约14.0%。

Cu含量对电弧熔丝增材制造Al-Cu合金高温组织与性能的影响

为研究Cu含量对电弧熔丝增材制造Al-Cu合金堆积体高温组织与性能的影响,对Al-Cu合金堆积进行200℃保温30 min处理,通过金相、SEM、EDS及拉伸试验,分析其显微组织和力学性能。结果表明:高温下随Cu的质量分数由5%增至6.3%,Al-Cu合金堆积体晶粒尺寸无变化,未固溶θ相的数量增多、尺寸增大;晶粒内部平衡θ相的数量先增多后稳定变化;Al-Cu合金堆积体高温力学性能先升后降,Cu的质量分数为5.65%的Al-Cu合金堆积体具有最优的力学性能,抗拉强度为355 MPa,屈服强度为345 MPa,伸长率为6.5%。

超重力分离法净化2011型号废旧Al-Cu合金

基于Al-Cu合金中不同杂质相的熔点差异,借助超重力场可强化过滤分离的特点,以2011型号Al-Cu合金为原料,探究合金中杂质元素Fe、Pb和有益元素Al、Cu的分离规律。研究结果表明:原料经过高温重熔再结晶的过程后,杂质聚集到铝基体晶界间,在高温超重力场中,低熔点杂质可穿过晶界间的孔隙分离除去,当超重力分离时间≥1 min时,Fe、Pb含量不再随时间变化;提高超重力系数和温度均有利于Fe、Pb的去除,但Al、Cu回收率降低。综合考虑Fe、Pb含量和Al、Cu回收率,确定较好的超重力分离工艺参数:超重力系数为600、分离温度为610℃、分离时间为1 min,该工艺参数条件下,Fe、Pb含量分别净化至0.06%和0.08%,Al、Cu回收率分别为95.64%、67.90%,废旧Al-Cu合金中的Al和Cu总占比由97.91%提升至99.72%。

半封闭Al-Cu合金壳体的砂型铸造工艺研究

研究了半封闭Al-Cu合金壳体的砂型铸造工艺。使用Novacast软件模拟了充型和凝固行为,采用钢制模具生产砂型铸型,在差压设备炉中进行熔炼浇注。铸件内部质量符合HB 963-2005标准的Ⅰ类件要求,力学性能满足技术指标要求,铸件尺寸精度可达到CT9级的要求。因此,该砂型铸造工艺可以实现半封闭Al-Cu合金壳体铸件的制造。

Al-Cu合金热裂倾向性评价

本文采用树脂砂型,开展了Al-Cu合金热裂倾向性试验,分析了试样热节处金相组织、热裂纹萌生时的温度和收缩力变化。结果表明,Cu含量小于5wt.%时,随着Cu含量升高,平均晶粒尺寸减小,靠晶界处析出呈连续网状分布的θ相增多,热裂倾向性减小。随Cu含量升高,热裂纹初始萌生温度降低,裂纹萌生时的固相体积分数先升高后降低。提出用热裂纹初次萌生时的温度减去完全凝固时的温度与合金结晶温度区间的比值判定Al-Cu合金热裂倾向性。该值越小,合金的热裂倾向性越小。

Al-Cu合金晶界扩散对NdFeB永磁组织和性能的影响

NdFeB磁体在现阶段社会生产发展的各个领域都有非常充分的应用。尤其是在先进通信技术新能源开发利用领域,这种磁体都发挥着非常重要的作用,为了不断提升这一组织的应用性能,需要针对不同类型的影响因素进行分析。在具体的研究中,Al-Cu合金晶界扩散在实践应用中对NdFeB永磁组织的性能会产生一定程度的影响,不同的温度环境下,矫顽力会出现一定的水平波动。通过扩散后的晶界反应效果观察可知,扩散进入晶界中的Al和Cu元,能够优化晶界的分布状态,提升矫顽力指标。同时,Al-Cu合金出现扩散后,磁体的耐腐蚀性能和抗压强度也会同步提升。

高强Al-Cu合金脉冲MIG焊工艺

研究了单丝单脉冲、单丝复合脉冲和双丝TandemMIG焊对高强Al Cu合金焊缝组织及性能的影响。试验结果表明 ,单丝复合脉冲焊接时 ,峰值电流周期性变化引起的熔池液体强烈的搅拌作用 ,使熔池的温度梯度降低 ,固液界面前沿成分过冷区中的形核核心增加 ,促进了焊缝组织的细化 ,提高了焊缝的强度和塑性。双丝MIG焊高的热输入和快的焊接速度 ,使焊缝产生了粗大的等轴枝晶组织 ,并增加了晶界和枝晶间共晶相的数量 ,使焊缝的强度、硬度和塑性降低。

