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。

不同固溶处理对亚共晶Al-Si合金组织和性能的影响

铸态的亚共晶Al-Si合金中,粗大的α-Al晶粒和针片状共晶Si是造成其性能降低的主要原因。通过对Al-Ti-La和Nd细化变质后的Al-7Si合金进行了不同条件的固溶处理,研究了不同固溶温度和时间对其微观组织及性能的影响。结果表明:铸态Al-7Si合金随着固溶温度的升高,二次枝晶臂间距(SDAS)逐渐增大,共晶Si尺寸逐渐减小,并且共晶Si由长条状和纤维状向短棒状转变。随着固溶时间的延长,共晶Si的演变过程为:长条状→短棒状→粒状→粗化长大。当固溶温度为535℃、固溶时间为3 h时,合金的显微硬度为62.5 HV,相比于铸态提升了10.5%,极限抗拉强度(UTS)和断裂延伸率(El)由铸态的170.2 MPa和11.1%提升至174.0 MPa和13.1%,分别提升2.2%和18.0%,断口的解理平台小且出现大面积韧窝,由脆性断裂转变为韧性断裂。

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.

热处理工艺对Al-Si-Mg-Cu合金微观组织和力学性能的影响

采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和万能拉伸试验机等研究了固溶温度、固溶时间、时效温度以及时效时间等工艺参数对Al-Si-Mg-Cu合金微观组织与力学性能的影响。结果表明,固溶温度由500℃升高至545℃时,合金的共晶硅尺寸逐渐减小,545℃时共晶硅平均尺寸达到最小,超过550℃合金会发生部分过烧现象;固溶温度为545℃时,固溶时间由2 h增加至16 h,共晶硅尺寸随着固溶时间增加先减小后增大,固溶时间为12 h时,共晶硅的平均尺寸最小;时效处理后合金的硬度显著提升,时效温度由155℃升高至185℃时,峰值时效时间从8 h减少至4 h,在175℃时效时合金的峰值硬度最高;155℃时效时合金的组织中仅观察到β″相,在高于155℃峰值时效时组织中均观察到β″相与θ′相,实现了双析出相强化,175℃峰值时效时合金的抗拉强度可达365 MPa,但断后伸长率下降至2.1%。综合考虑合金的强度和韧性,合适的热处理工艺为545℃×12 h+165℃×8 h。

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−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。

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)。

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。

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。

N掺杂对Si-DLC薄膜的结构性能影响及摩擦机理研究

采用平板阴极等离子体增强化学气相沉积技术,通过调控N_(2)流量在GCr15基底上制备了系列硅氮共掺杂类金刚石碳基(Si/N-DLC)薄膜,分析探索N掺杂对于Si-DLC薄膜结构、力学性能和摩擦学行为的作用规律以及Si/NDLC薄膜的低摩擦磨损机理.结果表明:N元素的引入促进Si-DLC薄膜中sp^(2)-C结构的形成,降低了薄膜的硬度和弹性模量,但能大幅改善Si-DLC薄膜的韧性并增强结合(>20 N).更重要的是,N掺杂可有效降低Si-DLC薄膜的摩擦系数并改善其耐磨性能,摩擦系数和磨损率相较于Si-DLC薄膜分别降低了约26%和45%.其摩擦机理是类石墨碳(GLC)转移膜的形成使得摩擦界面发生转移,有效降低了Si/N-DLC薄膜的摩擦系数,并且依赖于摩擦界面的石墨化程度和氢含量.而磨损行为取决于其薄膜自身韧性和抵抗弹塑性变形的能力,磨痕内部脆性断裂缺口会造成转移膜的大面积破坏,加剧了黏着磨损.此外,确定了Si/N-DLC薄膜低摩擦(摩擦系数≤0.05)的最佳服役区间,相关结果为Si/N-DLC薄膜的结构性能调控和工程应用提供参考.

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。

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。

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。