合金元素对Al-Cu合金热裂倾向的影响

为寻求一种低热裂倾向的高强韧铸造铝合金材料 ,研究了Cu ,Zr和V 3种元素对Al Cu合金热裂倾向的影响。结果表明 ,V明显降低材料的热裂倾向 ;Zr含量低时轻微增大合金的热裂倾向 ,含量高时强烈增大热裂倾向 ;在 4.5 %～ 5 .5 %范围内Cu增大热裂倾向。Zr和V对合金热裂倾向的不同影响在于V主要存在于晶内 。

微量Sc元素对Al-Cu合金组织与性能的影响

采用拉伸力学性能测试、扫描电镜与能谱分析等方法 ,研究了不同量稀土元素Sc对Al 4Cu合金组织与性能的影响。结果表明 :稀土元素Sc能够细化Al 4Cu合金的晶粒组织 ,改善枝晶网胞 ;当Sc含量小于 0 2 %时 ,Al 4Cu合金的抗拉强度σb 和屈服强度σ0 2 提高约 2 0MPa ;当Sc含量为 0 3%～ 0 4 %时 ,抗拉强度σb 和屈服强度σ0 2 有所降低 ;当Sc含量为 0 5 %时 ,抗拉强度σb 和屈服强度σ0 2 又有所升高 ,但低于未添加Sc的Al 4Cu合金 ;Sc对合金的伸长率几乎没有影响。微量Sc元素添加到Al 4Cu合金中 ,当Sc含量小于 0 2 %时 ,基本上以固溶的形式溶入合金基体中 ;当Sc含量为 0 3%～ 0 5 %时 ,除部分固溶于Al基体中外 ,大部分形成起强化作用的Al3Sc相及交互作用AlCuSc相 ,AlCuSc相是Al Cu Sc系合金中的有害相 ,它使合金的力学性能在一定程度上有所降低。

Al-Cu合金中PLC效应时域和空域行为的实验研究

在不同拉伸应变速率下,得到了Al-Cu合金中PLC(Portevin-Le chatelier)效应在时域上的三类“锯齿形”应力-时间曲线,比较并研究了三种曲线的异同及其产生的定性解释.与之相对应,观察并分析了PLC效应空域上三种类型PLC 变形带的空间传播特性.针对3 mm厚的试件,探讨了在不同拉伸应变率下,类型A和B的PLC变形带的传播速率随变形过程的演化;得到了在相同应变下,变形带的传播速率和加载应变速率之间的幂律关系.同时,还将时域上的“锯齿形”应力一时间曲线与空域上的带的传播位置-时间曲线相对应,得到了PLC效应发生时宏观上时域和空域之间的关系.另外,还讨论了试件厚度对PLC变形带的空间相关性的影响.

试样直径对Al-Cu合金定向凝固温度梯度和一次枝晶间距的影响

采用直径为4 mm和7 mm的试样对Al-4%Cu(质量分数,下同)合金进行定向凝固实验。研究表明:小直径试样温度梯度更高,但温度梯度变化幅度并未与试样直径比成线性比例。试样直径较小,胞/枝晶间距相应较小。获得直径为4 mm和7 mm试样一次枝晶间距与生长速率的关系,一次枝晶间距和生长速率、温度梯度的变化关系,且与理论值相符合;一次枝晶间距实验结果与TRIVEDI模型符合较好。

Al-Cu合金亚稳相的价电子结构分析

应用固体电子理论 (EET) ,对Al Cu合金时效析出的若干亚稳相的价电子结构进行计算。结果表明 ,在时效初期 ,θ″相中Cu原子处于第七杂阶 ,比金属Cu的原子杂阶低 ,而最靠近Cu原子的Al原子则处于第五杂阶 ;由θ″相溶解形成相θ′时 ,Al原子处于第四杂阶 ,而Cu原子状态发生较大变化 ,从基体的第九杂阶上升到第十三杂阶 ,使得Cu原子的共价电子数有较大幅度的提高 ,因此形成的θ′亚稳相的最强共价键较θ″亚稳相的要强 1倍 。

时效对Al-Cu合金中锯齿形流动的影响

研究了不同热处理条件下,时效对Al-Cu合金中锯齿形流动的影响,实验发现,随着自然时效时间的延长,PLC(Portevin-Le Chatelier)效应出现的时间推迟,随着时效的进一步强化(自然时效24 h,或在353 K下保温20 min的人工时效),应力-时间曲线上锯齿幅值减小,出现的频率迅速降低,直至消失。同时,还研究了变形和时效相耦合对锯齿形应力流动的影响,针对所得的实验结果,肯定了基于可动位错和障碍之间的相互作用的动态应变时效微观机制假设,并探讨了出现锯齿形应力流动而无PLC变形带产生的现象。

强变形诱导析出相回溶后的Al-Cu合金再时效行为

采用透射电镜观察与分析,探讨含析出相的Al-Cu合金经多向压缩变形诱导析出相回溶后形成的过饱和固溶体的再时效行为。研究结果表明:Al-Cu合金由强塑性变形诱导析出相回溶形成的过饱和固溶体,在变形停止后再时效时显著加速时效析出过程;析出相的析出顺序与加热温度、变形量及变形后的晶粒尺寸有关;若加热温度足够消除强变形产生的高应力,则析出顺序为过渡相→稳定相;若加热温度不能消除变形产生的高应力,且晶粒超细化,则再析出时过渡相被抑制,直接生成稳定相。

Al-Cu合金时效初期的价电子结构

用固体经验电子理论(EET)对Al Cu合金时效初期的析出相的价电子结构进行计算。计算结果表明:合金基体析出的共格GP区、θ″相,具有比基体更强的共价键络,提升了合金的整体键络强度。从价电子结构层次上解释了时效初期的GP区和θ″相对合金强化作用的内在原因。

含钪Al-Cu合金的显微组织

采用硬度测试、金相观察、扫描电镜和透射电镜测试及能谱分析的方法,研究了稀土元素Sc含量对Al4Cu合金组织的影响。结果表明:Sc可显著细化Al Cu合金的网胞组织,减小枝晶间距,细化合金的晶粒组织,提高合金的显微硬度,提高幅度最约70%;将Sc添加到Al4Cu合金中,当w(Sc)≈0.3%时,Sc除部分固溶于基体外,大部分与Al形成Al3Sc相,其与基体的共格或半共格界面促进了θ′(CuAl2)的析出;当w(Sc)>0.3%时,Sc除部分固溶和形成Al3Sc外,还与Al、Cu元素作用形成W(AlCuSc)相,降低Cu在α(Al)中的固溶度,减少Al2Cu(θ′)相的生成,从而降低了合金的性能。

铝基复合材料的Al-Cu合金中间层瞬间液相扩散连接

采用Al-Cu合金作为中间层研究了铝基复合材料(Al_2O_(3P)/6061Al)瞬间液相扩散连接接头的组织与力学性能。研究结果表明,在Al-Cu/Al_2O_(3P)/6061Al接头中无明显的增强相偏聚区和增强相贫化区,且接头成分分布较为均匀;在Al-Cu合金中间层厚度30μm、连接温度600℃、连接时间30min条件下,接头抗剪强度为130-140MPa,较Cu/Al_2O_(3P)/6061Al接头抗剪强度提高45％。因此,采用Al-Cu中间层是改善铝基复合材料接头力学性能的有效途径。

高强Al-Cu合金2219及其熔敷金属的点蚀行为研究

采用循环极化电化学测试、浸泡实验和表面形貌观察,研究了2219铝合金及其2种焊丝的熔敷金属在3.5%NaCl溶液中的点蚀性能.结果表明,2219铝合金抗点蚀性能优于2种焊丝的熔敷金属,这主要与α固溶体中析出的第二相θ(Al2Cu)颗粒的数量和分布形式有关.

Al-Cu合金中θ相的价电子结构分析

运用经验电子理论(EET)对Al-Cu合金薄膜析出相θ(Al2Cu)的价电子结构进行计算.结果表明θ相中的Cu-Cu键最强,其次为Al-Cu键,它们的强度都比金属Cu的最强Cu-Cu键要强.Al-Cu合金薄膜互连线的电迁移寿命与在基体晶粒中析出具有强的共价键络的θ相紧密相关.θ相的析出提高了合金强度,延长了合金电迁移寿命.

Al-Cu合金水平单向凝固组织预测及实验观察

使用有限元耦合元胞自动机模型预测水平单向凝固实验中Al-4.5%Cu(质量分数)合金试样的温度场和微观凝固组织。晶体形核和枝晶生长动力学模型分别采用Rappaz连续形核模型和Kurz-Giovanola-Trivedi(KGT)模型简化形式,基于纯扩散条件,采用KGT模型简化公式计算生长参数。结果显示:数值模拟可以较准确地预测柱状晶向等轴晶转变(CET)位置和等轴晶晶粒尺寸,但因模拟未考虑晶核的运动,激冷等轴晶区的模拟有较大偏差。模拟和实验结果都证明过热度显著影响Al-Cu合金的凝固组织,过热度低于20℃条件下可以获得全等轴晶组织,否则会出现柱状晶;过热度50℃以上的试样CET位置几乎不发生变化。